LTE技術在全自動駕駛中的應用

海燕

摘要：當前LTE技術在地鐵中應用越來越廣泛，本文論述了LTE技術在地鐵車地無線通信中的應用，重點闡述了在全自動駕駛模式下LTE系統的組網及業務承載等，并展望了LTE技術未來在地鐵中的發展。

關鍵詞：LTE技術、全自動駕駛模式、綜合承載

隨著地鐵的不斷發展，列車駕駛模式也在不斷革新，自2017年北京燕房線開通以來，全自動駕駛模式逐漸在中國多個城市鋪展開來，地鐵迎來智能新時代。地鐵車地無線通信網是地鐵整體網絡中至關重要的一部分，主要承擔信號CBTC（Communication Based Train Control System）、車輛TCMS（Train Control and Monitoring System）、車載PIS（Passenger Information System）、車載CCTV（Closed Circuit Television）及列車無線通信等多個車地無線通信業務，穩定與否將直接影響行車安全。本文以南京地鐵7號線為例，深入研究在全自動駕駛模式下LTE技術的應用。

一、車地無線通信網的發展

傳統的車地無線通信網是由三套獨立的網絡構成，分別為一套無線集群語音通信網絡，一套具備網絡冗余的CBTC網絡及一套集成車載PIS、車載CCTV和車況信息等的網絡。其中無線集群語音通信網由 800MHz的Tetra數字集群技術實現，CBTC網絡主要采用2.4GHz的WLAN技術實現車地無線通信，最后一套集成網絡則主要采用2.4Hz的WLAN技術和DVB-T 技術實現。

三套網絡中除了Tetra技術相對成熟穩定外，2.4GHz開放頻段的WLAN技術因為設計初衷不同和工作在ISM頻段等原因，存在高速通信限制，發射功率限制、多業務無法設置優先級、存在無線干擾等問題，而隨著地鐵的快速發展，地鐵運行勢必達到更高的速度，同時人們對信息、語音、視頻數據的連續性要求也不斷的提高。為了滿足上述要求，LTE技術逐漸引入到地鐵車地無線通信網絡中，同時LTE技術的還具有高帶寬特點，20MHz 頻寬下能夠提供下行 100M/s 與上行 50Mb/s 的峰值速率 ，可以實現車地無線網絡綜合承載功能。該技術成熟度相對較高，目前已在南京、上海、鄭州、杭州、蘇州等城市地鐵中應用，承載不同程度的車地無線業務。

二、LTE技術特點

LTE 采用了OFDM、MIMO、HARQ等先進技術，有效提高了數據傳輸速率、頻譜效率和抗干擾能力，是一種先進的無線通信技術，可提供綜合承載業務的不同優先級及信息的高速移動性支持，并通過QOS機制和抗干擾技術保證無線業務的安全可靠傳輸。

（1）服務質量和優先級設置

在LTE系統中，根據業務重要性不同及對實時數據連續性的要求有高低，可根據業務屬性對其進行優先級劃分。在車地無線通信業務中，CBTC業務對分組數據時延和分組數據丟包率要求較高，同時CBTC業務屬于列車控制業務，關乎行車安全，所以可將其優先級等級設為最高優先級。集群通信業務是為保障司機與調度之間通信，對分組數據時延要求較高，而對數據丟包率要求較低，可將其設為次最高優先級。其他業務如視頻監控業務流、實時緊急通信業務、PIS業務等均可根據業務屬性和服務質量要求的高低進行優先級劃分，進而確保系統中所有業務完整、可靠的傳輸。

（2）QOS保障機制

LTE系統可靈活的根據不同的業務定義不同的QOS保障方案，同時相同承載上面的所有數據流量均可獲得QOS保障，相反不同承載則獲得不同的QOS保障。此外，根據用戶簽約時默認的QOS等級可建立一個默認的承載，從而保證業務的初始傳輸時具有更短的時延。

（3）抗干擾性

根據 2015 年 2 月工業和信息化部《關于重新發布 1785-1805MHz 頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知 》（ 工信部無[2015]65 號）的規定，將1785-1805MHz頻段用于城市軌道交通LTE相關業務承載和實驗，同時LTE系統在地鐵中組網普遍采用A/B雙網結構，那么在實際應用中LTE存在系統內干擾和系統間干擾。

1、系統內干擾

系統內干擾主要分為A/B雙網間干擾和小區同頻干擾，其中當A/B 雙網異頻組網時，若兩個網絡頻段相鄰，且發射和接收不同步，則會由于雜散和阻塞的原因互相產生干擾，進而影響網絡性能，該干擾可通過設定時隙配比和保證雙網時鐘同步的方式來解決。若采用同頻組網，則會存在處于小區邊緣的用戶下行業務受到鄰區導頻和業務的干擾，進而導致信噪比較低影響下行吞吐量?？赏ㄟ^優化參數提升信道功率、修改切換參數使用戶盡早切換小區等方式來解決。

2、系統間干擾

LTE 系統與其他系統之間的干擾主要包含與 800MHz專用無線通信系統、350 MHz 警用無線通信系統、運營商多制式無線系統之間的干擾及電力無線系統之間的干擾。其中與800MHz專用無線通信系統及350 MHz 警用無線通信系統之間的干擾，由于頻率隔離度較大，因此干擾基本為零。而與運營商之間的無線干擾，因為最接近的是 DCS 系統下行頻率1815- 1830MHz，DCS系統允許的帶內阻塞為-35dbm，滿足干擾容限要求。最后與電力無線系統之間的干擾，因為電力無線系統與LTE系統共享1785-1805MHz頻率資源，使用過程中僅影響地上無線覆蓋，可通過避免設置相同頻點的方式解決干擾問題。

總體來說，LTE技術具有系統穩定性強、抗干擾性好、權限劃分明確、保障機制全面等特點，能夠滿足地鐵車地無線通信網絡的要求 。

三、全自動駕駛模式下的LTE系統組網

當地鐵運行在ATO模式下，LTE系統一般采用A/B雙網冗余配置結構，A/B雙網設在一個控制中心，A網主要承載信號CBTC業務，B網則作為其他業務的綜合承載平臺，負責承擔車輛TCMS、車載PIS、車載CCTV、車地緊急通信及列車無線通信等多個車地無線通信業務，雙網并行傳輸數據。而當地鐵運行在全自動駕駛的UTO模式下時，則需進一步考慮車地無線網絡的穩定性和可靠性，為了系統更加有保障，LTE系統同樣采用A/B雙網冗余配置，同時在對B網再次冗余備份，形成多級防控保障機制。此外，采用主備控制中心熱備機制，將A/B網設在不同的控制中心，在物理層面上提升系統的安全性。

業務分配方面，A網仍然單獨承載信號CBTC業務，B網則作為所有車地無線業務的綜合承載平臺，這樣，即使A網或B網出現突發故障停止運行，車地無線業務均不會受到影響。業務帶寬分配方面，以南京地鐵7號線為例，該線路采用LTE-M規范定義的1.8GHz頻段（1785-1805MHz），頻寬20MHz，以每個RRU小區最多6列車進行考慮，根據各業務帶寬需求，具體分配方式如下表：

在全自動駕駛模式下， LTE系統A 網 承 載 CBTC 業 務 上 下 行 帶 寬 各 3Mbps，需要 5MHz 頻寬 ;B網在邊緣情況下也可滿足：CBTC（3Mbps）+列車運行管理（624kbps）+集群語音（640kbps）+CCTV視頻監控（4Mbps）+緊急呼叫視頻（3Mbps）的業務需求。在極限情況下，6列車同時處于小區邊緣，LTE系統將會采用QoS機制優先保證信號CBTC和集群無線通信業務的正常運行。

四、結論

綜上所述，我們可以看到LTE技術在地鐵中的應用已比較成熟，可滿足在高速移動的地鐵列車上高質量的傳輸數據信息。同時在全自動駕駛模式下，LTE系統能更好的匹配列車對數據穩定性、運行安全性、優先選擇權的要求。在后續的發展中，我們還可進一步考慮LTE系統在地鐵中的整體布局，形成以各線路控制中心為單位的主干網互聯網絡，最終形成LTE網絡化布局結構，實現地鐵全線網的互聯互通。

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