LTE技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用探討

1、LTE技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用探討摘 要：城市軌道交通有著大容量、高密度的客運要求，對列車控制系統(tǒng)尤其是無線通信有非常嚴格的要求。該文通過介紹城市軌道交通無線通信性能需求以及存在的問題，分析LTE系統(tǒng)的特點及其相較于WLAN的技術(shù)優(yōu)勢。LTE系統(tǒng)的高速率、低時延、抗干擾、高移動性能等特點都更滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)的需要。所以可以采用LTE技術(shù)作為車-地通信方案。關(guān)鍵詞：無線通信 干擾 移動性能 高速率中圖分類號：U284     文獻標識碼：A文章編號：1672-3791202108a-001

2、0-03DiscussionontheApplicationofLTETechnologyinUrbanRailTransitSignalSystemLiuJing ChenYanFuzhouPolytechnic，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujianProvinve，350000ChinaAbstract：Urbanrailtransithastherequirementsoflargecapacityandhighdensityofpassengertransport，andithasverystrictrequirementsfortraincontrolsystem，especiall

3、yforwirelesscommunication.Thispaperintroducestheperformancerequirementsandexistingproblemsofurbanrailtransitwirelesscommunication，analyzesthecharacteristicsoftheLTEsystemanditstechnicaladvantagescomparedwithWLAN.ThecharacteristicsofLTEsystem，suchashighspeed，lowdelay，anti-interferenceandhighmobility，

4、canmeettheneedsofurbanrailtransitsignalsystems.Therefore，LTEtechnologycanbeusedasavehiclegroundcommunicationscheme.KeyWords：Wirelesscommunication;Interference;Mobileperformance;Highspeed近年來，基于通信的列車控制系統(tǒng)CBTC已經(jīng)普遍應用到新建城市軌道交通線路中。系統(tǒng)實現(xiàn)列車與軌旁設備的車-地雙向通信，軌旁設備獲取列車實時信息并計算移動授權(quán)，并通過車-地雙向通信發(fā)送給車載設備，車載設備根據(jù)移動授權(quán)指導列車運行，提

5、高行車效率，保證行車平安。隨著大城市人口增加，對列車運行速度和運營能力的要求越來越高，為滿足城市大容量、高密度的客運要求，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、及時性提出了更高的要求。LTE技術(shù)能提供更大的容量、更高的質(zhì)量、更短的時延，對提高城市軌道交通運營效率效果顯著。1 城市軌道交通CBTC簡介當前，我國城市軌道交通普遍采用CBTCCommunicationbasedTrainControl系統(tǒng)，其主要由列車自動防護子系統(tǒng)ATP、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)ATS、列車自動運行子系統(tǒng)ATO、計算機連鎖子系統(tǒng)CI、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)DCS組成。其中車-地無線通信是數(shù)據(jù)子通訊系統(tǒng)的重要組成局部，實現(xiàn)車載與軌旁設備實

6、時、高效、可靠的雙向數(shù)據(jù)交互【1】。列車在行進過程中不斷通過軌旁設備向列控中心發(fā)送自身標識和狀態(tài)信息，列控中心根據(jù)列車實時位置和速度計算得到移動授權(quán)并發(fā)回列車。在保證平安的前提下，列車狀態(tài)和控制信息越快速、準確地傳遞，就越能縮短列車運行間隔，提高運營效率。2 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)無線通信現(xiàn)狀目前，已開通的城市軌道交通信號系統(tǒng)主要采用的是2.4GHz無線局域網(wǎng)技術(shù)WLAN，該技術(shù)雖然能根本滿足城市軌道交通正常運行的需要，但局限也比較大具體。1干擾大。由于2.4GHz是免費使用的開放頻段，市場上同使用頻段的設備較多，乘客攜帶這些設備乘坐地鐵時，易對車-地通信造成干擾，信號質(zhì)量受損，無

7、法解析，甚至會中斷信號傳輸，導致列車緊急制動，影響線路正常運營。2移動性能差。根據(jù)各地現(xiàn)有城市軌道交通開展規(guī)劃，各地開始大力開展市郊軌道交通，列車運行最高速度可達120km/h甚至更高【2】。由于多普勒效應，信號誤碼率增大，而WLAN的定位就是覆蓋機場、賓館、辦公室等場所，主要面向步行速度的慢速移動，無抗頻偏算法，無法滿足高速情況下車-地信息交互的需求。3設備數(shù)量多，由于WALN的單個設備覆蓋最多200m，一條10km的線路就得布置100余個AP，在國內(nèi)30km甚至更長的線路上，軌旁設備眾多，不可防止地會產(chǎn)生較多的故障，由于城市軌道交通的特殊性，日常運營時無法及時到達故障點，開展搶修工作。3&

8、#160;LTE在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用3.1LTE系統(tǒng)概述LTELongTermEvolution是由3GPP第三代合作伙伴方案組織制定的UMTS通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)標準的長期演進。LTE系統(tǒng)引入了OFDM正交頻分復用、MIMO多輸入多輸出、AMC自適應編碼、ICIC小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，理論上下行最大支持100Mbps，上行支持50Mbps，并支持多種帶寬分配：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等，頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。LTE采用扁平化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由EPC核心網(wǎng)構(gòu)成和eNodeB接入網(wǎng)，其中E

9、PC由MME、PGW、SGW組成，主要負責用戶信息管理、接入管理、數(shù)據(jù)和信令平安性管理等，eNodeBNodeB+RNC主要負責無線資源管理、動態(tài)資源分配、無線接入控制等。3.2城市軌道交通信號系統(tǒng)無線通信需求由于城市軌道交通信號系統(tǒng)對可靠性、平安性要求較高，且傳輸數(shù)據(jù)量較大，因此對車-地通信指標有非常嚴格的規(guī)定，具體如下。1傳輸速率大于等于1Mbit/。2信息丟包率應小于0.5%。3誤碼率小于或等于10-6。4越區(qū)切換時間應小于100ms。5網(wǎng)絡傳輸延遲時間應小于150ms。3.3LTE的技術(shù)優(yōu)勢城市軌道交通車-地通信要求高速率、高可靠性、低時延，并且需求具備良好的移動性能，相比較WLAN技

10、術(shù)而言，LTE技術(shù)有明顯的優(yōu)勢，具體如下。1高速率。LTE引入了MIMO、OFDM等關(guān)鍵技術(shù)，傳輸速率大幅提升，20M帶寬下最高可支持上行50Mbps，下行100Mbps。2低時延。LTE為了降低用戶面延遲，取消了RNC無線網(wǎng)絡控制器，采用了扁平網(wǎng)絡架構(gòu)，減少了設備數(shù)量的同時，提高了系統(tǒng)性能。3抗干擾。LTE采用專用頻段，減少外部設備干擾，采用正交頻分復用，子載波間相互正交，降低用戶間干擾，引入循環(huán)前綴，消除符號間、載波間干擾。小區(qū)間采用干擾協(xié)調(diào)技術(shù)ICIC，有效降低小區(qū)間干擾【3】。4高速移動性。LTE抗頻偏算法，最高支持350km/h的速度，在15120km/h速度下能保持較高的性能，多數(shù)

11、列車運行速度都在120km/h以下。5靈活性。LTE支持多廠家混合組網(wǎng)、支持靈活的帶寬配置，能夠支持不同環(huán)境、不同廠家設備的匹配。6維護性：軌旁設備數(shù)量少，便于維護。LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)比照如表1所示。3.4LTE在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用LTE系統(tǒng)保護核心層、接入層、終端層，其中核心層是整個系統(tǒng)的心臟局部，負責管理整個信息網(wǎng)絡，確保雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。接入層是將列車與控制中心進行連接，由旁軌的BBU、RRU還有車載的TAU組成【4】。終端層是獲取核心層和接入層數(shù)據(jù)，指導列車運行，實現(xiàn)列車和控制中心數(shù)據(jù)交互。在城市軌道交通各系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)車-地雙向通信的除了信號系統(tǒng)外還有PIS、C

12、CTV系統(tǒng)等。各系統(tǒng)分別設置車-地通信網(wǎng)絡不但造成資源浪費，也不易維護。搭建承載多專業(yè)的車-地無線通信平臺是城市軌道交通的開展趨勢?；贚TE技術(shù)搭建此平臺，可以在高速情況下，提供各系統(tǒng)業(yè)務需求的數(shù)據(jù)傳輸能力。基于TD-LTE技術(shù)搭建信號系統(tǒng)、PIS、CCTV等多業(yè)務綜合無線通信平臺，較傳統(tǒng)模式有的，優(yōu)勢明顯具體如下。1各系統(tǒng)無需單獨搭建車-地通信網(wǎng)絡，減少了設備數(shù)量，在本錢壓縮、運營維護工作量減少上效果明顯。2采用統(tǒng)一的車-地通信平臺后，可以有效防止各系統(tǒng)車-地通信網(wǎng)絡之間的干擾。3有效整合資源，減少施工、協(xié)調(diào)難度，節(jié)約設備安裝空間，利于工程快速實施。車-地無線通信網(wǎng)由核心網(wǎng)、基站設備BBU

13、+RRU、車載TAU組成。其中核心網(wǎng)布置在控制中心，各系統(tǒng)通過路由器接入，保證隔離度，基站設備BBU+RRU布置在沿線各車站設備室內(nèi)，通過光纜連接，行車線路使用漏纜覆蓋，在列車的頭、尾各裝一套TAU，通過車載設備連接，發(fā)送、接收控制中心數(shù)據(jù)，并上傳車內(nèi)實時監(jiān)控信息。4 結(jié)語隨著城市人口不斷增加，地面交通擁堵加劇，城市軌道交通也面臨越來越大的壓力，與其他運輸方式不同，城市軌道交通的可靠性、平安性需要其他系統(tǒng)的支撐，尤其是信號系統(tǒng)。LTE具有高速率、低時延、抗干擾、高移動性能等特點，完全滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)的需要，為了更好地監(jiān)控和維護系統(tǒng)設備，確保列車高速、穩(wěn)定、平安地運行，在后續(xù)的

14、城市軌道交通建設中，可以采用LTE技術(shù)作為車-地通信方案。參考文獻【1】張宏軒.LTE技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用分析J.通訊世界，2021，264：165.【2】葉川.LTE技術(shù)在城市軌道交通CBTC系統(tǒng)中的應用J.信息與電腦：理論版，202170：175-177.【3】黃云玲.LTE在城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)車地無線通信的應用J.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，20216：91-94.【4】單曉強.LTE在軌道交通中的應用J.通訊世界，202112：287-288.【5】譚耿.LTE技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用探索J.鐵道通信信號，2021，516：85-87，91.【6】林祁.基于LTE技術(shù)的試車線與正線無線通信組網(wǎng)方案研究J.鐵路通信信號工程技術(shù)，2021，1612：36-41，55.【7】韓臻，楊智.城市軌道交通TD-LTE綜合承載業(yè)務探討