基于LTE技术的车地无线通信组网方案研究

第58卷 第8期2014年8月

RAILWAY STANDARD DESIGN

铁道标准设计

Vol.58 No.8Aug.2014

文章编号:10042954(2014)08015904

基于LTE技术的车地无线通信组网方案研究

2.中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,郑州 450002)

摘 要:基于轨道交通车地无线通信技术应用现状分析,结合轨道交通现场条件和乘客信息系统对车地无线通信的需求,提出适用于轨道交通的TD-LTE技术组网方案,并进一步在郑州市轨道交通1号线一期工程实验验证。该方案能够解决现有地铁行业车地通信的瓶颈,能够达到净化隧道区间、减少隧道设备、降低维护工作量的目的,有利于其他系统接入。

关键词:轨道交通;TD-LTE;乘客信息系统;车地无线通信;无线局域网

中图分类号:U239.5;U285.2 文献标识码:A DOl:10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.039

(1.郑州市轨道交通有限公司,郑州 450002;

孙寰宇1,顾向锋2

ResearchonNetworkingPlanforTrain-GroundWireless

CommunicationSystemBasedonLTETechnology

(1.ZhengzhouMetroCo.,Ltd.,Zhengzhou450002,China;2.The4thBranch,ChinaInternationalTelecommunicationConstructionGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,Zhengzhou450002,China)

SUNHuan-yu1,GUXiang-feng2

Abstract:Basedonanalysisofpresentapplicationstatusoftrain-groundwirelesscommunication

wirelesscommunicationrequirementofpassengerinformationsystem,thispaperproposedthenetworking

technologyinrailtransit,consideringthefieldconditionofrailtransit,andincombinationwiththe

networkingplanwascarriedoutwiththefirst-phaseprojectofZhengzhouurbanrailtransitLine1.Finallytunnelequipmentanddecreasingmaintenancework,andcanbegoodfortheaccessofothersystems.wirelesslocalareanetwork

groundcommunicationofrailtransitatpresent,canachievethegoalsofpurifyingthetunnels,reducing

plansuitableforrailtransitbasedonTD-LTEtechnology.Andthentheexperimentalvalidationofthis

thispapercometotheconclusionthatthisnetworkingplancansolvethebottleneckproblemoftrain-Keywords:railtransit;TD-LTE;passengerinformationsystem;train-groundwirelesscommunication;

舒适性和高效性得到社会的普遍关注。车地无线通信“桥梁”作用。除了承载传统的语音业务,还需要承载

随着城市轨道交通系统的不断发展,其安全性、

采用的技术基本为802.11系列无线局域网技术(WLAN)[1],WLAN作为一种宽带无线接入网技术,其的WLAN技术方案具有很大的局限性:WLAN网络在固定情况下能提供高达54Mbps的数据带宽,但在支持步速移动情况下提供11~13Mbps的数据带宽,仅WLAN天线覆盖范围较小,轨旁AP在直线隧道一般能实现标清信号的传输,暂不能满足高清的要求[2];每间隔200m布设1个,系统越区切换频繁,导致系统易丢包,造成视频画面停滞或马赛克系统工作[3];较高的无线传输系统会导致系统传输中断,进而影响WLAN工作在2.4G频段,干扰源多,对运营安全要求网络化、宽带化等特点具有相当的优势。但目前采用

系统担负着轨道交通运行中车厢内与外界信息交互的乘客出行信息、视频监视信息、宽带集群、多媒体广告信息、电视信息以及CBTC等业务,在提高地铁运营效率、公共安全管理以及改善乘客出行体验方面都起着重要的作用。

目前国内建设的城市轨道交通车地无线通信系统

收稿日期:20131204

作者简介:孙寰宇(1975—),男,工程师,2006年毕业于武汉大学,工学硕士,E-mail:sunhuanyu@http://wendang.chazidian.com。

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铁道标准设计第58卷

车辆的正常运行[4]随着宽带无线技术的不断发展。

,新技术的出现,尤

其是第四代移动通信技术LTE的日渐成熟[5]交通无线网络的统一、达到更好的传输效果成为可能,使轨道。

1 乘客信息系统车地通信需求1.1 业务需求

乘客信息系统(PIS)依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供下列信息服务(1)。

提供车地高清视频传输业务安防业务

,实时监控车厢内一举一动,为公安系统提供实时动态图像传输,以应对紧急突发事件。

在紧急情况下,本着运营安全信息优先使用的原则,可提供动态辅助性提示。车载设备负责接收系统无线传输的信息,经处理后转发给车辆专业,以便其在列车客室内音、视频播放,使乘客通过正确的服务信息引导,安全、便捷地乘坐地铁。能实时传输监控、检测、车厢内管理数据等信息(2),监控行车状态。

乘客信息系统在正常情况下乘运业务

,提供乘车须知、地铁首末车服务时间、列车到站时间、列车时刻表、管理者公告等运营信息及政府公告、出行参考、媒体新闻、赛事直播(3)。

提供高清广告等公共媒体实时信息投放平台增值业务

,目前细分时间段的广告投放是重要的广告盈利模式。1.2 带宽需求

清,实时监控PIS系统各种业务着眼于在移动状态下提供高

,车辆管理信息及测试诊断信息,增值业务等;因此,对车地无线的需求的落脚点是“高移动性+稳定宽带”。

地铁列车一般由6~8节车厢组成,车辆监控方案14中每节车厢放置~18个摄像机。

2个摄像机,车头车尾各1个,全车共

2对于上行信息缩格式采用路车载安全监控视频系统视频信息,每列列车向控制中心至少上传

D1(720×576),MPEG-4或H.264,,视频图像的压每列列车向控制中心上传每路按2MbpsD1(720×576)14路车载视频系统信息计算图像质量要求达到

,带宽约为4Mbps;宽约为28Mbps。

图像质量上传,每路按2Mbps计算,,以

带对于下行信息,由控制中心向列车下发2路高清数字视频信息,视频编码采用MPEG-2、MPEG-4或

H.264根据上述信息类型的分析后格式,带宽约为8Mbps。

,车地传输的带宽一

般需要,下行带宽为8Mbps,如果每列车上传2路视频图像上行带宽为4Mbps,当14路监控同时上传时上行带宽至少为28Mbps。1.3 高速移动性需求

地铁列车最高运行速度一般为80km/h,车辆构造速度为90km/h。车地无线传输网系统应充分考虑列车在高速情况下的切换问题,采取有效措施减少切换时间和降低因切换带来的数据损失,以保证在车上的实时播放不中断(切换时间应少于50ms),且播放质量不受影响。1.4 要顺畅清晰PISQoS系统无线带宽应有需求

,不能出现画面中断或者跳播现象QoS分级控制。所传图像

。2 TD-LTE技术介绍

国拥有自主知识产权的TD-LTE是一种新一代宽带移动通信技术TD-SCDMA的后续演进技术,是我

TD-LTE目前已成为3GPP里面唯一的基于TDD技术

,的4GLTE标准技术。

2.1 TD-LTE的关键技术

基于TDD的双工技术、基于OFDM的多址接入技术和基于MIMO的多天线技术是TD-LTE标准的三大关键技术(1)TDD基于。[6]

时间切换的双工方式是在一个帧结构中定

TDD的双工技术

义了它的双工过程,它是用时间来分离接收和发送信道。在TDD方式的移动通信系统中,接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在时间上是不连续的,时间资源在两个方向上进行了分配,基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作(2)。

正交频分复用技术基于OFDM的多址接入技术

(OFDM)的基本原理是将一个较宽的频带分成若干个彼此正交的子载波,在每个子载波上进行窄带调制和传输,这样既减少了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率[7]术是LTE系统的技术基础与主要特点,具有诸多优

。OFDM技势,例如在频率选择性衰落信道中具有良好的性能,基带接收机复杂性低,拥有较好的频谱特性和较强的多宽带处理能力等(3)多输入输出基于MIMO。

(MIMO)的多天线技术

技术包含空分复用、空间分集、波束赋形等多项技术,其主要思想是在多组不相关

第8期孙寰宇,顾向锋—基于LTE技术的车地无线通信组网方案研究

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的天线上分别发送多个数据流,把传统通信系统中损害系统性能的多径衰落因素转变成对用户通信性能有利的增强因素。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是无线通信系统实现高数据速率传输和提高传输质量的重要途径。2.2 TD-LTE与WLAN比较分析

LTE技术具有高数据速率、分组传送、延迟降低、

行流量。

延<10ms,控制面信令传输时延<100ms。务并发的服务质量。

(4)扁平网络架构,网元节点少,用户面传输时(5)严格的QoS机制保证多种不同质量要求的业

保高速移动场景下的无线链路质量。保证高速切换场景下的带宽稳定。

(6)采用频偏补偿机制,有效克服多普勒效应,确(7)切换时参考频率偏移变化,提高切换成功率,(8)多RRU共小区,减少由于切换带来的时延、

广域覆盖和移动支持能力强等优势,主要有以下特点。Mbps、上行50Mbps的峰值速率。0~120km/h移动Mbps,下行速率44Mbps。

场景下平均吞吐速率达到70Mbps,上行速率26

(2)下行链路频谱利用率可达到5bps/Hz,上行(3)支持成对或非成对频谱,可灵活配置1.4~(1)在20MHz频谱带宽下能够提供下行100

抖动、丢包,保证高速切换场景下的带宽稳定。

目前轨道交通车地通信主要通过WLAN承载,存在安全性差、覆盖难、切换频繁、移动场景带宽低、干扰源多等问题,需要一套稳定的车地通信系统,实现车-地间的信号和数据的传输。

TD-LTE与WLAN技术对比见表1。

WLAN(802.11x)

链路频谱利用率可达到2.5bps/Hz。

20MHz间的多种系统带宽。TDDLTE可以调整上下

序号13245

比较内容系统频带切换时间QoS保证传输时延带宽

TD-LTE

表1 TD-LTE与WLAN技术对比

时速120km/h时,有效带宽>50Mbps,峰值带宽可达100Mbps

可为不同业务设定不同等级QoS服务,易集成多种服务,可支持8级优先级调度取决于系统占用的频段~10ms

120km/h时,有效带宽<2Mbps100ms~数百毫秒几百毫秒<100mW

带宽不稳定,服务性能不保证

700,800,900,1800MHz,1.9,2.1,2.3,2.5,2.6GHz100ms左右

2.4GHz和5.8GHz

6

7

干扰来源

89

发射功率

覆盖距离接入方式组网方式

3~4km(城区),1.4km(隧道),支持多RRU共小区小区间干扰避免技术丰富(小区间干扰协调)

车载终端约2W 基站20~80W

受到众多ISM无线系统的干扰严重低于400m(城区) 低于200m(隧道)OFDMA/DSSS

10

11

移动性管理完善的MAC机制

OFDMA/SC-FDMA基站、终端侧加强高速场景纠偏功能

3Channel组网,AP个数受限

载波侦听冲突检测

3 地铁TD-LTE车地无线解决方案

采用先进的4GTD-LTE技术的宽带多媒体数字传输系统提供了从芯片、终端、网络到应用的端到端解决方案,为行业客户提供了在一张网络内、使用一个频率,在一部终端上同时提供专业级的宽带数据传输、高清视频上传及分发调度等丰富的多媒体通信手段,同时在网络的安全性、可靠性、可扩展性及定制化等方面具有强大的技术优势。

TD-LTE宽带多媒体技术可根据轨道交通应用场

交通车地传输的应用,通过郑州地铁1号线部署一张TD-LTE网络,用于承载具有宽带数据要求的PIS系证车地无线(TD-LTE)传输网在城市轨道交通领域应用方案的合理性、功能完备性、技术先进性。3.1网络总体架构

3层网络架构组成,分别为控制中心子系统、车站子系统、区间覆盖子系统和车载子系统,如图1所示。

基于TD-LTE技术PIS系统车地无线解决方案由统和车载CCTV车地无线传输网络。通过实际应用验

控制中心子系统,主要实现PIS系统的编辑、播放、管理及控制等功能,通过PIS系统交换机与TD-实现中心PIS信息在车地无线传输系统的传输。LTE核心网设备互联,使用GE/FE光口或电口连接,

车站子系统主要由基站、传输设备和配套设施构成,在车站站台布置TD-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。各基站通过百兆以太网接

景特点对空口性能做相关优化工作,增加了小区覆盖,保证视频数据的实时、清晰播放,降低信号传输时延保120km/h的高速运动场景下相关业务的有效性,通过证信号业务的高优先级和可靠的快速传输,支持超过

完善的QoS保障机制,区分优先级保证高优先级的QoS要求,可同时支持乘客信息系统和信号系统业务的并发,打造新一代的统一平台的车地无线系统。

为验证新一代无线通信技术TD-LTE在城市轨道

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铁道标准设计第58卷

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。

地铁正线、出入段、出入场线隧道利用商用泄漏电缆进行无线覆盖,将RRU信号合路进泄漏电缆中,车辆段、停车场地面及库内采用天线覆盖。

(TAU),在每列车的车头通过车载交换机与车载、车尾各设置LCD1套车载无线设备

收由控制中心提供的实时视频信息和向控制中心发送控制器相连,接

多路实时的车厢监控信息

。

图1 TD-LTE车地无线通信系统网络架构

3.2 无线覆盖方案

BBU+RRU基于TD方式进行无线覆盖-LTE的PIS车,地如图无线2通所示信系。统在车站

采用

设置基站基带设备(BBU)和射频单元(RRU),BBU可设于车站设备室,RRU可设于隧道入端,TD-LTE信号通过合路器与POI(多系统接入平台)输出的商用通信系统信号合路,合路后的无线信号送入商用漏泄电缆中,实现隧道内覆盖。为实现隧道长区间TD-LTE无线信号覆盖,采用在区间增设RRU方式,TD-LTE信号通过区间多频分合路器合路,合路后的无线信号送1.入区间漏泄电缆中。基于实际情况考虑,站间距按

2.24kmkm规划的地方需要增加,大于1.2km2的地方需要增加个RRU,大于用漏缆4Path,达到RRU2T2R分别连接隧道区间左右两端的RRU。

的MIMO效果。TD-LTE系统可以2根商根据业务类型及带宽需求灵活配置TD-LTE帧的上、下行配比,如2DL：2UL、3DL：1UL等。同时,系统应按车站双向隧道划分小区,将地铁在两个运行方向上

划分成不同小区,并利用小区合并技术,减少小区数量及切换次数。这样可以使地铁两个运行方向上,都获得足够的资源支持大数据传输

。

图2 TD-LTE无线覆盖示意

4 工程经济性研究

WLAN基于的传统车地无线通信系统具有更高的综合经济LTE的车地无线通信系统相对于采用

效益。主要体现在基础建设与维护成本和增值服务效益等几个方面。

从目前LTE的设备商务水平看,比WLAN略高,

但是由于LTE技术可以支持大型组网,它的三层式网络架构使得LTE解决方案可以共用最上层的核心网设备,针对轨道交通而言,一个城市会建设多个地铁线路,而LTE的网络架构和技术体制使多个地铁线路共用一个平台成为可能。另外,LTE车地无线通信系统可实CBTC,现一张网络同时承载免了多张网络独立建设与共存的问题宽带集群同时支持语音及视频调度PIS、CCTV、宽,大大减少了投

,这样就避带集群、资建设成本。

同时随着LTE全球商用化的进程进一步加快,全球各大设备供应商的全力投入以及产业链和产业生态环境的快速发展,整体设备和终端成本会有较大的降低,预计到2014年设备成本会迅速降低到一个与工业级WLAN相当的水平。因此LTE的固定成本整体看并不比WLAN高很多,甚至会比WLAN低。

可变成本主要是安装成本、维护成本和运营成本200构成m,,由于一条轨道线路基本要按照WLAN的1个AP覆盖的范围只有200~600个AP150进行~1500部署,m,而一条轨道线路只需要LTE由于远覆盖的技术一个基站可以覆盖20~60个AP进行部署,

第58卷 第8期2014年8月

RAILWAY STANDARD DESIGN

铁道标准设计

Vol.58 No.8Aug.2014

文章编号:10042954(2014)08016305

沈阳北站交通枢纽市政配套工程改造设计

沈月荣,赵 畅

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

摘 要:结合沈阳北站市政配套设施改造的工程实例,从设计根源入手对改造设计进行分析、研究,得出对既有交通工程进行市政配套改造应充分考虑和分析工程的现状、改造目的及工程所在区域远期定位等制约因素,抓住影响设计的关键,分析市政设施的交通组成及所服务的客流的来源及去向,明确各股客流的换乘需求,并结合对既有设施的有效利用,使设计更加合理,从而实现市政配套工程与车站和城市的有效衔接。关键词:交通枢纽;高速铁路;轨道交通;综合运输

中图分类号:U291.7+3 文献标识码:A DOl:10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.040

BriefAnalysisontheDesignforReformationofMunicipalAuxiliaryProjectsofTransportHubatShenyangNorthRailwayStation

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300251,China)

收稿日期:20140515

作者简介:沈月荣(1978—),男,工程师,E-mail:84437246@http://wendang.chazidian.com。

SHENYue-rong,ZHAOChang

随着国民经济和城市建设的发展,伴随人们对交

蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯即可保证整条线路的覆盖,因此在施工安装的成本上业务的应用,如车辆信息管理系统、车辆检测信息系

统、预警监视、宽带集群和CBTC等。参考文献:

[1] 阚庭明.城市轨道交通乘客信息系统技术发展趋势探讨[J].铁路

计算机应用,2009,18(1).

[2] 张健.车地无线信息传输系统浅析[J].铁路通信信号工程技术,[3] 高岩.基于WLAN技术的轨道交通PIS系统车地无线通信.科技

风[J],2012(12).

[4] 于鑫,阚庭明,吴卉.轨道交通乘客信息系统车地无线传输方案

设计与优化[J].铁路计算机应用,2012,21(2).

[5] 赵慧.无线通信技术发展及未来趋势展望[J].信息通信,2011(3).

2010(3).2007,4(4).

会远远低于WLAN;同时LTE基站设备采用分布架构,轨旁设备为射频单元,可通过远程网管监控管理,无需进行轨旁设备的巡检维护,而且WLAN的设备数量比LTE的基站多10倍,因此巡检维护、故障维修都没有LTE容易,耗电量也比LTE高,需要配置更多的人力维护和增加更多的电费成本,因此运营成本和维护成本会随着后续地铁线路的运营急速增加。

增值服务效益方面,由于采用LTE的车地无线同系统具有高用户数据速率、高系统容量的特点。除了全程提供乘车指引及咨询服务、车上实时娱乐信息传递、到站换乘等列车咨询、地铁周边设施及方位信息等基本业务外,网络可以承载更加丰富的多媒体增值服务,如实时电视转播、互动广告、品牌传播等。5 结论

TD-LTE作为目前最为先进的4G无线技术,具有

[6] 王硕瑟.TD-LTE的三大技术特点[J].西安邮电学院学报,[7] 曾召华.LTE基础原理与关键技术[M].西安,西安电子科技大学

出版社,2010.

[8] 李昊,胡兴.LTE无线通信技术与物联网技术的结合与发展[J].

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[9] 王强.城市轨道交通中的车地无线间通信技术研究[J].铁道通信[10]李佳祎.轨道交通PIS与CBTC无线组网技术及干扰[J].铁道工[11]穆潇,夏昕.基于LTE的乘客信息系统车地无线通信方案研究[12]杜成.城市轨道交通CBTC2.4GHz无线传输技术的应用研究

[J].铁道标准设计,2013(3).[J].科技创新导报,2012(14).

高带宽、高质量、高可靠、高抗干扰能力等优良特性,与传统WLAN技术相比更为适合应用于轨道交通车地无线通信领域。同时,TD-LTE车地无线通信系统使

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,设备维护工作量少。为充分利用该系统的多业务承载能力,可综合考虑地铁内其他