地铁无线通信的应用研究

摘要：目前基于长期演进技术的应用，使地铁无线业务的需求在车载闭路电视、车载乘客信息系统以及语音视频综合调度三网合并方面得到了满足，对相应的LTE网络进行了架构，并基于LTE信道带宽和其技术优势，使地铁无线通信功能得到了极大提高。

关键词：LTE网络；地铁无线通信；丢包率

地铁无线通信技术主要采用3G、GSM、陆上集群无线电、CDMA以及WiFi等技术，主要包括列车控制无线通信、专用无线通信以及商用无线通信3大应用类别。在专用无线通信业务中，又包括闭路电视专用的WiFi网络、乘客信息系统以及对CBTC进行有效保障的WiFi网络3部分。基于LTE技术的应用，能够使无线通信传输实现三网合并，使建设、运营以及维修成本大幅度减少，实现网络优化。

1LTE优势

1.1抗干扰技术。此技术在抗干扰方面表现优异。与WiFi技术相比，它在干扰避免、干扰检测和干扰控制3个层面具有明显优势[1]。WiFi在干扰检测方面主要通过检测和反馈系统带宽级信号强度实现，而此技术通过均匀分配时频域，利用导频设计和OFDM直载波调度，实现时频域变化跟踪，从而通过2ms的快速调度响应更准确、更及时地进行干扰检测。当干扰检测发现干扰时，可通过IRC、重传以及完善的编码机制，根据干扰的实际情况，按照每个终端的信道状况进行动态资源调度，优先分配信号质量高、干扰小的子带频率资源。另外，此技术可根据信道干扰情况，利用AMC自适应调制编码进行相应的编码图策略和自适应调制调整。对于干扰控制，此技术能够有效控制整个网络的干扰水平。它完善的功率控制机制拥有多种干扰抵制算法，如CoMP上行干扰控制和ICIC干扰抑制算法，可降低网络的整体干扰水平。可见，此技术在控制干扰和规避干扰方面优势明显。1.2高移动性。与WiFi的移动性相比较，LTE的表现更出色。WiFi在轨道运行中需要对AP频繁重选和关联，造成高延时，且覆盖范围较小，影响网络接入的稳定性。此技术中运用远距离覆盖、无缝切换算法等技术手段具有高移动性特点，以最高时速运行的地铁为基准，确保其延时不超过50ms。1.3高可靠性。网络关键数据的可靠性传输通过此技术的多级QoS算法保证。此算法在路由器和交换机上进行设置，主要包括限制P2P、ICMP优先级、ACK确认字符、策略以及带宽等设置。此技术具有9种算法，同时对地铁用户业务根据优先级别进行划分，优先传输高优先级别的用户，低优先级的用户尽量传输。1.4信道。WiFi存在邻频和同频干扰，但LTE技术不存在此类问题。由于空间接口的独特帧结构，LTE可对同频网络节省带宽进行组建。通过15kHz子载波调度技术，对同频网络可采用20MB进行组建，而WiFi需要140MB才能对无干扰网络进行组建。此外，LTE的传输信道还能根据用户需求进行动态分配。1.5接收性能。列车运行时，通过WiFi和LTE的接收性能进行测试，可以发现在相同接收频率，WiFi支持的列车速度明显低于LTE技术。在相同列车速度时，LTE技术灵敏性表现更高。在接收功率低于-90dBm时，WiFi无法接收数据；在低于-130dBm时，LTE技术对低速数据需求仍能予以满足。所以，LTE技术与WiFi在同等情况下，具有更高的接收性能和高移动性。1.6地铁业务带宽分析。在地铁无线通信中，语音视频综合调度、CBTC系统以及车载CCTV共3部分作为上传数据，其网络上行带宽峰值时能够超过50Mbit/s，下行带宽的理论峰值可超过100Mbit/s。通过对PIS、车载CCTV以及CBTC带宽的计算，可为其预留一定的带宽额度。通过应用LTE技术，可使3个通信网络合一，所需带宽将不超过25MHz，充分满足地铁无钱通信功能需求[2]。

2LTE在地铁无线通信中的应用

作为通用移动通信系统技术标准的长期演进，LTE引入MIMO和OFDM等关键技术，增加数据传输速率和频谱效率。另外，在轨道交通中，LTE使用的频段为1.786～1.805GHz。此技术专用网络主要作为语音视频、车载PIS、CBTC以及车载CCTV的综合调度通道。对地铁稳定和实时传输信号进行有效保证的自动控制系统CBTC，具有性优先级等要求。通过用此技术取代WiFi，针对地铁无线通信网络中存在的问题，对车地一网多业务承载、长距离覆盖、专频双网可靠通信进行设计，提高运营效率。应用LTE网络分别作为汇聚层、核心层和接入层，对底层应用和控制中心进行组网连接，通过数据交互，保障各通信系统的可靠性和完整性。

3在CBTC中的应用探讨

PIS和CBTC系统通常采用LAN或WLAN与泄露电缆进行组合，主要依据产品链和技术的成熟情况。在CBTC中的应用可以从数据丢包率、安全机制以及接入延时等方面进行分析。3.1安全机制。用户所有操作通过密钥协商和认证过程予以实现，主要包括加密密钥过程和完整性密钥过程。通过用户全球识别卡USIM和鉴权中心AUC对所共有的密钥进行计算，从两个基本密钥中得出父密钥，并利用此密钥生成其他各层所需的子密钥。通过这种分层推衍的方式，可有效避免泄露上下级密钥的情况。LTE中的AKE鉴权过程主要采用Milenage计算方法，与UMTS的鉴权方式相同，利用其鉴权机制的优势，实现网络侧门和UE的双向鉴权。对于地铁中不良伪基站的攻击，双向鉴权有着良好的抵抗性。另外，密钥长度也增加了破解难度，可以更好地满足CBTC的安全性要求[3]。3.2丢包率。测试过程中，发送的数据包中丢弃的数据包所占的比例称为丢包率。通过相关测试和调查发现，在最成熟的国外4G网络中，LTE技术的平均丢包率已经达到30%，明显存在丢包率过大的问题，因此对于CBTC稳定性和安全性还有待进一步改善。3.3接入延时。LTE技术在接入延时方面的表现：控制面会在用户面单项传输时延小于5ms时被激活，转化其原有的睡眠状态的时延小于50ms，两种状态之间的迁移时间不超过100ms，而中断用户面的时间小于100ms。根据相关的延迟测试发现，对于地铁无线通信应用需求，LTE技术能够满足大部分需求，主要有视频流媒体、VoIP以及高清IPTV等[4]。因此，根据上述分析可以看出，对于语音视频、车载CCTV以及车载PIS综合调整技术要求，LTE能够很好地予以满足，但在低丢包、低延时的安全性能方面表现还不够理想。

4LTE应用所满足的地铁需求

4.1车载的安全需求。通过应用LTE技术，可以提供车载CCTV高清视频车地传输业务，可以实时监控车厢内的情况，为各相关部门和公安系统提供有效的数据依据。同时，根据运营安全信息优先使用原则，紧急情况，能够实现动态辅助性提示。对系统无线传输信息，通过车载系统接收、处理后向车辆转发，并在室内通过视频、语音的方式进行播放，有效引导正确的服务信息，从而实现轨道交通的安全性和便捷性[5]。4.2车载实时高清需求。通过LTE技术提供的车载高清视频传输业务，车载PIS在重大新闻、电视广播节目以及重大赛事等的转播上能实现无延时实时播放，从而有效提高平台层次和媒体实时性。4.3增加视频需求。在语音调度基础上，通过应用LTE技术，可使视频集群系统TD-LTE升级为综合音视频集群通信系统，集远程监控、视频调度视频联动、视频会议以及智能分析等功能于一体，提高调度的准确性和及时性。4.4增值业务需求。此技术具有性价比高、主网灵活、业务提供能力强以及扩展性好等特点，提供高清广告等公共媒体实时信息投放平台的同时，可实现时间段的细分。广告投放模式可根据高峰人流量在不同时间段的统计数据进行细化，实现科学化和高效化的管理运营盈利模式。

5结论

LTE技术具有无可替代的应用优势和特点，对地铁无线通信的维护管理、系统扩展性以及业务提供等多方面需求予以满足，同时对无线通信技术的发展趋势有着良好的适应性。在车载CCTV、车载PIS和语音视频综合调度实现无限融合的设计方案中，LTE技术应用优势显著，不仅可以减少投资成本，降低运营维护费用，还能提高运营的广告收益。因此，长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用是城市建设和技术发展的必然趋势，在地铁运行中有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]杨小会，魏涛.长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用分析[J].中国新通信，2015，（22）：80.

[2]向秀东.地铁信号系统中LTE技术的应用探索[J].四川建材，2019，45（2）：173-174.

[3]周建强.LTE技术在城市轨道交通中的融合应用[J].通讯世界，2015，（20）：46.

[4]方建文.LTE技术在地铁无线通信中的应用[J].中国新通信，2015，（24）：68.

[5]高彦军，张来洪，徐淑鹏.基于LTE技术的地铁车地无线通信的干扰分析[J].城市轨道交通研究，2015，18（12）：46-48.

作者:夏学浩 单位:上海工程局集团新海信通公司