轨道交通LTE技术的应用及创新实践

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【电缆网讯】近日，中国城市轨道交通协会发布《关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用1.8G专用频段和LTE综合无线通信通信系统的通知》，通知中提到，随着我国城市轨道交通的快速发展，对使用无线CBTC信号系统时必须满足安全可靠的运营提出了更高要求，基于1.8G专用频段（1785-1805MHz）和第四代通信制式（TD-LTE）制定的城市轨道交通无线通信技术规范（LTE-M），在安全性、传输速率、延时、通信质量、对更高速度的适应性和互联互通等方面都比wifi制式有更好的应用场景，并且由于TD-LTE技术已经在国内形成了完整的产业链，因此，协会建议新建城轨项目使用LTE-M规范，那么，LTE技术到底拥有何种魅力，能够获得城轨行业的青睐呢？

1.LTE匹配轨道交通业务需求，成为轨道交通车地无线主流技术。

LTE是3GPP标准组织制定的目前最先进的无线通信技术，是无线通信技术的发展趋势，LTE系统引入了OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入多输出）等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20M带宽下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps），并支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等。LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。

针对轨道交通行业，LTE无线专网具有如下先进的技术特点：

1.LTE有着系统的抗干扰设计，通过多种技术手段和算法，LTE可将干扰控制到最低来保证整体网络环境，有效降低网络整体干扰水平。

2.LTE无线专网极大的提高了无线覆盖范围，单小区的覆盖范围可达1.2km，降低了小区切换频度和设备维护成本。

3.LTE支持高可靠性的无损切换和快速及时的无缝切换，以及基于非竞争的快速随机接入，确保越区切换时延小于100ms，丢包率小于1%。

4.LTE支持高达9级的业务优先级控制，能够在一张网上承载多业务，并对不同的业务分配不同的优先级，实现全方位QoS保障。在提供CBTC（基于无线通信的列车自动控制系统）业务承载的同时，更可满足轨道交通其它安全运营相关业务的承载。

LTE无线专网具有的先进特点，无论是抗干扰性还是高速移动状态下的稳定性，都能够确保轨道交通CBTC、PIS、CCTV等业务系统的可靠性和稳定性，并进一步提升轨道交通的可靠性和安全性，同时LTE具有的多业务QoS保障机制可实现一张网承载多业务，降低部署和维护成本。

2015年2月28日，工业与信息化部发布无[2015]65号文件"关于重新发布1785-1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知"。明确了城市轨道交通车地无线通信可以使用1.8G频段。随着该文件的发布，全国地铁LTE车地无线建设开始加速，2015年已经有18条线路车地无线采用LTE技术，其中7条承载CBTC业务。LTE已经成为轨道交通车地无线主流技术。

2.LTE在轨道交通的应用还面临诸多挑战

对轨道交通应用来说，LTE还是一个新的技术，随着LTE在轨道交通的深入应用，一些新的问题也开始出现，这些问题有的是LTE自身的特性引入的(如时钟同步)，有的现网建设过程中产生的(复杂场景覆盖)，还有的是对LTE提出的更高需求(数据加密需求)。LTE需要直面问题，给出合理的解决方案：

1、时钟同步需求

由于国内普遍采用的的是TD-LTE技术，对时钟同步要求精度极高，一般采用GPS时钟同步，但由于轨道交通的特殊性，在地下站点不一定能够有通道拉出GPS天线，即使有通道拉出天线，由于GPS天线采用同轴电缆，超过100米后信号衰减就不可用，给LTE在轨道交通的部署带来极大的困难。

2、复杂场景覆盖

目前国内的城市轨道交通正在由线路向线网快速推进，多条线路交汇带来各种复杂的覆盖场景，包括线路交叉，线路共用，线路并行，同站换乘，共用场段等复杂场景。LTE需要从频段，容量等方面综合考虑复杂场景的解决方案，从而避免多线路多线路共用区段带来的信号干扰。

3、信息安全要求

目前国家已经明确要求轨道交通信号系统必须满足安全等保3级，按照安全等保3级要求"应对通信过程中的整个报文或会话过程进行加密"。这样就对LTE传输的过程的加密提出了更高的要求，必须对信号系统业务数据实现端到端的加密。

3.华为eLTE解决方案创新融合，全面解决LTE车地无线面临的挑战

华为eLTE轨道交通解决方案与时俱进，针对LTE在轨道交通部署中的难点，提供全方面的解决方案：

1、采用Atom时钟同步，有效解决地下站点GPS引入困难的工程部署难题解决地下站GPS拉远部署难题：将GPS授时转换为1588V2IP时钟报文通过光纤拉远到车站，拉远距离可达5KM以上；支持多时钟备份：ATOMGPS支持1+N备份，还能和管控中心的时钟同步服务器同时部署，确保信号系统时钟同步可靠性设备安装和维护简单：即插即用，自动上线，可通过网管远程配置。

2、根据客户实际情况采用多种解决方案，实现复杂区域的无线规划在有足够的频率规划时，利用频点划分规避干扰交汇区域两条线路采用不同的频率。此方案需要分配两组红蓝网频率给CBTC，两条线路频率完全分开，互不干扰。在频点资源有限情况下，采用跨核心网切换方案交汇区域由其中一条线路无线覆盖。此方案规划时需要考虑容量的增加，其它线路的列车进出此区域需要进行两次跨网切换，从目前测试结果看，跨网切换依然能满足CBTC业务要求。

在多线路可以共核心网的情况下，采用小区干扰规避方案

多线路同核心网，统一管理交汇区间基站。此方案需要较为复杂的邻区规划和无线规划，以避免误切换引起切换失败等。

3、采用端到端的数据加密，确保无线系统无明文

华为eLTE安全解决方案支持空口终端和网络的双向鉴权认证，支持祖冲之加密算法的空口加密，通过车载TAU和OCC管控中心的安全服务器建立IPSec通道，实现整个LTE承载系统的s数据加密。

4.华为eLTE成功实践，推动轨道交通车地无线走向成熟

郑州地铁1号线成功商用

2013年11月29日，华为在郑州发布全球首个eLTE城市轨道交通解决方案，这是全球第一条基于4GLTE技术的地铁综合业务无线解决方案。通过采用该解决方案，郑州地铁公司在公共安全管理、改善乘客出行体验、减少设备维护上等方面实现了创新性突破。

1.在公共安全管理方面，基于eLTE的宽带传输和低时延性能，在车厢和车站内进行的视频拍摄可以及时将情况同步传输到管理中心，实现实时管控。

2.在提升乘客出行体验方面，利用eLTE进行承载，通过车内的高清视频终端可为乘客实时提供实时的新闻、广告、电视节目等，增添出行趣味，并增加地铁客户的运营收入。

3.在减少设备维护上，由于eLTE设备稳定性及更少网络节点部署，大幅度降低无线网络运维难度及成本，郑州地铁1号线开通一年，没有因为LTE设备故障下过一次区间。

深圳地铁11号线即将商用

2015年3月，华为中标深圳地铁11号线PIS项目车地通信系统，开始部署eLTE轨道交通解决方案，深圳地铁11号线全程18个站点、长度超过50Km，身兼机场快线和广深城际轨道线路双重任务，最高速度达到了120Km/h，是典型的"大站快车"线路。同时，11号线地形环境涵盖了高架、隧道、地面等场景，中间穿过深圳宝安机场，电磁环境复杂。对于无线技术的高速移动性支持、稳定传输、抗干扰能力提出了很高的要求。

华为eLTE解决方案，利用匹配轨道应用场景的增强覆盖技术，减少轨旁设备数量为原来的1/5；同时，华为eLTE拥有独有AFC频偏纠正技术，保证高速场景下的稳定数据传输；结合11号线实际场景，利用漏缆、天线、室分多种覆盖方式，完成隧道、高架、车辆段等不同环境情况下的无缝覆盖，并有效控制干扰。满足在列车高速运动的情况下，实现新闻直播业务和列车车厢、司机室的实时稳定视频图像监控。

2015年采用LTE招标的18条线路中，华为中标11条线路，其中包含3条承载CBTC的线路，目前这些轨道交通线路都在部署中，华为愿同业界携手合作，推动eLTE轨道交通车地无线通信解决方案进一步发展，开启城轨车地无线通信LTE新时代。