基于LTE的车地无线通信技术在地铁信号系统中的应用

1概述

城市轨道交通数据通信系统（DCS ），在各设备之间通过有线网络和无线网络实现双向通信。各子系统设备之间可以通过有线网络传输信息，而地面设备与车载设备之间的信息只能通过无线网络来传输。目前，我国城市轨道交通车地无线通信系统大部分采用工作在2.4G 开放频段的WLAN 技术。实践证明，利用WLAN 技术构建的车地无线通信网络系统虽然也能够满足我国城市轨道交通运营的基本需求，但该技术存在的局限性也是显而易见的。首先，WLAN 与WIFI 、蓝牙等民用设备均工作在开放的2.4G 频段，因此难以避免各种其他信号的干扰。其次，WLAN 技术设计的初衷并不是针对高速移动对象。再者，WLAN 网络覆盖区域十分有限，平均每200m 就要设置一个AP 设备，严重增加了施工难度和后期运营维护成本。

随着LTE4G 网络在我国各大运营商进行成熟商用，将速率快，实时性高，移动传输性能好的LTE 技术应用到专用通信网络已成为解决地铁车地无线通信的可行性方案。LTE （Long Term Evolution ，长期演进）技术是由3GPP 组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进。按照双工方式不同LTE 系统可分为FDD-LTE （分频长期演进）和TDD-LTE （分时长期演进）两种。

1.1FDD-LTE （分频长期演进）FDD 上下行数据同时传输，像双车道运行，上行与下载可同时进行，如图1。

图1FDD 制式下数据传输

方式

1.2TDD-LTE （分时长期演进）

TDD 上下行数据分时传输，像单车道运行，通过“信号灯”———即时分设计控制通道是上传还是下载，如图2。

图2TDD 制式下数据传输

方式

TDD 较FDD 的频谱利用率更高，且得到中国政府的大力支持，目前国内城市轨道交通车地无线通信所用的LTE 技术一般指TDD 双工方式的LTE ，本文所讨论的LTE 也专指TD-LTE 技术。

2LTE 技术优势分析

对比传统的WLAN 传输解决方案，使用LTE 无线网络实现数据传输具有以下显著特点：

2.1抗干扰性强

WLAN 技术因其工作在免费的2.4G 频段，从而难以避免同样工作在改频段的其他设备的干扰。而LTE 利用1.8G 专有频段进行传输，而且系统内利用了IRC 、ICIC 等多种抗干扰技术，具备完善的抗干扰机制。

2.2移动适应性强

WLAN 的定位初衷是用来覆盖办公、机场、宾馆等场所区域，其协议标准确定了支持步行运动的慢速移动；而LTE 则是专门针对高速移动设计的，能够支持350km/h 的高速移动速度，其在上海磁悬浮的成功应用验证和说明了其完全可以满足地铁移动速度的要求[1]。

基于LTE 的车地无线通信技术在地铁

信号系统中的应用

李强;贺燎燎

（佛山市轨道交通发展有限公司，佛山528200）

摘要:本文将TD-LTE 技术与现阶段普遍使用的WLAN 技术相比较,讨论将LTE 应用到城市轨道交通车地无线通信系统的必要

性,从业务承载的需求出发,以佛山地铁3号线应用情况为例,对基于LTE 的车地无线通信系统从系统架构、无线网络资源分配方案、网络覆盖方案、车载网络设计及时钟同步方案五个方面进行详细分析与探讨,并提出相应优化方案。对我国城市轨道交通的发展具有一定的的参考价值与意义。

Abstract:The main purpose of this article is to describe the TD -LTE technology with WLAN technology which is widely used at present,and discusses the necessity of applying LTE to urban rail transit vehicle-ground wireless communication system.Starting from the requirement of business carrying,taking Foshan Railway Line 3as an example,this paper discusses LTE-based vehicle-ground wireless communication system from system architecture,wireless network resource allocation,network coverage,vehicle-based network.The design and clock synchronization schemes are analyzed and discussed in detail,and the corresponding optimization schemes are put forward.It has certain reference value and significance for the development of urban rail transit in China.

关键词:TD-LTE ;WLAN ;城市轨道交通;车地无线通信

Key words:TD-LTE ;WLAN ;urban rail transit ;tran-ground communication

Internal Combustion Engine &Parts

图3TD-LTE 系统系统架构图

2.3覆盖距离远

WLAN 技术采用的无线AP 平均每200m 就要设置一个，LTE 的每个基站射频处理单元（RRU ）覆盖区域可达1km 以上，大幅度减少了轨旁设备布设，既节约了成本，也便于后期的运营维护。

2.4多媒体数字集群

一部终端提供融合统一的语音+数据+视频调度服务，大大提升了地铁等行业的作业效率及其安全可靠性。

3综合承载业务需求目前，我国城市轨道交通车地无线通信系统需要承载的业务主要包括信号CBTC 业务、CCTV 及PIS 等五大基本业务。

3.1信号CBTC 业务

信号CBTC 业务负责以无线方式对列车位置、列车实时运行状态、移动授权（MA ）、任务报文及其他任务等信息进行车地之间的双向传输，与列车运营的安全紧密相关。

3.2乘客信息多媒体业务（PIS ）车载乘客信息多媒体业务（PIS ）主要用于列车车厢内媒体新闻、乘车须知、政府公告、赛事直播等资讯发布以及乘客指引信息的视频展播。

3.3车载视频监视数据业务（CCTV ）车载视频监视（CCTV ）业务主要负责向控制中心实时传输列车驾驶室及列车车厢内的视频监控的信息，实现控制中心集中监控的同时为调度指挥应急中心提供车内实时情况等高清视频信息。

3.4车辆运行监视业务

车辆监视系统主要负责向地面监测系统传输列车参数以及列车状态等信息。

3.5紧急文本信息

列车紧急文本信息主要用于通知乘客列车运营信息或其他紧急信息。

4LTE 在佛山地铁三号线中的应用

佛山地铁3号线采用TD-LTE 技术构建车地无线通信系统，目前，主要承载CBTC 业务。

4.1系统架构

如图3所示，佛山地铁3号线车地无线通信LTE 系统采用A/B 红蓝双网冗余架构设计，A/B 红蓝双网内个设置一套核心网和一套基站系统，对沿线行车区域实现信号全线覆盖。

4.2A 、B 网无线资源分配方案

我国城市轨道交通专用频率资源为（1785~1805MHz ）共20MHz 带宽，佛山地铁3号线申请到的8~10MHz 频率资源其中5M 用于A 网，剩余5M/3M 用于B 网，均承载信号CBTC 列车控制信息，后期若实现综合承载则由5M 带宽资源的A 网承载[2]。

4.3无线网络覆盖分析

佛山3号线项目信号系统正线无线网络采用漏缆覆盖，抗干扰能力强。但受线路曲线超高的影响，无线信号覆盖不理想，因此将专用通信与CBTC-B 系统共用一根漏缆，来满足漏缆敷设的设计高度，从而达到信号覆盖的轻度要求。

试车线及出入段/场均利用楼兰进行覆盖，对于不适合漏缆覆盖的室内区域（如列检库及隧道口）则采用定向天线进行覆盖。

正线A/B 红蓝双网各设置一套核心网和网管；试车线与培训中心的A/B 红蓝双网分别各设置一套小型核心网，共四套小型核心网。且1个基带处理单元（BBU ）和至多6个射频拉远单元（RRU ）划分为一个基站（eNodeB ）。BBU 通过以太网连接到骨干网，通过光纤与RRU 连接。RRU

站间距最大可达1311m ，考虑到一定的设计余量，佛山地铁3号线按照单个RRU 覆盖不超过1.2km 的设置原则来布放BBU 和RRU 。

4.4车载网络设计

车载网络包括车头驾驶室网络和车尾驾驶室网络两部分。如图4所示，车顶鲨鱼鳍天线、车载TAU 、交换机等构成一套单端驾驶室网络系统。这些所有的车载设备均可通过两个独立的以太网连接在一起，构成CBTC 数据通信子系统。从而确保在车载设备单端故障的情况下，车地无线通信仍能可靠工作而不对列车正常运行造成影响[3]。

4.5时钟同步

TDD 双工方式依靠时分设计控制通道是上传还是下载，决定了其对时钟同步有着更高的要求。佛山地铁3号线LTE 网络采用GPS 作为主选