LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

張衛(wèi)民

1 引言

LTE技術(shù)是建立在3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展演變而來，也被大多數(shù)人認(rèn)為是4G技術(shù)，但是LTE技術(shù)實(shí)際上屬于3.9G的范圍。LTE技術(shù)是實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行自動(dòng)化的基礎(chǔ)，在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，主要是由地面相應(yīng)的信號(hào)設(shè)備對(duì)行駛的列車進(jìn)行移動(dòng)的命令授權(quán)行為，列車通過車載的信號(hào)接收設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)命令的執(zhí)行操作，在這一過程中，交通信號(hào)的傳輸過程一般需要依靠LTE技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2 我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)無線通信的現(xiàn)狀

2.1 容易受到其他同頻段設(shè)備的干擾

從我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，大多采用的是基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）。CBTC系統(tǒng)主要由安全裝置、對(duì)象控制裝置和輔助列車檢測(cè)設(shè)備等組成，利用這些裝置與外部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的自動(dòng)控制（詳見圖1）。CBTC信號(hào)系統(tǒng)具有列車間隔短、軌道運(yùn)輸能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際的應(yīng)用中還存在一定的缺陷，其中最為明顯的一類問題就是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)非常容易受到其他同頻設(shè)備的干擾，從而影響到正常的信號(hào)傳輸。具體的原因主要是因?yàn)楫?dāng)前列車上免費(fèi)開放的無線局域網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)系統(tǒng)采用的均是2.4GHz頻段，這類開放頻段會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸通道被外界其他同頻段設(shè)備搶占的現(xiàn)象，系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)傳輸也會(huì)因此被阻斷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懙搅熊嚨恼＿\(yùn)營(yíng)。針對(duì)這種情況，想要進(jìn)一步降低外界因素對(duì)軌道交通信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，還需要額外采取應(yīng)對(duì)措施，相關(guān)研究人員也就此展開了一系列的研究工作，致力于將不易被干擾的信號(hào)投入到城市交通的信號(hào)系統(tǒng)中。

圖1 CBTC信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 不支持高速移動(dòng)

通過對(duì)各個(gè)地區(qū)城市交通信號(hào)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，有大部分地區(qū)在對(duì)城市交通規(guī)劃時(shí)都將列車的運(yùn)行速度定位到120km/h，針對(duì)120km/h甚至更高的列車運(yùn)行速度，會(huì)對(duì)城市交通信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸帶來巨大的壓力。從當(dāng)前的WLAN技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定來看，最早是被定位在室內(nèi)場(chǎng)景之間的無線寬帶傳輸，對(duì)于運(yùn)行速度較高的移動(dòng)設(shè)備來說，還沒有相應(yīng)的信號(hào)傳輸優(yōu)化設(shè)備能夠支撐移動(dòng)設(shè)備的快速運(yùn)行，過高的移動(dòng)速度會(huì)在很大程度上增加信號(hào)傳輸誤碼率，進(jìn)而對(duì)無線信號(hào)的傳輸造成影響。

2.3 城市交通軌道兩側(cè)的無線設(shè)備較多

從目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)來看，列車運(yùn)行的實(shí)際速度越快，WLAN技術(shù)設(shè)備在信號(hào)傳輸過程中的可靠距離就越短，以列車運(yùn)行速度80km/h為例，在設(shè)置WLAN設(shè)備的兩個(gè)AP點(diǎn)之間的距離需要控制在200m以內(nèi)，那么如果一條軌道線路長(zhǎng)達(dá)30km，則需要至少設(shè)置300個(gè)以上的AP設(shè)備（參考圖1）。但是在城市交通軌道兩側(cè)設(shè)置的信號(hào)傳輸設(shè)備越多，不僅需要更多的資金成本投入，對(duì)于城市交通信號(hào)系統(tǒng)中的安全隱患問題也會(huì)隨之增多[1]。如果軌道兩側(cè)的無線設(shè)備發(fā)生故障，技術(shù)人員往往無法及時(shí)趕到故障發(fā)生地點(diǎn)，對(duì)無線設(shè)備的搶修和日常維護(hù)的工作難度都相對(duì)較大。

3 LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

3.1 LTE技術(shù)概述

LTE技術(shù)是建立在3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷的創(chuàng)新和完善發(fā)展而來。LTE技術(shù)是由3GPP組織定義的一種空中無線接口標(biāo)準(zhǔn)，依靠LTE技術(shù)建立的移動(dòng)通信目標(biāo)是達(dá)到更高的信號(hào)傳輸速率，同時(shí)可以支持各類多媒體廣播的業(yè)務(wù)組播以及支撐包優(yōu)化基礎(chǔ)上的無線接入架構(gòu)。此外，LTE技術(shù)包含了當(dāng)前最為先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)、靈活的頻譜解決方案以及具有非常靈活的上下行資源配比，因此具有非常廣泛的應(yīng)用。其中日本便是利用了LTE技術(shù)中的頻譜解決方案的靈活性，將TD-LTE網(wǎng)絡(luò)頻譜設(shè)置為2.545-2.575GHz，國(guó)內(nèi)使用的則是2.57-2.62GHz等等。LTE技術(shù)在我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅顯著提高了列車運(yùn)行的安全性，還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了列車的自動(dòng)化運(yùn)行，對(duì)于交通行業(yè)的發(fā)展具有不可忽視的重要作用。

3.2 LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3GPP針對(duì)LTE技術(shù)的性能要求指標(biāo)主要是：城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)在20MHz頻譜的帶寬條件下需要提供100Mb/s的下行以及50Mb/s的上行峰值速率。LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中具有多種優(yōu)勢(shì)，具體總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）扁平化的網(wǎng)絡(luò)。LTE技術(shù)網(wǎng)絡(luò)采用的是BBU和RRU以及EPC兩層扁平的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式，這一類型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架往往需要的網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)會(huì)很少，時(shí)延小，可以進(jìn)一步滿足網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、低復(fù)雜度以及低成本的實(shí)際需求；（2）LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)傳輸系統(tǒng)中具有非常高的傳輸帶寬，并且支持成對(duì)以及非成對(duì)的頻段；（3）LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用表現(xiàn)出了較強(qiáng)的移動(dòng)接入性能，可以通過對(duì)頻率的自動(dòng)校準(zhǔn)來進(jìn)一步保證無線鏈路的質(zhì)量。

3.3 LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)的性能對(duì)比

表1 LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)的性能對(duì)比

4 LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

4.1 LTE信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，LTE技術(shù)也在不斷完善和優(yōu)化，LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用也為城市軌道交通的進(jìn)一步發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。例如：鄭州市在2013年底開始開通運(yùn)行的地鐵1號(hào)線，其中使用的PIS系統(tǒng)便是對(duì)LTE技術(shù)在無線通信方案中的首次運(yùn)用。其次，LTE技術(shù)在深圳、溫州以及杭州等多地的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中中標(biāo)[2]。LTE技術(shù)信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用主要涉及了列車的行車安全系統(tǒng)，對(duì)于無線通信的穩(wěn)定性、可靠性以及安全性會(huì)有較高的要求。LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過程中，所需要的帶寬很小，并且具有較高的實(shí)效性和可靠性。由于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)與城市軌道交通PIS系統(tǒng)在需求上存在一定的差異，所以在實(shí)際的LTE技術(shù)應(yīng)用過程中，還需要根據(jù)實(shí)際的信號(hào)無線通信傳輸特點(diǎn)來進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試。

4.2 LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)試

LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)試主要是從2014年北京市交通委、北京市軌道交通建管公司、北京市軌道交通路網(wǎng)指揮中心以及北京市地鐵運(yùn)營(yíng)公司等多家公司和部門的共同支持下進(jìn)行，通過聯(lián)合無線網(wǎng)絡(luò)通信廠商以及通信廠商對(duì)LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用信息進(jìn)行了整合和測(cè)試工作。LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)試拓?fù)涫疽鈭D如圖2所示，其中CBTC業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包的具體大小為400bytes，實(shí)際的發(fā)送周期是100ms；信道仿真器主要采用的是ETU信道模型，同時(shí)按照漏纜信道衰落的特點(diǎn)設(shè)置信道仿真器鏈路衰耗，將傳輸頻寬控制在5MHz和15MHz。利用這個(gè)測(cè)試平臺(tái)，可以對(duì)LTE傳輸時(shí)延、丟包性能以及切換傳輸性能等關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。參加LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中應(yīng)用測(cè)試的信號(hào)廠家有很多，比如：華為、中興、普天、54所等通信廠商以及卡斯柯、交控科技、富欣智控、全路通等信號(hào)廠家。LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)試主要依托與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)搭建的基礎(chǔ)上，各個(gè)通信廠商和信號(hào)廠家通過對(duì)城市軌道交通的模擬，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線通信傳輸?shù)臏y(cè)試。

圖2 LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)試拓?fù)涫疽鈭D

在完成LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)試試驗(yàn)之后，參與測(cè)試的各方都將LTE技術(shù)相關(guān)設(shè)備積極地轉(zhuǎn)移到城市軌道交通環(huán)境展開實(shí)際的應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果也進(jìn)一步表明了LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用價(jià)值，標(biāo)志著城市軌道交通又向前邁了一大步。

5 LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的使用專用頻率

LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的使用專用頻率，主要是為了LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)可以進(jìn)一步增加抗干擾能力。2015年年初，工信部發(fā)布的關(guān)于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中1785-1805MHz頻段將接入到信號(hào)系統(tǒng)的頻率使用事宜，對(duì)于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)可以申請(qǐng)專用的頻段進(jìn)行了明確規(guī)定[3]。這一規(guī)定的發(fā)表，也直接表示了城市軌道交通單位可以對(duì)LTE技術(shù)應(yīng)用的專用頻段進(jìn)行申請(qǐng)，并將申請(qǐng)下來的頻段作為商用通信運(yùn)營(yíng)之外的獨(dú)立頻段存在，避免了民用手持移動(dòng)設(shè)備可能對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。此外，在LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)傳輸中的專業(yè)頻段的應(yīng)用，也進(jìn)一步促進(jìn)了LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，更好地為城市軌道交通的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

6 總結(jié)

綜上所述，通過對(duì)LTE信號(hào)系統(tǒng)的在城市軌道中的應(yīng)用、LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)試以及LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的使用專用頻率三個(gè)方面的深入研究，進(jìn)一步明確了LTE技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值。作為當(dāng)前移動(dòng)通信發(fā)展中最為先進(jìn)的一類技術(shù)形式，只有對(duì)LTE技術(shù)不斷地進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，才能更好地為城市軌道交通的發(fā)展提供技術(shù)支持。