LTE技術(shù)在城市軌道交通車－地?zé)o線通信中的應(yīng)用探討

文 | 單瑛 中鐵二院通號院

1 基于WLAN技術(shù)的車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)兼容性分析

基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的WALN技術(shù)是城市軌道交通信號系統(tǒng)，目前主要可用的寬帶數(shù)據(jù)無線通信技術(shù)，該技術(shù)于2004年在國內(nèi)運用，并成為國內(nèi)城市軌道交通信號系統(tǒng)主流的車-地通信技術(shù)，已在北京、上海、廣州、深圳、成都、西安、杭州等城市廣泛運用。近年來，通信PIS系統(tǒng)可用的寬帶數(shù)據(jù)無線通信技術(shù)制式相對信號系統(tǒng)較多，但國內(nèi)城市軌道交通已開通和正在實施中的線路采用WLAN方案占多數(shù)。綜上，目前城市軌道交通環(huán)境中車-地?zé)o線通信系統(tǒng)以兩張WLAN網(wǎng)絡(luò)共存的情況為主。

兩個無線通信網(wǎng)絡(luò)電磁兼容是工程實施中必須考慮的問題。根據(jù)已實施項目的實際使用情況，信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)的電磁兼容主要有三個方案：

方案一：信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)采用同一家WLAN供貨商，將信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)集成建設(shè)。例如，北京機場線采用該方案。

方案二：信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)分別使用不同頻段，例如：信號系統(tǒng)使用2.4GHz頻段，PIS系統(tǒng)使用5.8GHz頻段或其它無線頻段。目前，上海地鐵10號線和西安地鐵2號線均采用該方案。

方案三：信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)采用同頻段，當(dāng)兩系統(tǒng)采用同頻段（如ISM頻段）時，在工程實施中一般采取以下三項措施以盡量減少相互間的干擾：選擇不同天線極化方向；合理規(guī)劃無線頻點；協(xié)調(diào)AP點位置。

2 目前城市軌道交通車-地通信存在的問題

車－地?zé)o線通信系統(tǒng)采用2.4GHz開放頻段，所有使用2.4GHz WLAN技術(shù)的設(shè)備均為信號無線車－地通信系統(tǒng)的干擾源，系統(tǒng)不可避免的會遭到民用通信產(chǎn)品（MiFi，WiFi，藍(lán)牙等）的干擾，可能導(dǎo)致信號車－地?zé)o線通信傳輸系統(tǒng)無法工作，影響信號系統(tǒng)的可用性。而且隨著將來無線智能城市的建設(shè)以及手機上網(wǎng)應(yīng)用的普及，將會有更多的干擾源出現(xiàn)。而且近期發(fā)生的城市軌道交通信號系統(tǒng)車地通信受到民用3G熱點設(shè)備干擾，導(dǎo)致列車正常運行受到較為嚴(yán)重影響的情況已逐漸顯現(xiàn)，如2012年10月份以來，深圳蛇口線（2號線）、環(huán)中線（5號線）信號車－地?zé)o線受外界干擾，列車多次發(fā)生信號保護功能動作而產(chǎn)生的列車緊急制動，造成了列車嚴(yán)重晚點，使旅客大量滯留，產(chǎn)生較大的社會影響。成都、重慶等城市的城市軌道交通線路也發(fā)生了類似的情況。

3 LTE技術(shù)在車-地?zé)o線通信中應(yīng)用的可行性分析

若要從根本上解決目前車－地?zé)o線通信中的干擾問題，保證信號系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定工作，只能通過采用專用頻段及更先進的無線通信技術(shù)解決。因此，工業(yè)和信息化部無線電管理局正在開展城市軌道交通采用專用頻段的前期調(diào)研工作。

城市軌道交通車－地通信系統(tǒng)主要應(yīng)具備以下幾個特點：高可靠性、高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率和低數(shù)據(jù)傳輸時延、良好的移動性能。LTE技術(shù)較WLAN技術(shù)可以更好的滿足上述需求[1]。

第一，LTE系統(tǒng)采用扁平化組網(wǎng)方案，簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少了網(wǎng)元數(shù)量，系統(tǒng)可靠性高。

第二，LTE技術(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率和頻譜利用率高，優(yōu)于窄帶系統(tǒng)TETRA、GSM-R，也優(yōu)于WIFI、WiMAX。

第三，LTE系統(tǒng)采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地縮短了端到端的數(shù)據(jù)傳輸時延，更加滿足城市軌道交通特別是信號系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

第四，LT E技術(shù)可支持高達350km/h的移動性能，雖然城市軌道交通列車移動速度一般不會大于100km/h，但會造成由于移動性而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸性能下降。

第五，LTE系統(tǒng)具有頻譜靈活性特點，可支持不同大小的頻譜分配，可在不同大小的頻譜中部署，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz，以及20MHz，支持成對和非成對頻譜。

4 信號與PIS共享LTE車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)可行性分析

信號CBTC系統(tǒng)承載安全信息，對數(shù)據(jù)傳輸實時性、丟包率、安全性要求高，但數(shù)據(jù)量較小；PIS系統(tǒng)承載的為非安全性信息，數(shù)據(jù)量大，但對時延、丟包率要求相對較低[2]。

結(jié)合LTE方案提供的網(wǎng)絡(luò)通信條件，為充分利用寬帶移動通信平臺的能力、實現(xiàn)資源共享和投資最大化，信號CBTC系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)在理論上可以共用車－地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，可以通過設(shè)定不同優(yōu)先級的方式保證信號系統(tǒng)信息的可靠傳輸。

5 LTE在車－地?zé)o線通信應(yīng)用中的頻段選擇

3GPP組織在制定LTE協(xié)議的時候已經(jīng)制定了頻率范圍，并且制定FDD與TDD各自的頻段，兼容了全球現(xiàn)有無線通信的頻段。

工業(yè)和信息化部于2013年12月4日向中國移動、中國電信和中國聯(lián)通頒發(fā)了TD－LTE的經(jīng)營許可，中國移動1880 －1900 MHz、2320－2370 MHz、2575－2635 MHz；中國聯(lián)通的頻譜資源為2300－2320 MHz、2555－2575 MHz；中國電信的頻譜資源為2370－2390 MHz、2635－2655 MHz。FDD系統(tǒng)使用頻段尚未能確定。

為了推動新一代寬帶無線接入技術(shù)(含數(shù)字集群功能)在重點領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用，國家在政策和頻率上也給予大力支持。針對行業(yè)信息化應(yīng)用的新需求，2008年無線電管理局發(fā)布了工信部無[2008]332號文擴展了1785－1805MHz頻段的業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍，不僅可以開展語音、低速數(shù)據(jù)等窄帶應(yīng)用，也可以開展無線視頻傳輸?shù)葘拵?yīng)用。

近年來，我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD－LTE專網(wǎng)寬帶集群產(chǎn)品已在政務(wù)網(wǎng)和重點行業(yè)開展商用。目前，北京、天津等城市已部署基于TD-LTE技術(shù)的政務(wù)網(wǎng)，我國為TDLTE政務(wù)網(wǎng)分配了1447－1467MHz共20MHz試用頻率。

目前在中國可申請用于城市軌道交通車－地?zé)o線通信系統(tǒng)中頻段主要包括1.8G H z（1785－1805MHz）和1.4GHz(1447－1467MHz)。考慮到信號系統(tǒng)車－地?zé)o線通信系統(tǒng)采用雙網(wǎng)同時工作的需求，且為了降低兩張網(wǎng)絡(luò)同頻干擾的概率、提高系統(tǒng)的可用性和可靠性，建議在1.8GHz和1.4GHz各申請一定頻段，建立異頻雙網(wǎng)。

[1] 沈佳，索士強等.3GPP長期演進（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 人民郵電出版社，2008.

[2] 李佳. 軌道交通PIS與CBTC無線組網(wǎng)技術(shù)及干擾分析研究 [J]. 鐵道工程學(xué)報，2011.（06）