1、LTE 技术在城市轨道交通应用研究摘 要本文介绍了 LTE 标准及城市轨道交通乘客信息系统和信号系统需求，分析了 LTE 的基本传输、MIMO 关键技术，提出乘客信息系统和信号系统共用的车地无线应用 LTE 组网方案及系统架构，并对系统链路做出分析。 关键词乘客信息系统（PIS） 信号系统（CBTC） LTE 中图分类号：U291.7+3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0273-02 1.概述 随着现代移动通信技术的飞速发展，基于高速移动的无线通信技术不断成熟。LTE（Long Term Evolution）是由 3GPP（The 3rd Generation
2、Partnership Project）组织制定的 UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）技术标准的长期演进，其目标是提供更高的数据速率、更稳定传输质量的无线通信网络1。 LTE（Long Term Evolution，长期演进）并非人们认为的第四代移动通信技术，而是第三代移动通信与第四代移动通信技术之间的一个过渡，它改进并增强了第三代移动通信的接入技术，采用了两项新技术OFDM 和 MIMO 作为演进的标准，因此，可以被认为是“准 4G”技术。在20M 带宽下，该技术能够提供的上/下行峰值速率分别为 50Mb/s 和100Mb/s，从
3、而提高了小区边缘用户的性能及容量，降低系统延迟。 LTE 的优势主要有：（1）具有较高的频谱利用率；（2）完善的多业务优先级调度机制；（3）支持高速移动性；（4）能实现单系统对多业务的综合承载。 城市轨道交通作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，正在步入快速发展阶段。CBTC 系统和 PIS 系统是轨道交通建设的重要系统，CBTC 系统关系到轨道交通中列车的运营，PIS 系统可提高轨道交通的服务质量，两系统均需要组建车地无线网络，以便于进行车地间的通讯。而基于 LTE 标准组建城市轨道交通的专用车地通信系统已具备条件，可以组建 LTE 车地通信网络，用以综合承载 CBTC、PIS 和列车实时
4、状态等信息。 2. LTE 的关键技术 2.1.基本传输技术 LTE 下行链路采用了将宽带信道分成若干个并行窄带信道的 OFDM 技术。OFDM 技术可提供增强的频谱效率和能力，是通过有效抑制无线传输环境中存在的频率选择性衰落来提高无线链路可靠性，采用了结合纠错码和交织技术的方法2。 LTE 上行链路采用了峰均比（PAPR）比 OFDM 多载波技术低的单载波频分多址（SC-FDMA）技术。采用 SC-FDMA 技术可以克服因多载波技术的高 PAPR 而限制射频放大器功率效率的缺点。在接收机端，采用与 OFDM技术相类似的频域均衡技术，这样不仅可以同 OFDM 一样具有较低复杂度的优点，而且使宽
5、带移动信道带来的较大延迟扩展得到有效克服3。 2.2.MIMO 技术 在无线通信中，发射天线和接收天线的数量越多，信道的利用效率就越高，因此在频宽一定时，利用 MIMO 技术可以有效的增加无线通信带宽2。 MIMO 技术可以在 LTE 系统多种不同环境下应用，如宏小区、微小区、热点等。通过理论论证和实验验证，上行配置 12 的 MIMO 模型天线、下行配置 22MIMO 模型天线时，可以使 LTE 系统达到最优的效果。为了提高无线通信带宽，可以使用多天线配置，而 MIMO 技术主要由空间复用、空分多址、预编码、秩自适应以及开环发射分集等组成2，3。 3.LTE 组网方案设计 3.1.系统方案
6、LTE 核心网设备与控制中心交换机互联，实现中心 CBTC 和 PIS 信息在车地无线传输系统的传输，接口为 2 个标准的 1000Mb/s 以太网接口。 在车站布置 LTE 基站的 BBU 和 RRU 设备，覆盖站台周边区域，根据无线信号覆盖的要求在隧道区间布置 RRU 设备延伸无线覆盖，实现与车载无线设备之间的无线数据通信。各 LTE 基站通过光纤接入车站网络交换机，通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。 正线、出入段、出入场线隧道利用泄漏同轴电缆进行覆盖，将 RRU信号接进泄漏同轴电缆中，车辆段、停车场地面及库内采用天线覆盖。 在每列车的车头、车尾各设置 1 套车载无线设备（TAU）
7、 ，通过车载交换机与 CBTC 和 PIS 服务器相连，接收由控制中心提供的信息和向控制中心发送列车信息。 系统方案结构见图 3-1。 3.2.车站组网 在车站设置基站（BBU）设备和射频单元（RRU） ，BBU 设置于车站弱电综合设备室，RRU 一般设置于车站通信机房也可设置于隧道壁靠近漏缆位置，通过与漏缆连接，将无线信号送入漏泄电缆中，实现隧道内覆盖。为实现长区间 LTE 无线信号覆盖，采用在区间增设 RRU 方式。 基于实际情况考虑，站间距按 1.3km 规划，大于 1.3km 的地方需要增加 RRU，大于 2.6km 的地方需要增加 2 个 RRU。 3.3.区间组网 RRU 分别连接
8、左右线的漏缆。RRU 尽量和 BBU 一起放置在车站通信机房内，如果车站间距大于相邻车站 RRU 的覆盖能力，为实现长区间 LTE无线信号覆盖，必须在隧道合适位置增设 RRU，将 RRU 拉远到隧道中，将信号馈入漏缆确保区间全覆盖。如图 3-2 所示。 区间小区组网如图 3-3 所示。 切换一般在隧道内，不在站台。 3.4.车辆段组网 BBU 安装在车辆段综合楼机房内，RRU 通过光纤连接到机房的BBU，RRU 和天线使用抱杆固定在楼顶平台。 车辆段内 RRU 挂墙安装，左右两侧使用抱杆安装两幅天线。 3.5.覆盖方案 在地铁上行和下行线路采用不同的隧道洞，上下行隧道靠墙一侧分上、下铺设有两根
9、漏缆，分别用于 FDD 系统的收和发。无线信号一般在车站处合入漏缆，覆盖能力不足时在车站之间的区间进行加 RRU。如图 3-4 所示。 区间线路上 LTE 系统采用漏缆覆盖方式，每个小区采用一个 4T4R 的RRU，将此 4T4R RRU 分成 2 个 2T2R 向线路两侧覆盖，分别接入线路两侧的 2 跟漏缆中去。如图 3-5 所示，2 根漏缆可以实现上下行的收、发分集。因为容量的原因，同一车站 2 侧的 2 个隧道洞划分为 2 个小区，引入 2 个 4T4R 的 RRU。区间里如果覆盖不满足，可以在上下行隧道中分别进行加站，采用将 RRU 拉远到区间隧道中，通过双频合路器馈入漏缆的方式。 4
10、.系统链路分析 根据系统业务的上下行速率要求，考虑到一般可用工作带宽为10MHz。设计业务速率如下： 下行：需支持单列车下行速率为 4-6Mbps；考虑到预留一定的下行带宽满足地铁客户的其它应用需求，一般按照小区边缘预留 8Mbps 带宽设计，保证列车无论处于小区内任何位置，可保证最少 8Mbps 的下行速率，峰值可达 40Mbps 左右的下行速率，保证信息高质量的实时传输。 上行：对上行视频监控、列控、列车状态等信息每列车暂按带宽为3Mbps。考虑到预留一定的上行带宽满足地铁客户的其它应用需求，一般按照小区边缘预留 6Mbps 带宽设计，则保证列车无论处于小区内任何位置，可保证最少 6Mbp
11、s 的上行速率，峰值可达 8Mbps 左右的上行速率，保证信息高质量的实时传输。 一般城市轨道交通申请到 1795-1805MHz，10M 频带资源，为保证小区的速率，只能进行同频组网。 为满足业务需求，为了改善小区边缘的速率性能，在基站中对上行采用基带干扰消除算法，并结合小区规划，使得线路上相邻小区的车辆不会分布在相邻基站的正对侧，提高干扰消除效果，提高上行的解调性能，使得边缘可以达到上行至少 6Mbps 的速率要求。 下行边缘采用 ICIC 及类似技术，将边缘处两小区的频率错开，错开后虽然可用带宽变小，但 SINR 提升可以允许采用高阶调制及 MIMO 技术，可以在一半工作带宽上提供 6-
12、8Mbps 的下行速率。 上行信号余量计算： 发射功率：33dBm 发射端天线增益：2dB 发射端馈线损耗：1dB 列车穿透损耗：12dB 接收端馈线损耗：1dB 1-5/8“漏泄电缆损耗：3.9*9=35.1 dB 漏缆耦合损耗：66dB 覆盖电平：-82.1dBm 上行覆盖要求：-88dBm 信号余量：5.9dBm 下行信号余量计算： 发射功率：46dBm 发射端天线增益：2dB 发射端馈线损耗：1dB 列车穿透损耗：12dB 接收端馈线损耗：1dB 1-5/8“漏泄电缆损耗：3.9*9=35.1 dB 漏缆耦合损耗：66dB 覆盖电平：-69.1dBm 上行覆盖要求：-85dBm 信号余
13、量：15.9dBm 由上可知受限于上行链路，RRU 单边最大覆盖可到 900 米，为了确保1.7G 10MHz 频带也可以满足各业务的综合承载带宽需求，并综合考虑切换带的重叠覆盖区域，一般 RRU 单边覆盖按照 700 米左右保守值计算。 结束语 城市轨道交通车地无线通信作为传输网络的延伸，为 CBTC 系统、PIS 系统等提供车辆与车站、控制中心之间的无线传输通道，针对该需求，在对标准和关键技术分析的基础上，提出了基于 LTE 标准组建城市轨道交通专用车地通信系统方案，通过对联路进行分析，可满足 CBTC 和 PIS系统需求，随着 LTE 技术不断的发展，将成为城市轨道交通广泛应用的宽带无线技术。并在工程应用中，将可达到良好的系统运行效果。 参考文献 1 王燕燕.LTE 技术在电信企业中的应用.工业设计.2011 年，5 月. 2 章欢.LTE 系统资源调度算法的研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2012 年，3 月. 3 姜建里.MIMO 技术在 LTE 中的应用.电信网技术.2011 年，4 月.
