LTE在轨道交通中的应用专题 | LTE-U在城市轨道交通中的应用研究

随着中国城市轨道交通协会中城轨[2015]008号文“关于转发工信部1785～1805MHz频段使用事宜通知及有关落实工作的意见”和中城轨[2016]003号文“关于推荐城轨交通项目新建CBTC系统使用1.8GHz专用频段和LTE综合无线通信系统的通知”文件的相继发布，各地积极开展城市轨道交通（以下简称城轨）车地无线通信系统建设和试验、推广采用1.8GHz授权频段的长期演进（longtermevolution，LTE）技术建设城轨车地无线通信系统。

除城轨外，1785～1805MHz频段在机场、石油、电力、重载铁路等行业也可使用，但各地无线电管理机构审批给城轨线路使用的频率资源除个别城市在地下隧道区间能达到20MHz频谱外，大部分仅为10MHz，甚至个别城轨线路只批准了5MHz。随着城轨业务数字化、IP化、图像业务高清化的不断提高和大数据、无人驾驶、智慧城轨应用的推进，城轨内的物物、人人、人物之间的联系越来越紧密，车地间的数据传输需求大幅增加，当前的频谱资源已制约着城轨车地无线通信系统的网络容量，大量的车地间数据无法及时上传（列车至控制中心）和下达（控制中心至列车），同时也制约着城轨车地无线通信系统建设方案的选择。然而，在开放的免授权频段却存在着丰富的频谱资源，如能有效地利用这些资源，就可缓解甚至解决城轨授权频率资源不足与车地间数据传输需求的矛盾。非授权频谱上的LTE（LTEinunlicensedspectrum，LTE-U）技术的提出为有效利用非授权频谱资源提供了一种全新的解决方案。

2013年12月3—6日举行的3GPP RAN#62次全会上提出LTE-U，旨在将LTE扩展至非授权频段，利用非授权频谱承载移动通信业务，缓解移动网络容量的压力。利用非授权频谱实现LTE主要有3种方案：授权辅助接入（licensedassistedaccess，LAA）技术方案、双连接（dualconnectivity，DC）技术方案和无授权接入（Standalone）技术方案，如图1所示，其中3GPP在R13版本中启动了对LAA的研究，另两种方案留待未来考虑。

图1 LTE-U技术方案图

LAA技术方案采用载波聚合（carrieraggregation，CA）技术，将授权频谱和非授权频谱聚合，授权频谱作为主载波传送关键信息和需要服务质量保证（qualityofservice，QoS）的业务，非授权频谱作为辅助载波，实现数据平面性能的提升。数据平面性能的提升在3GPPR13中明确为Downlink-only，即采用载波聚合技术时，辅助载波仅支持下行链路数据传输；而在3GPPR14中明确可Downlink+Uplink，即采用载波聚合技术时，辅助载波可以同时支持上行链路数据传输和下行链路数据传输，即eLAA（enhancedLAA，增强授权辅助接入）技术方案。笔者将LAA技术方案和eLAA技术方案统称为LAA技术方案。

DC技术方案采用用户终端同时在授权频谱和非授权频谱上建立连接，其中授权频谱发送系统广播信息，用于实现控制平面的功能，包括连接管理和移动性能管理，从而保证蜂窝通信的连续性。在数据平面，小基站数据业务可以在授权频谱发送、免授权频谱发送，或者两者都发送。

Standalone技术方案采用非授权频谱独立工作，将LTE直接部署在非授权频谱上，系统内不存在授权频谱连接链路，其技术得到MulteFire联盟发布的MulteFireR1.0支持。该方案基于3GPPR13下行链路授权辅助接入LAA和3GPPR14上行链路增强辅助接入eLAA元素构建，支持LTE在非授权频谱中运行时的移动性、分页、初始访问和高效上行控制通道等增强功能，确保高效的语音和高速移动宽带等业务的实现。

目前，可用于LTE-U的非授权频谱主要有3段，即用于工业、科学和医学的2.4GHz频段、非授权国际信息设施5GHz频段，以及最新提出的28～60GHz毫米波频段。考虑到2.4GHz频段被WLAN、蓝牙、ZigBee等无线系统共享使用，频率资源已拥堵不堪，28～60GHz频段存在系统开发物理层和空口复杂、造价高，高频信号空间传输衰耗大、系统组网小基站过多等问题。而在国内，5G频段已经开放了5150～5350MHz和5725～5850MHz两个频段作为无线接入系统的非授权频谱，5470～5725MHz频段的开放工作正在推进中，届时我国5GHz非授权频谱总量将达到580MHz。因此，在城轨应用中，LTE-U选择5GHz频段工作，将有丰富的非授权频谱资源可用，具有较好的应用前景。

在城轨车地无线通信系统中，相比同样采用非授权频谱的其他接入技术，如在网主流应用于信号的基于通信的列车自动控制（communicationbasedtraincontrol，CBTC）和应用于通信的乘客信息系统（passengerinformationsystem，PIS）的无线局域网（wirelesslocalareanetwork，WLAN），LTE-U具有明显的技术优势。

4.1 移动和切换性能优异，支持城轨快线等高速环境

众所周知，在普速线路中，城轨车地无线通信系统大量采用WLAN建网。然而近期各地规划新建的城轨快线速度已达120km/h、140km/h甚至160km/h。通过在高速移动下测试表明，当移动速度在120～160km/h时，WLAN的移动和切换性能出现了明显下降，系统吞吐量下降了40%以上，且会出现不稳定的现象，切换时延常出现100ms以上的大时延，这基本不能满足城轨现有业务对车地无线通信系统切换性能的要求。但LTE-U的移动和切换性能优异，可支持城轨快线等高速（速度达200km/h以上）环境，其终端切换时只需要进行基站间切换而不需要重选入网，切换时延小、业务连续性强，有利于城轨CBTC、行车调度等高可靠性业务数据的有效传输。

4.2 传输时延小，支持高可靠业务

LTE-U继承了LTE在传输时延方面的优势，用户面和控制面已达到毫秒级。低传输时延提供了高可靠业务的支持，满足了城轨高实时性业务的传输需求，与城轨传统车地无线通信系统技术如WLAN等相比具有较大的优势。

4.3 抗干扰能力强

LTE-U抗干扰能力强，系统采用了干扰抑制合并（interferencerejectioncombining，IRC）抗干扰技术，以及小颗粒精细化调度，在20MHz下可调度1200个子载波，子载波间隔为15kHz，避免了WLAN调度颗粒大、子载波间隔较大时一旦受到干扰易导致整个子载波无法调度的缺点，同时LTE-U在干扰下可通过优化算法进行干扰规避。

4.4 覆盖半径大，可维护性强

采用LTETDD技术的LTE-U，具有优异的编解码和抗干扰性能以及良好的信噪比和接收灵敏度，在同等频谱条件下覆盖半径可达到WLAN的2～3倍，可轻松实现城轨车地无线通信系统区间轨旁设备减半的目标，大大提高系统的可维护性，降低系统的运维成本。

4.5 部署灵活方便，可共享现有LTE网络，也可独立建网

LTE-U网络在系统架构上与LTE网络是相同的，仅是末端射频单元工作频率不一致，也是由EPC（evolvedpacketcorenetwork，演进型分组核心网）、eNodeB（evolvedNodeB，演进型NodeB）和UE（userequipment，用户设备）组成，核心网与现有LTE网络共同运营管理，同时适用于授权与非授权频段。在部署LTE-U网络时，可选择共享现有EPC设施，升级现有eNodeB，实现授权频段和非授权频段同时接入，也可选择独立建网；同时，LTE-U基站可以采用传统基站结构和分布式基站结构，采用分布式基站结构时，其eNodeB可根据组网和维护管理需要集中或分散设置，RRU（remoteradiounit，射频拉远单元）根据无线覆盖需要设置在相应区域，部署灵活方便。

4.6 良好的QoS保障

LTE-U基于精细化的分级业务管理，采用与空口资源管理相结合，进行基于QoS的业务分类和优先级调度保障，在多业务综合承载下确保高优先级业务如CBTC、PIS紧急文本、调度语音等的高效传输。

4.7 网络安全性高

网络安全一直是网络建设高度关注的重要事项，城轨车地无线通信系统的网络安全涉及城轨车辆的安全可靠运行，关系到广大群众的切身利益。LTE-U采用专有的技术标准，比采用开放标准的WLAN相比，具有更加私密的安全防范技术体制。LTE-U采用双向鉴权认证、密钥协商、完整性保护等方法增强网络安全，同时支持国产祖冲之加密算法，网络安全性高。

4.8 系统可靠性高

LTE-U采用扁平化组网架构，网络构成简单、高效，冗余组网灵活，且系统设备达到电信级可靠，系统核心网、基站设备的关键板块均可冗余配置，与WLAN系统设备相比，LTE-U设备的可靠性得到了数量级的提升，采用LTE-U的城轨车地无线通信系统的系统可靠性高。

为验证LTE-U网络对城轨PIS及CCTV等宽带业务的承载支持能力，获取LTE-U网络在城轨应用的全面、准确的技术数据，给城轨项目车地无线通信系统设计技术选型提供有益的借鉴，对LTE-U网络在城轨中的应用进行了测试。众所周知，在电信运营商LTE网络中，授权频段的多载波聚合早已开通商用，而在非授权频段，电信运营商基于LAA技术方案的LTE-U网络已于2017年2月在土耳其成功开通商用，实现了三载波聚合。结合城轨授权频谱获取现状、城轨业务需求及LTE-U技术发展情况，对Standalone技术方案的LTE-U应用测试研究就显得更加必要和紧迫。目前，各城轨线路基本都能申请到CBTC业务所需的授权频谱，因此基于Standalone技术方案的LTE-U加载CBTC业务测试只选择在普速线路上进行，以便为全业务综合承载网络建设提供借鉴。

5.1 实验室测试

在实验室，搭建了一套5.8GHz频段LTE-U车地无线通信系统测试网络，主要包括核心网、基站和TAU（trainaccessunit，列车接入单元）。测试工具采用Ixchariot，安装在业务服务器和业务客户端上，通过信道模拟器和可编程衰减器来仿真环境，模拟现场无线信道特性测试LTE-U网络车地通信能力。业务模型采用2路2Mbit/s的视频监控（CCTV）系统业务和1路8Mbit/s的PIS业务，其中CCTV业务数据包采用RTP协议，大小为1400bytes；PIS业务数据包采用RTP协议，大小为1400bytes。开启测试软件，加载业务，动态120km/h、140km/h、160km/h速度，结果表明：高速运行下，传输时延平均13～45ms，最大276ms；上下行丢包率小于0.8%；切换时延平均58～74ms，最大321ms，切换成功率100%。在典型速度下，上下行子帧配比3︰1时，20MHz、40MHz频谱车地无线通信系统的上行、下行吞吐量如图2～3所示，其中测试40MHz吞吐量时采用RRU分裂为两个20MHz带宽的小区方式进行测试。

图2 20MHz速度-吞吐量图

图3 40MHz速度-吞吐量图

5.2 普速线路测试

在80km/h城轨线路上进行了LTE-U车地无线通信系统的实际应用测试。LTE-U系统采用5.8GHz频段20MHzA、B双网冗余组网。A网承载CBTC业务，B网综合承载CBTC业务、CCTV业务和PIS业务等。开启测试工具Ixchariot，加载4路4Mbit/s的CCTV业务、1路6Mbit/s的PIS业务和256kbit/s的CBTC业务，CCTV和PIS业务数据包协议、大小与实验室测试相同，而CBTC业务数据包采用UDP协议，大小为400bytes。通过实际线路测试表明：A网传输时延平均13ms，最大146ms；上下行丢包率小于0.177%；切换时延平均48ms，最大85ms，切换成功率100%。B网传输时延平均10～21ms，最大135ms；上下行丢包率小于0.116%；切换时延平均56ms，最大88ms，切换成功率100%。在上下行子帧配比3︰1时，A网上行平均吞吐量32.3Mbit/s，下行平均吞吐量27.1Mbit/s；B网上行平均吞吐量34.0Mbit/s，下行平均吞吐量27.5Mbit/s。

5.3 高速线路测试

在200km/h客运专线铁路线上，选择列车运行速度在80～170km/h作为高速线路测试段，搭建了一套5.8GHz频段20MHz的LTE-U车地无线通信系统测试网络，测试网络的车载TAU、天线、摄像机、业务终端等设置在CRH1型动车组车厢客室内。开启测试工具Ixchariot，加载2路2Mbit/s的CCTV业务和1路6Mbit/s的PIS业务，各业务数据包协议、大小与实验室测试相同。通过高速实际线路测试表明：传输时延平均24～38ms，最大167ms；上下行丢包率小于0.21%；切换时延平均61ms，最大307ms，切换成功率100%。在上下行子帧配比3︰1时，网络上行平均吞吐量16.5Mbit/s，下行平均吞吐量11.5Mbit/s。

6.1 面临的挑战

从上述研究及测试结果来看，LTE-U在城轨中的应用具有较好的技术及应用优势，但也面临一些挑战，如LAA技术方案的LTE-U车载TAU仍需开发；Standalone技术方案的LTE-U基站和TAU产品现在支持20MHz的小区带宽，而支持多载波聚合的产品仍不成熟，大量非授权频谱资源无法得到充分利用。与此同时，为解决城轨频谱资源与数据传输问题，在城轨中也出现了其他发展迅速的无线通信技术，如可在5GHz频段工作的增强型超高吞吐（enhancedultra-Highthroughput，EUHT）技术，采用该技术的系统网络已在城轨中进行了实际线路测试及初步应用，满足城轨PIS和CCTV业务的需求，该技术将对LTE-U在城轨的应用及推广构成竞争和挑战。

6.2 部署建议

结合LTE-U技术、产品的发展水平以及城轨业务应用需求，对城轨部署LTE-U建议如下。

LTE-U技术作为3GPP、MulteFire联盟支持的新技术，将LTE的优势拓展到了非授权频段，有效地缓解了授权频谱资源与大数据传输需求的矛盾，在电信运营商网络中已得到了广泛应用，但在企业专网领域，尤其是在城轨中的应用仍属于初期研究试用阶段，还有部分技术问题需要解决，但从目前的研究及应用来看，通过产业链上下游的共同努力，LTE-U技术在城轨中的应用前景广阔。通过对LTE-U在城轨中的应用及测试研究，希望对LTE-U在城轨的应用和发展、城轨车地无线通信系统设计有借鉴和指导意义。