基于LTE技术的车地无线通信组网方案研究

收稿日期:20131204

作者简介:孙寰宇(1975 ),男,工程师,2006年毕业于武汉大学,工学硕士,E-mail:sunhuanyu@㊂

第58卷 第8期2014年8月

铁道标准设计

RAILWAY STANDARD DESIGN

Vol.58 No.8Aug.2014

文章编号:10042954(2014)08015904

基于LTE 技术的车地无线通信组网方案研究

孙寰宇1,顾向锋2

(1.郑州市轨道交通有限公司,郑州 450002;

2.中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,郑州 450002)

摘 要:基于轨道交通车地无线通信技术应用现状分析,结合轨道交通现场条件和乘客信息系统对车地无线通信的需求,提出适用于轨道交通的TD-LTE 技术组网方案,并进一步在郑州市轨道交通1号线一期工程实验验证㊂该方案能够解决现有地铁行业车地通信的瓶颈,能够达到净化隧道区间㊁减少隧道设备㊁降低维护工作量的目的,有利于其他系统接入㊂

关键词:轨道交通;TD-LTE ;乘客信息系统;车地无线通信;无线局域网

中图分类号:U239.5;U285.2 文献标识码:A DOl:10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.039

Research on Networking Plan for Train-Ground Wireless

Communication System Based on LTE Technology

SUN Huan-yu 1,GU Xiang-feng 2

(1.Zhengzhou Metro Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,China;2.The 4th Branch,China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,China)

Abstract :Based on analysis of present application status of train-ground wireless communication

technology in rail transit,considering the field condition of rail transit,and in combination with the

wireless communication requirement of passenger information system,this paper proposed the networking

plan suitable for rail transit based on TD-LTE technology.And then the experimental validation of this

networking plan was carried out with the first-phase project of Zhengzhou urban rail transit Line 1.Finally this paper come to the conclusion that this networking plan can solve the bottleneck problem of train-ground communication of rail transit at present,can achieve the goals of purifying the tunnels,reducing

tunnel equipment and decreasing maintenance work,and can be good for the access of other systems.Key words :rail transit;TD-LTE;passenger information system;train-ground wireless communication;

wireless local area network

随着城市轨道交通系统的不断发展,其安全性㊁

舒适性和高效性得到社会的普遍关注㊂车地无线通信系统担负着轨道交通运行中车厢内与外界信息交互的 桥梁 作用㊂除了承载传统的语音业务,还需要承载

乘客出行信息㊁视频监视信息㊁宽带集群㊁多媒体广告信息㊁电视信息以及CBTC 等业务,在提高地铁运营效率㊁公共安全管理以及改善乘客出行体验方面都起着重要的作用㊂

目前国内建设的城市轨道交通车地无线通信系统

采用的技术基本为802.11系列无线局域网技术(WLAN)[1],WLAN 作为一种宽带无线接入网技术,其网络化㊁宽带化等特点具有相当的优势㊂但目前采用

的WLAN 技术方案具有很大的局限性:WLAN 网络在固定情况下能提供高达54Mbps 的数据带宽,但在支持步速移动情况下提供11~13Mbps 的数据带宽,仅能实现标清信号的传输,暂不能满足高清的要求[2];WLAN 天线覆盖范围较小,轨旁AP 在直线隧道一般每间隔200m 布设1个,系统越区切换频繁,导致系统易丢包,造成视频画面停滞或马赛克系统工作[3];WLAN 工作在2.4G 频段,干扰源多,对运营安全要求较高的无线传输系统会导致系统传输中断,进而影响

车辆的正常运行[4]㊂

随着宽带无线技术的不断发展,新技术的出现,尤其是第四代移动通信技术LTE的日渐成熟[5],使轨道交通无线网络的统一㊁达到更好的传输效果成为可能㊂1 乘客信息系统车地通信需求

1.1 业务需求

乘客信息系统(PIS)依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供下列信息服务㊂

(1)安防业务

提供车地高清视频传输业务,实时监控车厢内一举一动,为公安系统提供实时动态图像传输,以应对紧急突发事件㊂

在紧急情况下,本着运营安全信息优先使用的原则,可提供动态辅助性提示㊂车载设备负责接收系统无线传输的信息,经处理后转发给车辆专业,以便其在列车客室内音㊁视频播放,使乘客通过正确的服务信息引导,安全㊁便捷地乘坐地铁㊂能实时传输监控㊁检测㊁车厢内管理数据等信息,监控行车状态㊂(2)乘运业务

乘客信息系统在正常情况下,提供乘车须知㊁地铁首末车服务时间㊁列车到站时间㊁列车时刻表㊁管理者公告等运营信息及政府公告㊁出行参考㊁媒体新闻㊁赛事直播㊂

(3)增值业务

提供高清广告等公共媒体实时信息投放平台,目前细分时间段的广告投放是重要的广告盈利模式㊂1.2 带宽需求

PIS系统各种业务着眼于在移动状态下提供高清,实时监控,车辆管理信息及测试诊断信息,增值业务等;因此,对车地无线的需求的落脚点是 高移动性+稳定宽带 ㊂

地铁列车一般由6~8节车厢组成,车辆监控方案中每节车厢放置2个摄像机,车头车尾各1个,全车共14~18个摄像机㊂

对于上行信息,每列列车向控制中心至少上传2路车载安全监控视频系统视频信息,视频图像的压缩格式采用MPEG-4或H.264,图像质量要求达到D1(720ˑ576),每路按2Mbps计算,带宽约为4Mbps;每列列车向控制中心上传14路车载视频系统信息,以D1(720ˑ576)图像质量上传,每路按2Mbps计算,带宽约为28Mbps㊂

对于下行信息,由控制中心向列车下发2路高清数字视频信息,视频编码采用MPEG-2㊁MPEG-4或H.264格式,带宽约为8Mbps㊂

根据上述信息类型的分析后,车地传输的带宽一般需要,下行带宽为8Mbps,如果每列车上传2路视频图像上行带宽为4Mbps,当14路监控同时上传时上行带宽至少为28Mbps㊂

1.3 高速移动性需求

地铁列车最高运行速度一般为80km/h,车辆构造速度为90km/h㊂车地无线传输网系统应充分考虑列车在高速情况下的切换问题,采取有效措施减少切换时间和降低因切换带来的数据损失,以保证在车上的实时播放不中断(切换时间应少于50ms),且播放质量不受影响㊂

1.4 QoS需求

PIS系统无线带宽应有QoS分级控制㊂所传图像要顺畅清晰,不能出现画面中断或者跳播现象㊂

2 TD-LTE技术介绍

TD-LTE是一种新一代宽带移动通信技术,是我国拥有自主知识产权的TD-SCDMA的后续演进技术, TD-LTE目前已成为3GPP里面唯一的基于TDD技术的4G LTE标准技术㊂

2.1 TD-LTE的关键技术

基于TDD的双工技术㊁基于OFDM的多址接入技术和基于MIMO的多天线技术是TD-LTE标准的三大关键技术㊂[6]

(1)基于TDD的双工技术

TDD时间切换的双工方式是在一个帧结构中定义了它的双工过程,它是用时间来分离接收和发送信道㊂在TDD方式的移动通信系统中,接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在时间上是不连续的,时间资源在两个方向上进行了分配,基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作㊂

(2)基于OFDM的多址接入技术

正交频分复用技术(OFDM)的基本原理是将一个较宽的频带分成若干个彼此正交的子载波,在每个子载波上进行窄带调制和传输,这样既减少了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率[7]㊂OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点,具有诸多优势,例如在频率选择性衰落信道中具有良好的性能,基带接收机复杂性低,拥有较好的频谱特性和较强的多宽带处理能力等㊂

(3)基于MIMO的多天线技术

多输入输出(MIMO)技术包含空分复用㊁空间分集㊁波束赋形等多项技术,其主要思想是在多组不相关

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