基于TD-LTE与WLAN技术的地铁车-地无线通信应用实践

基于TD-LTE与WLAN技术的地铁车-地无线通信应用实践

金胜利

杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司浙江杭州310021

摘要：随着无线通信技术的发展，轨道交通行业的车-地无线通信实现方式也越来越多样化。其中WLAN技术和TD-LTE技术成为地铁车-地无线传输的主要应用，本文基于地铁业务需求，对比在WLAN和TD-LTE技术下承载车载PIS系统和车载CCTV的业务实现情况，探讨两种情况下的技术性能、建设维护感知和未来发展前景。

关键词：WLAN技术；TD-LTE技术；车-地无线通信；城市地铁

引言

目前，城市轨道交通行业，特别是地铁建设运营需要应用无线通信技术建立三张独立的无线网络，来满足列车信号控制、语音集群调度、乘客信息下发与车载闭路电视信息的上传。其中，语音集群调度广泛采用窄带技术的TETRA数字集群系统，列车信号控制、乘客信息下发和车载闭路电视的信息均采用宽带技术来实现车-地无线通信，宽带技术主要是WLAN和TD-LTE两种。

一、车-地无线通信的主流宽带技术

在国内的城市轨道交通应用的WLAN主要是基于IEEE802.11协议标准，能够提供的系统带宽有20MHz/40MHz,调制方式有OFDM（正交频分复用）MIMO（多输入多输出）、DSSS（直接序列扩频）、CCK（补码键控）等关键技术具有良好的传输速度和搞干扰能力，但信号覆盖距离短、向公众免费开放频率，干扰源多、无QoS（业务服务质量）保障机制，高速移动下传输质量不佳。地铁车-地无线通信中已普遍有应用802.11g（2.4GHZ）承载信号系统的车-地无线通信传输列车控制状态，802.11a/n（5.8GHZ）承载车载PIS系统（乘客信息系统）和车载CCTV（车载闭路电视），甚至个别城市开始尝试使用802.11ac来承载。

近几年，随着我国TD-LTE技术的成熟发展，基于3GPP的TD-LTE（1.8GHz）无线移动通信技术用于车载PIS系统、车载CCTV的车-地无线传输，并与800M专用无线集群合用区间漏缆。城市地铁采用TD-LTE技术的车-地无线技术，使用国家许可的专用频率（1785MHz-1805MHz），从而避免和民用通信TD-LTE设备的冲突。TD-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，增加了频谱效率和数据传输速率。具有完善的AMC（自适应调制编码）、重传和IRC（干扰抑制合并）机制，ICIC（小区干扰协调）干扰抑制算法和CoMP（协同多点）上行干扰控制等，来降低网络的整体干扰水平。LTE具有9级QoS算法，按优先级划分地铁用户业务，高优先级的优先传输，低优先级的尽量传输，充分保障业务的可靠性。D-LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz不同的带宽，未来可以支持载波聚合，将多个连续或者离散的载波进行整合，提供更大的带宽，TD-LTE能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的无线高速数据速率。

二、车-地无线通信常规承载业务

根据地铁建设的规划习惯，车载PIS系统传播MPEG-2格式的视频流所需最少无线带宽是8M，列车至少满足同时上传2个车载CCTV图像信息需要4M带宽，再加上其他文本信息、位置信息等，一般需分配15M带宽。如果考虑以后信号与通信业务的融合传输，还需预留3M带宽给CBTC，7M带宽给语音视频调度。根据以上技术说明和地铁车-地无线承载的实际业务需求，下面结合某市轨道交通的实际案例来分析WLAN和TD-LTE两种技术在地铁的实践应用。

三、WLAN技术在地铁车-地无线通信的应用实践

以杭州地铁2号线为例，车-地无线通信子系统采用基于IEEE802.11n（5.8GHz）的无线局域网技术，实现全线车－地间车载PIS信息下发、车载CCTV图像信息的实时、无缝的传输。用于车-地无线通信的设备包括设置在车辆段以及沿轨道的AP(含天线)、设置在分线中心的无线控制器AC、无线网管工作站，以及设置在列车上的无线接入网桥设备（含天线）等。隧道内约150米左右设置一个AP。在分线中心通过核心交换机与车站、车辆段的二级交换机相连，二级交换机和AP之间通过光纤点对点的连接，设备的供电从车站/车辆段通信电源室引出。其组网结构如下图所示：

要求车地间提供15M带宽，车载PIS系统车地无线通信能够保证列车在高速行驶（80KM/小时以内）的情况下，以有效带宽不低于15Mbps的速率在列车和分线中心服务器间双向传输视频影像，并能保证最低的延迟小于50ms，同时保证车载AP同轨旁AP切换时做到“0”丢包。当车载AP从一个轨旁切换到另一个轨旁设备时，使用IGMPPROXY组播代理功能，代理车载服务器主动发起组播加入和离开报文，通过代理更新站台交换机的组播成员端口方式主动更新车站交换机的组播转发表项（组播MAC地址不变，组播MAC对应的端口改变为新加入的站台交换机以太口），实现视频流无丢包传输播放。车载PIS视频流下发播放正常、流畅，远程调阅2路车载CCTV视频窗口正常、流畅，调阅4路车载CCTV视频窗口长时间会有不畅感。

四、TD-LTE技术在地铁车-地无线通信的应用实践

以杭州地铁4号线为例，车-地无线通信子系统采用基于3GPP的TD-LTE（1.8GHz）的无线局域网技术，实现全线车－地间车载PIS信息下发、车载CCTV图像信息的实时、无缝的传输。核心网设备实现对整个无线网络基站设备、终端的认证管理、加密管理、入侵检测、UEID的分配、安全性、鉴权和切换、漫游控制、用户数据业务管理、路由等功能。设备的主控、交换、电源、时钟等重要单元应采用1+1配置（包括扩展子架），为保证系统的切换平稳进行，设置在分线中心的核心网平台设备同时管理基站的能力应不小于1500个，用户吞吐量（UL+DL）≥40G，具有可扩展能力。LTE信号从RRU出来与800M数字集群信号合路后送出，共用隧道区间800M无线漏泄电缆。列车通过无线接收模块TAU与天线负责接收和发送信号。其组网结构如下图所示

要求车地间提供20M带宽，无线网络提供的双向传输的有效带宽应不低于20Mb/s（列车80km/h行驶速度下），且有9级业务QoS分级控制功能；播放质量不受影响，切换时间应少于50ms；在越区切换时，视频显示不能出现明显断点、失帧、抖动、马赛克等。车载PIS视频流下发播放正常、流畅，远程调阅4路车载CCTV视频窗口正常、流畅。

五、总结

综上所述，通过两种无线技术在地铁车-地无线通信的实际应用对比，基本上可以得出如下信息：

1.TD-LTE比WLAN具有更好的安全性、抗干扰、移动可靠性。

2.TD-LTE比WLAN具有更好频率资源利用率，无线传输速率。

3.TD-LTE比WLAN具有更好的建设维护便捷性，建设维护成本下降。

目前，利用TD-LTE技术实现车-地无线通信传输的除了杭州地铁4号线，还有郑州地铁1号线承载车载PIS系统和车载CCTV，朔黄重载铁路已将1.8GHz频段TD-LTE用于机车同步操控和调度电话。中国城市轨道交通协会已发布了《关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用18G专用频段和LTE综合无线通信通信系统的通知》，未来TD-LTE用于多业务融合承载将会越来越多，更能突现在轨道交通行业的应用优势。

参考文献

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[2]夏景辉，孙寰宇TD-LTE车-地无线宽带集群解决方案现代城市轨道交通2013

[3]张喜，唐涛.城市轨道交通信号与通信概论［M］.北京：北京交通大学出版社，2011.