LTE技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用

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　摘要：随着城市轨道交通服务水平和管理水平的不断提高，城市轨道交通对车地无线通信系统的性能提出了更高的要求。采用LTE作为城市轨道交通车地无线传输技术，可保证列车高速行驶下视频信息、多媒体信息的高速率、高质量传输。
中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-3561910.htm
　　关键词：城市轨道交通 车地无线通信系统 传输速率 LTE
　　中图分类号：U293 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)08-0033-02
　　1、引言
　　近年来，随着社会经济的高速发展，我国城市轨道交通建设进入了快速发展阶段，其安全性和舒适性得到社会的普遍关注。一方面，乘客已不满足于少量的类型单一的文本、声音信息服务，城市轨道交通迫切需要提高信息服务水平，从服务上吸引乘客。另一方面，国外城市轨道交通恶性事件频发，地铁列车需要增加足够的监控措施，以防范于未然，城市轨道交通需要直观地了解现场情况，迫切需要高速率的车载视频信息传输。总之，随着城市轨道交通服务水平和管理水平的不断提高，城市轨道交通对车地无线通信系统的性能，诸如：上下行的传输带宽、高速移动接入、场强可控性、无线干扰等提出了更高的要求。
　　2、当前主流技术比较
　　城市轨道交通车地无线通信系统作为传输网络的延伸，提供地面与列车之间的通信，为视频监控系统、旅客信息系统等提供车辆与车站、控制中心之间的无线传输通道。车地无线通信系统需要具有高可靠性，支持列车运行速度80公里/小时或更高速度下的视频信息、多媒体信息的实时传输，且系统应具备防止黑客和非法信息入侵的功能，确保播出信息的安全。
　　当前可供选择的无线传输技术主要有：TETRA、GSM、CDMA、3G、TRainCom-MT、WLAN、WiMax、LTE等。
　　TETRA、GSM、CDMA均为非常成熟的无线技术，有着广泛的应用实例，但是这三种技术对于车地之间无线数据传输的要求均存在速率不足的缺陷：TETRA的下行速率约为几十Kb/s，上行速率约为几Kb/s；GSM和CDMA的上下行速率大致相当，下行速率约为几十Kb/s，上行速率约为十几Kb/s。三者均无法满足车地无线通信系统所需要的传输速率。
　　3G存在多种标准，3G较TETRA、GSM、CDMA等窄带无线通信系统在传输速率方面有了很大的提高，下行速率在静止状态下可以达到2Mb/s，低速运动状态下可以达到几百Kb/s，上行速率可以达到几十Kb/s，但是仍不能满足车地无线通信系统所需的传输速率。
　　TRainCom-MT车地无线宽带技术为德国得力风根（TELEFUNKEN）公司专有技术，是面向城市轨道交通系统专门研制开发的，在高速移动环境中支持车地双向最高16Mb/s的传输速率。但是，作为一项非标准化技术，该系统的协议不具备开放性，这将导致对该系统的二次开发、升级与维护等各方面均需要依赖技术持有方。同时，该技术的产品只有得力风根公司提供，在产品供给方面欠缺市场选择性。
　　WLAN作为一种宽带无线接入网技术，其网络化、宽带化等特点具有相当的优势。WLAN目前存在多种标准，如：802.11a、802.11b、802.11g等。802.11a工作在5.8G频段，干扰较少，传输速率可以达到54Mb/s，但5.8G频段属于非免费开放频段，需要申请。802.11b工作在2.4G频段，传输速率最高达11Mb/s。802.11g也工作在2.4G频段，由于使用OFDM调制技术，其数据传输速率提高至54Mb/s。但WLAN天线覆盖范围较小，轨旁AP在直线隧道一般每间隔200米布设一个，系统越区切换频繁。
　　WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)也叫802.16无线城域网或802.16，在2007年10月成为新的3G标准之一，目前主要提及两个标准：802.16d固定宽带无线接入标准、802.16e支持移动特性的宽带无线接入标准。WiMax采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，可以提供70Mbps最高传输速率，数据传输距离最远可达50km，具有QoS机制完善、应用频段宽、能够根据上下行数据量灵活分配带宽（TDD方式）、频谱利用高、业务丰富多样等优点。但WiMAX作为国际3G标准，在我国并没有得到广泛的应用。目前LTE受到市场的大力推崇，大部分国内外设备厂商都围绕在LTE技术周围，WiMax正在日益受到冷落。
　　LTE(Long Term Evolution，长期演进) 是3G的演进，是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。与3G相比，LTE具有高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等技术优势，被视作从3G向4G演进的主流技术。从目前看，主流运营商几乎一致支持LTE标准。
　　3、LTE技术优势
　　(1)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上基于分组交换。
　　(2)在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率。0～120 km/h移动场景下平均吞吐速率达到60Mbps，上行速率16Mbps，下行速率44Mbps。
　　(3)下行链路频谱利用率可达到5bps/Hz，上行链路频谱利用率可达到2.5bps/Hz。
　　(4)支持成对或非成对频谱，可灵活配置1.4MHz-20MHz间的多种系统带宽。TDD LTE可以调整上下行流量。
　　(5)扁平网络架构，网元节点少，U-plan时延<5ms，C-plan时延<100ms。
　　(6)增加小区边界比特速率，提供1bps/Hz的小区边缘速率。小区覆盖半径可达100km。
　　(7)严格的QoS机制保证实时业务(如VoIP)的服务质量。
　　(8)采用频偏补偿机制，有效克服多普勒效应，确保高速移动场景下的无线链路质量。
　　(9)切换时参考频率偏移变化，提高切换成功率，保证高速切换场景下的带宽稳定。
　　(10)多RRU共小区，减少由于切换带来的时延、抖动、丢包，保证高速切换场景下的带宽稳定。
　　(11)无须在隧道中另外布设天线，可共用商用通信的泄漏电缆。隧道内单个RRU覆盖1.2KM漏缆，能够提供稳定的覆盖。
　　4、结语
　　由以上分析并结合各种无线传输技术的特点及城市轨道交通的业务需求，推荐采用LTE作为城市轨道交通车地无线传输技术。LTE使用专用频段，抗干扰能力强，可以共用商用通信系统的泄漏电缆，施工难度小，且未来可以承载更多的业务，如：语音集群。虽然LTE系统初期投资较大，但核心网设备可为多条线路所共用，随着城市轨道交通线路的不断新建，系统的总体建设投资将与采用其它无线传输技术基本持平。
　　参考文献
　　[1]GB50157—2003,地铁设计规范.
　　[2]刘刚,韩熠,戴未央.WLAN在旅客信息系统中的应用.现代城市轨道交通,2006(4).
　　[3]李宝荣,熊尚坤,陈长怡.移动WiMax的发展与应用.电信科学,2008(6).