長期演進（LTE）技術在地鐵無線通信中的應用研究

夏學浩

（上海工程局集團新海信通公司，上海 200000）

0 引 言

地鐵無線通信技術主要采用3G、GSM、陸上集群無線電、CDMA以及WiFi等技術，主要包括列車控制無線通信、專用無線通信以及商用無線通信3大應用類別。在專用無線通信業(yè)務中，又包括閉路電視專用的WiFi網絡、乘客信息系統(tǒng)以及對CBTC進行有效保障的WiFi網絡3部分?；贚TE技術的應用，能夠使無線通信傳輸實現(xiàn)三網合并，使建設、運營以及維修成本大幅度減少，實現(xiàn)網絡優(yōu)化。

1 LTE優(yōu)勢

1.1 抗干擾技術

此技術在抗干擾方面表現(xiàn)優(yōu)異。與WiFi技術相比，它在干擾避免、干擾檢測和干擾控制3個層面具有明顯優(yōu)勢[1]。WiFi在干擾檢測方面主要通過檢測和反饋系統(tǒng)帶寬級信號強度實現(xiàn)，而此技術通過均勻分配時頻域，利用導頻設計和OFDM直載波調度，實現(xiàn)時頻域變化跟蹤，從而通過2 ms的快速調度響應更準確、更及時地進行干擾檢測。當干擾檢測發(fā)現(xiàn)干擾時，可通過IRC、重傳以及完善的編碼機制，根據(jù)干擾的實際情況，按照每個終端的信道狀況進行動態(tài)資源調度，優(yōu)先分配信號質量高、干擾小的子帶頻率資源。另外，此技術可根據(jù)信道干擾情況，利用AMC自適應調制編碼進行相應的編碼圖策略和自適應調制調整。對于干擾控制，此技術能夠有效控制整個網絡的干擾水平。它完善的功率控制機制擁有多種干擾抵制算法，如CoMP上行干擾控制和ICIC干擾抑制算法，可降低網絡的整體干擾水平?？梢姡思夹g在控制干擾和規(guī)避干擾方面優(yōu)勢明顯。

1.2 高移動性

與WiFi的移動性相比較，LTE的表現(xiàn)更出色。WiFi在軌道運行中需要對AP頻繁重選和關聯(lián)，造成高延時，且覆蓋范圍較小，影響網絡接入的穩(wěn)定性。此技術中運用遠距離覆蓋、無縫切換算法等技術手段具有高移動性特點，以最高時速運行的地鐵為基準，確保其延時不超過50 ms。

1.3 高可靠性

網絡關鍵數(shù)據(jù)的可靠性傳輸通過此技術的多級QoS算法保證。此算法在路由器和交換機上進行設置，主要包括限制P2P、ICMP優(yōu)先級、ACK確認字符、策略以及帶寬等設置。此技術具有9種算法，同時對地鐵用戶業(yè)務根據(jù)優(yōu)先級別進行劃分，優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級別的用戶，低優(yōu)先級的用戶盡量傳輸。

1.4 信 道

WiFi存在鄰頻和同頻干擾，但LTE技術不存在此類問題。由于空間接口的獨特幀結構，LTE可對同頻網絡節(jié)省帶寬進行組建。通過15 kHz子載波調度技術，對同頻網絡可采用20 MB進行組建，而WiFi需要140 MB才能對無干擾網絡進行組建。此外，LTE的傳輸信道還能根據(jù)用戶需求進行動態(tài)分配。

1.5 接收性能

列車運行時，通過WiFi和LTE的接收性能進行測試，可以發(fā)現(xiàn)在相同接收頻率，WiFi支持的列車速度明顯低于LTE技術。在相同列車速度時，LTE技術靈敏性表現(xiàn)更高。在接收功率低于-90 dBm時，WiFi無法接收數(shù)據(jù)；在低于-130 dBm時，LTE技術對低速數(shù)據(jù)需求仍能予以滿足。所以，LTE技術與WiFi在同等情況下，具有更高的接收性能和高移動性。

1.6 地鐵業(yè)務帶寬分析

在地鐵無線通信中，語音視頻綜合調度、CBTC系統(tǒng)以及車載CCTV共3部分作為上傳數(shù)據(jù)，其網絡上行帶寬峰值時能夠超過50 Mbit/s，下行帶寬的理論峰值可超過100 Mbit/s。通過對PIS、車載CCTV以及CBTC帶寬的計算，可為其預留一定的帶寬額度。通過應用LTE技術，可使3個通信網絡合一，所需帶寬將不超過25 MHz，充分滿足地鐵無錢通信功能需求[2]。

2 LTE在地鐵無線通信中的應用

作為通用移動通信系統(tǒng)技術標準的長期演進，LTE引入MIMO和OFDM等關鍵技術，增加數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率。另外，在軌道交通中，LTE使用的頻段為1.786～1.805 GHz。此技術專用網絡主要作為語音視頻、車載PIS、CBTC以及車載CCTV的綜合調度通道。對地鐵穩(wěn)定和實時傳輸信號進行有效保證的自動控制系統(tǒng)CBTC，具有性優(yōu)先級等要求。通過用此技術取代WiFi，針對地鐵無線通信網絡中存在的問題，對車地一網多業(yè)務承載、長距離覆蓋、專頻雙網可靠通信進行設計，提高運營效率。應用LTE網絡分別作為匯聚層、核心層和接入層，對底層應用和控制中心進行組網連接，通過數(shù)據(jù)交互，保障各通信系統(tǒng)的可靠性和完整性。

3 在CBTC中的應用探討

PIS和CBTC系統(tǒng)通常采用LAN或WLAN與泄露電纜進行組合，主要依據(jù)產品鏈和技術的成熟情況。在CBTC中的應用可以從數(shù)據(jù)丟包率、安全機制以及接入延時等方面進行分析。

3.1 安全機制

用戶所有操作通過密鑰協(xié)商和認證過程予以實現(xiàn)，主要包括加密密鑰過程和完整性密鑰過程。通過用戶全球識別卡USIM和鑒權中心AUC對所共有的密鑰進行計算，從兩個基本密鑰中得出父密鑰，并利用此密鑰生成其他各層所需的子密鑰。通過這種分層推衍的方式，可有效避免泄露上下級密鑰的情況。LTE中的AKE鑒權過程主要采用Milenage計算方法，與UMTS的鑒權方式相同，利用其鑒權機制的優(yōu)勢，實現(xiàn)網絡側門和UE的雙向鑒權。對于地鐵中不良偽基站的攻擊，雙向鑒權有著良好的抵抗性。另外，密鑰長度也增加了破解難度，可以更好地滿足CBTC的安全性要求[3]。

3.2 丟包率

測試過程中，發(fā)送的數(shù)據(jù)包中丟棄的數(shù)據(jù)包所占的比例稱為丟包率。通過相關測試和調查發(fā)現(xiàn)，在最成熟的國外4G網絡中，LTE技術的平均丟包率已經達到30%，明顯存在丟包率過大的問題，因此對于CBTC穩(wěn)定性和安全性還有待進一步改善。

3.3 接入延時

LTE技術在接入延時方面的表現(xiàn)：控制面會在用戶面單項傳輸時延小于5 ms時被激活，轉化其原有的睡眠狀態(tài)的時延小于50 ms，兩種狀態(tài)之間的遷移時間不超過100 ms，而中斷用戶面的時間小于100 ms。根據(jù)相關的延遲測試發(fā)現(xiàn)，對于地鐵無線通信應用需求，LTE技術能夠滿足大部分需求，主要有視頻流媒體、VoIP以及高清IPTV等[4]。

因此，根據(jù)上述分析可以看出，對于語音視頻、車載CCTV以及車載PIS綜合調整技術要求，LTE能夠很好地予以滿足，但在低丟包、低延時的安全性能方面表現(xiàn)還不夠理想。

4 LTE應用所滿足的地鐵需求

4.1 車載的安全需求

通過應用LTE技術，可以提供車載CCTV高清視頻車地傳輸業(yè)務，可以實時監(jiān)控車廂內的情況，為各相關部門和公安系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時，根據(jù)運營安全信息優(yōu)先使用原則，緊急情況，能夠實現(xiàn)動態(tài)輔助性提示。對系統(tǒng)無線傳輸信息，通過車載系統(tǒng)接收、處理后向車輛轉發(fā)，并在室內通過視頻、語音的方式進行播放，有效引導正確的服務信息，從而實現(xiàn)軌道交通的安全性和便捷性[5]。

4.2 車載實時高清需求

通過LTE技術提供的車載高清視頻傳輸業(yè)務，車載PIS在重大新聞、電視廣播節(jié)目以及重大賽事等的轉播上能實現(xiàn)無延時實時播放，從而有效提高平臺層次和媒體實時性。

4.3 增加視頻需求

在語音調度基礎上，通過應用LTE技術，可使視頻集群系統(tǒng)TD-LTE升級為綜合音視頻集群通信系統(tǒng)，集遠程監(jiān)控、視頻調度視頻聯(lián)動、視頻會議以及智能分析等功能于一體，提高調度的準確性和及時性。

4.4 增值業(yè)務需求

此技術具有性價比高、主網靈活、業(yè)務提供能力強以及擴展性好等特點，提供高清廣告等公共媒體實時信息投放平臺的同時，可實現(xiàn)時間段的細分。廣告投放模式可根據(jù)高峰人流量在不同時間段的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行細化，實現(xiàn)科學化和高效化的管理運營盈利模式。

5 結 論

LTE技術具有無可替代的應用優(yōu)勢和特點，對地鐵無線通信的維護管理、系統(tǒng)擴展性以及業(yè)務提供等多方面需求予以滿足，同時對無線通信技術的發(fā)展趨勢有著良好的適應性。在車載CCTV、車載PIS和語音視頻綜合調度實現(xiàn)無限融合的設計方案中，LTE技術應用優(yōu)勢顯著，不僅可以減少投資成本，降低運營維護費用，還能提高運營的廣告收益。因此，長期演進（LTE）技術在地鐵無線通信中的應用是城市建設和技術發(fā)展的必然趨勢，在地鐵運行中有著廣闊的應用前景。