地鐵無線通信中的LTE技術應用

高輝

（安徽電信工程有限責任公司，安徽合肥230088)

地鐵無線通信中的LTE技術應用

高輝

（安徽電信工程有限責任公司，安徽合肥230088)

隨著城市化建設的不斷發(fā)展，人民生活水平日益提高，對地鐵交通的需求不再局限于文字和音頻信息，對軌道通信有了更高的要求，與此同時，時代的進步和科學技術的發(fā)展也使地鐵無限通訊技術進入了4G時代。另外，國內外各種軌道交通事故的出現(xiàn)，使得地鐵監(jiān)控設備、列車對乘客監(jiān)督管理的改善成為重要趨勢，以便應對突發(fā)事件。該文將從各個層面分析地鐵無限通信中的LTE技術應用，以期為地鐵通信的進步和完善做出提供一些參考意見。

地鐵無線通信；LTE技術；應用研究

LTE技術即長期演進技術，它是在3G的基礎上向4G過渡的一項技術。LTE技術改進和增強了3G的空中接入技術。與3G網(wǎng)絡技術相比，LTE技術有較高的數(shù)據(jù)下載能力、有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、其系統(tǒng)容量和覆蓋率大大提高，降低了網(wǎng)絡延遲。這項技術的演進主要采用了OFDM和MIMO，它被認為是3G網(wǎng)絡時代向4G網(wǎng)絡時代過渡的最重要主流技術。就目前而言，大多數(shù)運營商對這項技術都采取支持的態(tài)度，這對于LTE技術的發(fā)展至關重要。

1 LTE技術在地鐵中的應用基礎

1.1 LTE技術與地鐵需求的匹配

地鐵對LTE的要求有以下三方面：要對車廂進行實時監(jiān)控，從而提高列車運行過程中的安全性；通過PIS業(yè)務和乘客的寬帶接入業(yè)務，提高乘客的乘車滿意度，更便利地為乘客服務；通過承載列車列控信息，對列車的運行狀況進行實時監(jiān)控。為了匹配地鐵的網(wǎng)絡需求，對多方面都有不同的要求，在對LTE技術設計標準上，寬帶要有靈活配置，支持常用頻率；降低延時和周邊干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸速度和質量；要簡單化系統(tǒng)結構。在安全運營方面，采用多級QoS算法，利用優(yōu)先級排序提高傳輸效率；使用專用頻率，有較強的抗干擾能力；要做到大面積覆蓋、高移動性和無縫切換。在平臺方面，要聯(lián)合運用CCTV、CBTC、PIS等多種通信平臺共同作用。同時要滿足定制化服務，對于不同的業(yè)務、不同頻寬配置方式皆能做到靈活配置，滿足其需求。

1.2 LTE技術對基礎設備的位置要求

LTE技術的核心設備應放置在控制中心，與PIS系統(tǒng)連接，同時設置路由、隔離業(yè)務；RRU設備應放置在大區(qū)間內，并且LTE的基站要與控制中心相連接；TAU要接入地鐵的車頭和車尾，保證地鐵能夠接收來自控制中心的圖像信息，并且能夠把地鐵內的實時監(jiān)控信息上傳到控制中心。

2 LTE技術在地鐵無線通信中的應用優(yōu)勢

2.1 LTE的抗干擾技術

在干擾檢測層面，WIFI只能提供帶寬級的信號強度進行檢測和反饋，難免不夠精確，而LTE通過OFDM直載波調度，運用導頻設計均勻分配時頻域，它以2ms快速調度響應及時、準確地跟蹤信道時頻域變化。同時，LTE通過及時反饋機制還可以同步反饋多個終端，大大增強干擾檢測的及時性和準確性。在干擾避免層面，WIFI只能提供固定的、系統(tǒng)的帶寬級信道選擇，由于缺乏頻點，所以它很難靈活、及時、準確地避免干擾。而LTE網(wǎng)絡有明顯的技術改進，它通過毫秒級的調度機制可以隨時根據(jù)干擾情況準確地調度資源，在干擾被檢測到之后，LTE根據(jù)終端的信道狀況分配子帶頻率資源，LTE也可以通過AMC自動調整編制和編碼策略。在干擾控制上，WIFI只能有限地約束無線接入點和用戶終端的發(fā)射頻率，干擾控制能力比較弱。而LTE卻有完善系統(tǒng)的功率控制機制，采用多種干擾抑制算法來控制網(wǎng)絡的整體干擾水平，比如小區(qū)協(xié)調干擾抑制和協(xié)同多點干擾控制等。

2.2 LTE的高移動性

在移動性上，WIFI的覆蓋范圍小，且適合用于固定場所，在不斷移動的列車上，WIFI在頻繁地選擇和關聯(lián)新AP時會耗費大量時間，而LTE技術覆蓋范圍比較廣泛，它采用無縫切換算法，大大縮短了延時，這種高移動性也滿足了地鐵在高速移動的時候仍然能連接網(wǎng)絡。

2.3 LTE的高可靠性

在可靠性上，WIFI的數(shù)據(jù)傳輸無優(yōu)先級，它采用基于用戶競爭的QoS算法，沒有絕對的用戶優(yōu)先級，在這種情況下，出現(xiàn)一個同頻干擾源，丟包率就有60%，當出現(xiàn)兩個同頻干擾源時，丟包率高達100%，這將無法滿足地鐵任一級別業(yè)務。而LTE采用的是9級QoS算法，按照優(yōu)先級進行傳輸，優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級，盡量傳輸?shù)蛢?yōu)先級的，這種多級QoS算法便保證了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的有效傳輸。

3 LTE技術在地鐵無線通信中的綜合應用

3.1 LTE的信道和接收性能

LTE需要綜合運用CBTC、CCTV、PIS多種通信技術，使用CCTV可以實現(xiàn)視頻快速上傳，實時監(jiān)控調度員、值班員以及列車內部情況，使用PIS可以滿足實時高清播放需求。在承載工作進行過程中，有以下幾個問題需要注意：A、B兩網(wǎng)相互獨立、并行工作；A網(wǎng)分配較大帶寬，承載雙向CBTC，上行CCTV，下行PIS；B網(wǎng)分配較小寬帶，承載雙向CBTC信息作為備份。經(jīng)測試和分析，在相同的接收功率情況下，LTE技術相較于WIFI可以支持更快的列車速度，在相同的列車速度下，LTE技術靈敏度更高。

3.2 LTE的地鐵業(yè)務帶寬分析

帶寬是用來保障圖像的質量要求的，在地鐵的通信應用中，包括CCTV、CBTC、PIS三部門綜合調度。在CBTC系統(tǒng)中符合列車需求的傳輸帶寬為：在最不利情況下傳輸帶寬不能小于1Mbit/s。為了保證在列車高速移動時滿足上網(wǎng)需求，LTE網(wǎng)絡要為PIS和CCTV預留15M帶寬，分別給CBTC系統(tǒng)和語音視頻調度系統(tǒng)預留3M和7M帶寬，總計需要帶寬25M才能完全滿足地鐵通信需求。

3.3 LTE技術的設計原則

在設計LTE技術，只有滿足以下幾個基本原則，才會真正地滿足地鐵的網(wǎng)絡需求。1)可靠性原則。為了保證有突發(fā)事件時，網(wǎng)絡和信息傳輸不受影響，CBTC信號系統(tǒng)要求任何節(jié)點都有備份；2)安全性原則。這是為了數(shù)據(jù)在傳輸過程中不丟失，或者能抵御其他不良信息的攻擊，保證其安全性；3)實時性原則。能夠保證數(shù)據(jù)、信息的實時傳輸，對于車廂內的情況進行實時監(jiān)控；4)高帶寬原則。為了防止視頻卡頓、信息傳播速度慢、不能實時更新等情況，需要有高帶寬來滿足地鐵對網(wǎng)絡速度的要求；5)環(huán)境適應性原則。無線的布置要考慮到乘客的上網(wǎng)需求，做到網(wǎng)絡覆蓋所有乘客。

3.4 效益分析

LTE技術一定程度上提高了地鐵的監(jiān)控水平，為保障列車的安全提供了實時信息，也為乘客提供了一個更好的乘車體驗，乘客可以在列車行駛過程中查看到服務信息、公共資訊、娛樂新聞等。此外，LTE技術在數(shù)據(jù)傳輸上有更快的速率，有更充足的系統(tǒng)容量，有更低的運營成本?？梢哉f，LTE技術的運用既降低了成本，又提高了經(jīng)濟效益。

4 LTE技術應用于CBTC的探討

4.1 LTE技術的安全機制

用戶的所有操作是在安全密匙生產(chǎn)和相互認證的基礎上實現(xiàn)的，LTE的密匙生產(chǎn)過程是通過對所有密匙進行計算得出加密密匙和完整性密匙，再由這兩種密匙得出一個父密匙KASME，由父密匙產(chǎn)生各層所需的子密匙，這樣便形成了防止上下級密匙泄露的密匙分層系統(tǒng)。LTE的密匙協(xié)商過程采用的是Milenage算法，目前為止，這種算法還未被攻破過，這種算法具有AKA鑒權過程中五元組鑒權機制，可以實現(xiàn)用戶設備和網(wǎng)絡方面的雙向鑒權。它的優(yōu)勢在于，其具有128bit的密匙長度很難被破解，并且它的雙向鑒權可以抵抗不良偽基站的攻擊，它能夠很好地滿足CBTC的安全需求。

4.2 LTE技術的時延

在高速移動的地鐵中，為了保證信號接收的及時性和通信質量，一定需要有嚴格的數(shù)據(jù)時延控制。目前LTE對時延的控制是：用戶面單項傳輸要小于5ms；把控制面從睡眠狀態(tài)喚醒到激活狀態(tài)小于50ms，把控制面從駐留狀態(tài)遷移到激活狀態(tài)時間小于100ms；用戶網(wǎng)絡中斷時間不能超過100ms。在芬蘭的LTE網(wǎng)絡測試中，平均時延僅有23ms。這些指標表明，LTE網(wǎng)絡傳輸速度非?？?，能滿足大部分地鐵通信的需求，比如VoIP、高清IPTV或者視頻流媒體。

4.3 LTE技術的丟包率

所謂丟包率，顧名思義就是在數(shù)據(jù)包發(fā)送時，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量占總數(shù)據(jù)包的比率。目前最穩(wěn)定的美國VERIZON4G網(wǎng)絡被測試過，結果顯示，在美國這樣一個4G網(wǎng)絡非常成熟的國家，LTE的丟包率竟然高達30%。由此可見，LTE在保證數(shù)據(jù)完整傳輸上存在比較大的問題，丟包率過大難以符合CBTC的安全穩(wěn)定要求。

5 地鐵的LTE需求

5.1 車載CCTV安全需求

在地鐵中時有緊急事件的發(fā)生，LTE的出現(xiàn)能夠實現(xiàn)高清視頻的播放，對車廂內的各種情況進行實時監(jiān)控，及時地給公安系統(tǒng)提供圖像傳輸，來應對突發(fā)事件，并且在緊急情況下，LTE可以優(yōu)先運行安全信息，給予明顯的動態(tài)輔助性提示，以確保運營的絕對安全。車載CCTV通過LTE接受信息，并轉發(fā)給各個車廂，以使乘客看到視頻信息的播放，根據(jù)正確的信息引導，安全、正確地乘坐地鐵。

5.2 車載PIS實時高清需求

隨著網(wǎng)絡技術的普及和不斷發(fā)展，人們對視頻的觀看體驗要求越來越高，而在地鐵上，也需要有流暢的地鐵影音服務來滿足乘客的這一需求，車載PIS可以通過LTE提供實時的重大新聞、賽事進行、電視節(jié)目的播放，滿足高清視頻的無延時播放需求，滿足乘客的娛樂需求，提高了PIS的媒體實時性。

5.3 增值業(yè)務需求

LTE可以按時間段和高峰人流量等數(shù)據(jù)進行相應的廣告投放，這種廣告投放模式和運營方式更加科學高效，也極大地提高了廣告投放效率，并且降低了運營成本，提高了經(jīng)濟效益，可見LTE是一個比較完善的公共媒體實時信息投放平臺。此外，LTE網(wǎng)絡技術還可以實現(xiàn)集多種功能于一體的綜合音視頻集群通信系統(tǒng)，在語音調度的基礎上，增加遠程監(jiān)控、視頻會議、智能分析、視頻調度等多種功能，很大程度上增加了調度的及時性和準確性。

6 結論

LTE技術在可靠性、抗干擾性和移動性等多個方面取得了重大進步，它能夠進行實時監(jiān)控，很大程度上保證了列車的安全；它采用無縫切換算法和QoS優(yōu)先級算法，大大減小了延時和數(shù)據(jù)的丟包率，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，保證了信號接收的及時性和通信質量；它具有高帶寬和大覆蓋面積，為數(shù)據(jù)的流暢傳送提供了前提條件；它的安全機制是通過Milenage算法形成了密匙分層系統(tǒng)，大大提高了安全性能；車載PIS通過這一技術實現(xiàn)了無延時播放，滿足了乘客對地鐵影音服務的需求；它實現(xiàn)了分段的廣告投放模式，提高效率的同時也提高了經(jīng)濟效益。LTE眾多的優(yōu)勢想必會在地鐵無限通信中大放異彩，雖然目前我國在地鐵LTE技術上還處于初級階段，但是未來LTE技術的應用一定有廣大市場。

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TP393

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1009-3044(2017)19-0045-02

2017-06-10