基于TDD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信网络化技术

丁文鹏

摘要：现代交通行业与以往存在明显差别，这种差别体现在信息技术的广泛应用以及交通压力的持续增加等多个方面，给予优化十分必要。基于此，本文以城市轨道交通车地无线通信网络化技术要求作为切入点，对相关内容给予简述，再以此为基础，重点论述TDD-LTE技术下的城市轨道交通车地无线通信网络化技术，包括各条线路之间的连通网络、LTE核心网的布置等，为后续工作提供参考。

关键词；TDD-LTE技术；城市轨道交通；无线通信网络化

前言：TDD-LTE技术也被简称为TD-LTE技术，即TimepisionLongTermEvolution（分时长期演进），该技术早在3g时代就得到了广泛的重视，是移动通信技术使用的双工技术之一，TD-LTE是TDD版本的LTE的技术，能够在现有基础上极大提升数据速率和频谱效率，同时控制延迟问题，在繁忙的现代交通管理作业中，TDD-LTE技术的应用价值十分突出，前景也极为广阔。

前言

由于我国各城市的规模、社会经济发展水平不同，使得各城市的轨道交通建设发展有较大差异，但在行业发展的趋势下，在建及拟建轨道交通的城市目前都已树立了网络化建设的理念，编制了城市轨道交通网络规划。截止2010年底，我国已有近50个城市编制了轨道交通网络规划，并陆续编制建设规划，用以指导轨道交通的网络化建设。本文基于TDD-LTE(时分双工一长期演进)技术在轨道交通车地无线通信系统中的应用分析，提出利用LTE技术优势和特点建立城市轨道交通互联互通无线通信网络，并讨论其可行性，从而为城市轨道交通无线通信网络的长期技术演进提供参考。

l城市轨道交通无线通信系统网络化目标及内容

城市轨道交通网络化的主要内容是形成网络规划、建设、运营、城市发展的良性循环。中关于无线网络技术支撑体系方面的目标和内容为：

(I)解决网络无线通信系统的互联互通；

(2)结合各城市轨道交通路网和控制中心规划，解决无线交换组网架构、分布实施方案，以及基于系统网络架构的路网无线频点的统一规划、编号计划、网络无线通信的互联互通技术标准。轨道交通网络化，要求无线通信系统也实现互联互通，最终形成网络化。因为CBTC(基于通信的列车控制)信号系统中，无线通信系统的主要功能是为轨旁和车载CBTC系统提供可靠、持续、双向的冗余通信通道。

2、TDD-LTE技术在轨道交通无线通信系统中的应用分析

2．1城市轨道交通无线通信系统现状

当前，轨道交通无线通信系统主要由TETRA(地面集群无线电)和WiFi(无线局域网)网络来承载。其中，TETRA主要提供语音调度；WiFi负责信号CBTC系统承载和PIS(乘客信息系统)等数据业务。CBTC系统、PIS、CCTV(闭路电视)监控系统使用的无线通信制式是基于IEEE802．1la／b／g系列标准，在工作频段上使用的是开放、免授权的2．4GHzISM(工业，科学，医疗)频段。由于各CBTC系统厂商使用的无线技术标准不同，有跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)及正交频分复用(OFDM)技术，使得无线通信系统网络的互联互通无法实现。

2．2LTE技术特点

2013年底，工信部向国内移动通信运营商颁发了LTE／第四代数字蜂窝移动通信业务(TDD．LTE)经营许可，由此揭开了LTE技术在我国商用的大幕。TDD．LTE作为我国具有自主知识产权的技术，具有以下优势：

(1)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbit／s、上行为50Mbit／s；

(2)提高了频谱效率，下行链路5(bit／s)／Hz，上行链路2．5(bit／s)／Hz；

(3)由于使用专用频段规避干扰，以及采用ICIC(／]、区间干扰协调)等专业技术，系统抗干扰能力显著提高；

(4)QoS(业务服务质量)保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证CBTC信号业务或者实时业务(如VolP)的服务质量；

(5)系统部署灵活，能够支持5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等多种系统带宽；

(6)高速度适应性，满足更高速度(大于200km／h)下的系统吞吐量性能。正是因为LTE具有众多的技术优势，使得其替代WiFi技术服务于城市轨道交通车地无线通信业务成为一种发展趋势。

2．3基于TDD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信综合承载网络

目前，在城市轨道交通业务中，CBTC系统、PIS系统以及CCTV系统是各自建立独立的WiFi网络来进行承载，建设成本较大，维护管理较为分散。图1为LTE与WiFi的对比，可见LTE相比WiFi更适用于车地无线通信综合承载。随着车地无线通信业务的发展需求，可利用LTE技术建立车地无线通信综合承载网络，在此网络上可承载CBTC、PIS(包括紧急文本的下发)、CCTV和列车状态信息等业务，甚至还可兼容数字集群业务(TETRA系统)，如图2所示。该网络以精细化分级业务管理QoS机制保证CBTC系统重要数据高优先级，确保进行低时延、低丢包率的端到端传输；各城市在建设轨道交通无线网络时，可根据需求选择具体承载的业务，使用灵活性高；其融合了多个WiFi网络，可以较好地降低建设成本，提高管理效率。CBTC、PIS和CCTV等系统对数据传输的安全性和可靠性要求不同，应考虑各系统的特点及性能要求，通过LTE的QoS机制对其进行分级管理。表1给出了各业务的优先级建议，作为参考。

3、应用TDD-LTE的互联互通无线通信网络

随着新一代通信技术的发展，当LTE技术在城市轨道交通新线建设和既有老线改造中的车地无线通信网络中得到广泛应用时，就具备条件进行无线通信网络互联互通的规划和建设。建立城市轨道交通互联互通的无线通信系统网络需要长期详细的规划，首先需在各条线路之间建立一张连通的上层传输网络，其次需考虑LTE核心网的布置，以及如何实现同时管理各条线路的基站，进而实现无线网络的互联互通。

3．1各条线路之间的连通网络

在TDD-LTE技术应用于城市轨道交通车地无线通信系统的基础上，结合城市轨道交通路网和控制指挥中心规划，建立上层传输网络，将城市轨道交通路网中各条线路的运营控制中心连通起来。为了实现以上网络规划，在一些大城市，已经开始建设网络运营监控中心(示范线（二期）)项目，将各条线路的连接起来，便于统一管理。在天水，为了适应轨道交通网络化发展的目标，建立了满足网络化运营管理要求的综合系统。随着示范线（二期）的建设，示范线（二期）已接入了天水轨道交通线，尚有新建线路和延伸线路的正线信息需要接入示范线（二期）中，这些新建线路的停车场信息也要接入示范线（二期）。LTE系统的上层传输网络建设可以参照示范线（二期）项目。

3．2LIE核心网的布置

核心网的布置也是一个逐步规划的过程。在无线通信系统网络化初期，为了便于实现各线路的互联互通，在各条线路设置一台LTE核心网，管理各条线路的无线基站和车载终端。各线路LTE核心网之间可通过建设类似于示范线（二期）项目的上层传输网络实现互联互通。虽然在城市轨道交通建设中各条线路的LTE网络供应商可能不同，但各厂商都按照LTE标准开发，车载终端接入不同的核心网是可以实现的，就如同手机终端可在不同运营商网络或同一运营商的不同地方网络之间进行漫游。车载终端的典型漫游架构如图4所示。

3．3LTE网络的互联互通

在各条线路互联互通建设过程中，各线路还是需要分别设立LTE核心网(见图4)。若是能解决不同厂商核心网与基站eNodeB(简为“eNB”)之间的互联互通问题，就可以在类似于示范线（二期）的项目中设置一套核心网，同时管理各条线路的基站。从核心网侧来说，其容量比较大；而对于基站设备，因其发射功率较大，配合使用漏缆传输，一个基站的无线覆盖距离相比WiFi技术下一个AP(无线接人点)的无线覆盖距离有明显提高，可达到1km以上，因此每条线路需设置的基站数量并不多。基于以上分析，一套核心网设备完全可同时管理各条线路的基站，主要问题是各厂商对于核心网与基站之间的接口有一些自定义开发，导致不同厂商的核心网与基站之间的互联效果不好。而在国内公网运营商4G网络中，都是通过核心网互联来实现的。基于目前LTE产品现状，各厂商均需在示范线（二期）设置一套核心网络，管理本线路的基站设备，如图5所示。从长远发展来看，随着LTE技术在轨道交通中应用标准的制定，出于对各条线路的运营维护和互联互通问题的考虑，必须要实现基站与核心网之间的互联互通功能。

3．4列车的互联互通

无线通信系统的互联互通，还要解决移动列车的互联互通。即列车在跨不同线路移动过程中的切换。可开放各厂商核心网之间的接口，就如同公网中的漫游切换，或者将厂商A和厂商B的设备设置为相同PII、删(公众陆地移动网)组网，如图6所示。车载终端连接在厂商A基站上，并获得厂商A基站下发的临区测量列表，其中包括厂商B基站的小区测量信息。车载终端移动到厂商A基站和厂商B基站的重叠覆盖区域，并测量重选到厂商B基站。以开放核心网之间接口来实现跨线切换的组网方案，其切换效果与同一LiE网络中基站问的切换效果类似，可满足轨道交通车地无线业务的需求。

结束语：

基于TDD-LTE技术的城市轨道交通车地无线通信网络化技术具有良好的实现空间，价值也较为突出。现代交通技术的发展要求解决网络无线通信系统的互联互通，同时强调优化轨道交通路网和控制中心规划，此前的旧式系统已经无法满足实际要求。在TDD-LTE技术的支持下，可以有效布置各条线路之间的连通网络，优化LTE核心网的布置，做好列车的互联互通，可给予推广和应用。

参考文献

[1]TDD-LTE技术在城市轨道交通CBTC系统中应用[J].贾萍;徐淑鹏.城市轨道交通研究,2015(12)

[2]轨道交通行业TDD-LTE基站间时钟同步技术[J].黄亮;丁称发.铁道通信信号,2019(01)

[3]城市轨道交通车地无线通信的应用[J].王锐;王大成.电子技术与软件工程,2019(21)

[4]浅析城市轨道交通中的无线通信系统[J].孙延欣.信息化建设,2016(04)

[5]城市轨道交通车地无线通信的应用[J].陈鑫.数字通信世界,2017(04)

[6]轨道交通车地无线通信技术研讨[J].甘玉玺;肖健华;金志虎;杨宝国;何玉军;吴少勇;杨瑾;康仙慧.城市轨道交通研究,2014(01)

[7]5G无线通信技术的概念及其在城市轨道交通系统中的应用[J].黄洛宁.科学咨询(科技·管理),2023(03)

[8]基于5G无线通信技术的城市轨道交通信息传输系统设计[J].李英.长江信息通信,2022(02)