基于LTE的城市軌道交通CBTC列車(chē)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的研究

呂文斌

（天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司，天津 300222）

LTE網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)高速通信需求而研發(fā)出來(lái)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，它最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)中期，后經(jīng)過(guò)發(fā)展改進(jìn)成為一些歐洲國(guó)家的數(shù)字專(zhuān)用通信系統(tǒng)。隨著軌道交通的快速發(fā)展與運(yùn)行速度的提高，需要一種網(wǎng)絡(luò)通信容量更大，通信速度更快的通信系統(tǒng)，LTE技術(shù)發(fā)展迎來(lái)了高速時(shí)期。

1 LTE技術(shù)背景

新時(shí)代的背景下，全國(guó)大力發(fā)展城市軌道交通，地鐵的安全性、高效性、快捷性都面臨了重大的考驗(yàn)，尤其是車(chē)與地面通信的可用行、可靠性要求也越來(lái)越高，因此車(chē)地通信系統(tǒng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該更加貼近實(shí)際需求，為乘客及運(yùn)營(yíng)提供更好的服務(wù)與保障。地鐵在移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)中主要使用WLAN、WiMAX、DVB等幾種普遍模式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，城市軌道交通移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)中采用EE802.11b/g技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)存在移動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)帶寬需求的限制，給車(chē)地通信系統(tǒng)帶了很大的困擾。LTE作為準(zhǔn)4G技術(shù)，它主要是一種基于正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）與多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）為核心的新一代無(wú)線(xiàn)通用技術(shù)，LTE增強(qiáng)了空中接入，利用增大頻譜利用率與提高數(shù)據(jù)傳輸速率提高了數(shù)字通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此專(zhuān)用頻段能夠有效保障行車(chē)安全。

2 LTE技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

由于LTE技術(shù)定位于準(zhǔn)4G通信技術(shù)，因此LTE通信系統(tǒng)的出現(xiàn)和應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)通信技術(shù)的壁壘，帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)模式與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全面革新，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化、數(shù)據(jù)傳輸速度快、低延時(shí)的特點(diǎn)，并且在技術(shù)方面做出了突破。

2.1 LTE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于LTE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)更加扁平化，分為核心網(wǎng)Evolved Packet Core，設(shè)備基站eNodeB以及用戶(hù)設(shè)備UE三部分。

圖1 LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的3G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，將傳遞層的RNC節(jié)點(diǎn)去除，使得LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體趨于扁平，并且加入了核心網(wǎng)與基站之間S1接口和基站與基站之間X2接口，使數(shù)據(jù)傳送更加便捷。

2.2 LTE的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

LTE移動(dòng)通信技術(shù)使用了正交頻分復(fù)用OFDM內(nèi)核，組建了一個(gè)傳輸速率高達(dá)75～150Mb/s的傳輸框架，具有傳輸效率高，傳輸容量大等特點(diǎn)，同時(shí)LTE可以改善網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶(hù)的使用體驗(yàn)，在抗干擾與安全機(jī)制兩方面都有很好的優(yōu)勢(shì)。

（1）安全機(jī)制。通信系統(tǒng)中傳輸不穩(wěn)定主要原因是同頻譜信號(hào)之間的干擾，LTE技術(shù)可以通過(guò)切換不同算法來(lái)降低同頻組網(wǎng)間的干擾。此種安全機(jī)制優(yōu)勢(shì)在于保證無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的安全、可靠的傳輸能力。（2）可維護(hù)性高。LTE技術(shù)采用的無(wú)線(xiàn)覆蓋模式，城軌系統(tǒng)傳輸介質(zhì)多為漏纜，覆蓋距離遠(yuǎn)，無(wú)線(xiàn)設(shè)備成本也降低了許多，因此在軌行區(qū)間內(nèi)無(wú)需敷設(shè)有源設(shè)備，因此運(yùn)維簡(jiǎn)單，升級(jí)維護(hù)靈活。（3）高速移動(dòng)環(huán)境。LTE技術(shù)其根本是用于解決高速移動(dòng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)高速接入，因此其高速移動(dòng)性、環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)適合同樣需要高效率、高優(yōu)先級(jí)調(diào)度的城市軌道交通系統(tǒng)。

3 LTE技術(shù)在軌道交通中應(yīng)用方案

3.1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

基于LTE技術(shù)的城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)主要涵蓋了三部分，分別為T(mén)AU車(chē)載子系統(tǒng)、BBU地面子系統(tǒng)與RRU核心網(wǎng)。

圖2 基于LTE城軌車(chē)地通信系統(tǒng)

核心網(wǎng)作為L(zhǎng)TE整體組網(wǎng)框架的數(shù)據(jù)交換核心，主要作用是為信息提供交互并且負(fù)責(zé)基站的運(yùn)維和管理的終端，它是軌道交通線(xiàn)路網(wǎng)的控制中心。地面子系統(tǒng)主要由BBU和RRU組成，基帶處理單元主要完成基帶信號(hào)的處理，射頻拉遠(yuǎn)單元?jiǎng)t為將基帶光信號(hào)轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)放大出去。因此，當(dāng)城軌列車(chē)正常牽引行駛開(kāi)始時(shí)，會(huì)從一個(gè)RRU的覆蓋區(qū)行駛到另一個(gè)RRU的覆蓋區(qū)，此時(shí)TAU設(shè)備就會(huì)根據(jù)切換算法在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行越區(qū)切換，來(lái)保證用戶(hù)設(shè)備的信號(hào)質(zhì)量。

3.2 LTE網(wǎng)絡(luò)的車(chē)地通信應(yīng)用

基于LTE技術(shù)的城市軌道交通的車(chē)地通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于PIS和CCTV系統(tǒng)。利用LTE技術(shù)解決綜合信號(hào)系統(tǒng)的承載，主要是需要對(duì)軌行系統(tǒng)內(nèi)所涉及的車(chē)站、正線(xiàn)、停車(chē)場(chǎng)等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范制定無(wú)線(xiàn)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)在處理與傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，保證了CBTC地面設(shè)備、PIS設(shè)備、DCS傳輸網(wǎng)以及車(chē)載控制器等多項(xiàng)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)統(tǒng)一，使得各個(gè)系統(tǒng)之間可以互相協(xié)同工作。其次，基于LTE技術(shù)的城軌數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，必須保證在通信設(shè)備單點(diǎn)故障發(fā)生時(shí)，確保CBTC業(yè)務(wù)仍然可以不間斷地傳輸數(shù)據(jù)，并且要保證信息的安全要求。最后，城市軌道交通CBTC系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜效率以及抗干擾能力都有很高的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析研究了基于LTE技術(shù)的城市軌道交通通信系統(tǒng)的高速性、抗干擾、延時(shí)低等優(yōu)勢(shì)。探討了LTE技術(shù)在城軌交通通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的設(shè)計(jì)方案。全新的LTE技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)將在行業(yè)引導(dǎo)、發(fā)展趨勢(shì)等多個(gè)方面為未來(lái)LTE技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)提供行之有效的寶貴經(jīng)驗(yàn)。