TD—LTE網(wǎng)絡(luò)在鐵路貨場(chǎng)中的應(yīng)用

張昊

【摘要】將TD-LTE網(wǎng)絡(luò)引入鐵路貨場(chǎng)，以達(dá)到提高作業(yè)效率的目的。本文以在建的沙良貨場(chǎng)為例，通過(guò)對(duì)WLAN系統(tǒng)及TD-LTE系統(tǒng)方案的討論，對(duì)比各個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，利用LTE系統(tǒng)級(jí)仿真，論證了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的可行性。

【關(guān)鍵詞】鐵路貨場(chǎng) TD-LTE WLAN 系統(tǒng)級(jí)仿真

一、引言

近年來(lái)，鐵路貨運(yùn)業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，各地區(qū)開(kāi)始了鐵路物流園區(qū)及貨運(yùn)車(chē)站的建設(shè)熱潮。同時(shí)，隨著鐵路貨場(chǎng)場(chǎng)區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，管理難度成倍增加。為了解決大型貨場(chǎng)的管理問(wèn)題，以及確保高效的貨運(yùn)作業(yè)效率，利用信息化、發(fā)展信息化變得尤為迫切。

傳統(tǒng)上，一個(gè)中型貨場(chǎng)作業(yè)的調(diào)度、指揮幾乎全靠人力完成。例如，當(dāng)一輛拉著集裝箱的卡車(chē)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)之后，作業(yè)人員首先需根據(jù)集裝箱箱號(hào)查詢?cè)撥?chē)的裝卸作業(yè)地點(diǎn)，通過(guò)告知司機(jī)、路標(biāo)引導(dǎo)該車(chē)去往相應(yīng)位置完成裝卸作業(yè)，往往由于司機(jī)對(duì)于場(chǎng)區(qū)的不熟悉，以及裝卸流程銜接的不緊密，作業(yè)效率十分低下。

隨著信息化產(chǎn)業(yè)不斷深入發(fā)展，部分大型貨運(yùn)站、物流園區(qū)引入了WLAN系統(tǒng)，通過(guò)在場(chǎng)區(qū)內(nèi)布置WLAN熱點(diǎn)，并為集卡車(chē)輛配置車(chē)載終端，為作業(yè)人員配置手持終端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，圖形化的引導(dǎo)司機(jī)行駛，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下達(dá)調(diào)度命令，使得作業(yè)銜接更加緊密，以達(dá)到提高作業(yè)效率的目的。

然而，WLAN系統(tǒng)的建設(shè)有著其致命的弱點(diǎn)，即土建工程耗費(fèi)巨大。由于WLAN熱點(diǎn)覆蓋范圍較小，需要在場(chǎng)區(qū)內(nèi)星形撒布大量AP，光纜的敷設(shè)、電桿的樹(shù)立不可避免。對(duì)于一些已建成的場(chǎng)區(qū)，當(dāng)需引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋時(shí)，往往由于無(wú)施工條件而不得不放棄。

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日臻成熟的今天，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)因其較高的頻譜利用率，較強(qiáng)的抗干擾性能，以及相對(duì)簡(jiǎn)單的工程，越來(lái)越受到人們的歡迎。因此，將TD-LTE網(wǎng)絡(luò)引入鐵路貨場(chǎng)或物流園區(qū)，是有必要且有著顯而易見(jiàn)優(yōu)勢(shì)的。

二、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)概述

LTE（Long Term Evolution）由第三代數(shù)字通信3G演進(jìn)發(fā)展，并對(duì)3G的空中接入網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。在20MHz頻譜帶寬下行峰值速率可達(dá)到lOOMbps、上行速度可達(dá)到50Mbps。LTE按照傳輸方式的不同，可分為T(mén)DD和FDD兩種雙工方式，即分為T(mén)DD LTE（即TD-LTE）和FDD LTE。TD-LTE采用正交頻分復(fù)用OFDM傳輸方式和多輸入多輸出MIMO技術(shù)，從而提高小區(qū)容量，降低了系統(tǒng)延遲。

三、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在沙良貨場(chǎng)中的應(yīng)用

沙良貨場(chǎng)位于呼和浩特市賽罕區(qū)黃合少鎮(zhèn)沙良村，項(xiàng)目北側(cè)為沙良車(chē)站和既有鐵路，西側(cè)為道路和農(nóng)田，南側(cè)、東側(cè)為農(nóng)田。主要建設(shè)內(nèi)容為1個(gè)整車(chē)作業(yè)區(qū)、1個(gè)集裝箱作業(yè)區(qū)、1個(gè)大長(zhǎng)笨作業(yè)區(qū)及1個(gè)特貨作業(yè)區(qū)，貨場(chǎng)共建設(shè)設(shè)4個(gè)線束8條裝卸線，車(chē)站新建到發(fā)線11條。根據(jù)地區(qū)貨源調(diào)查分析及呼和浩特地區(qū)鐵路集疏運(yùn)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃，沙良貨場(chǎng)今后貨物集疏運(yùn)品主要為乳制品、集裝箱以及特貨、快貨及生活物資等，規(guī)劃近遠(yuǎn)期到發(fā)貨運(yùn)量將達(dá)到550萬(wàn)噸，遠(yuǎn)期將達(dá)到1040萬(wàn)噸。本工程投資估算總額為9.54億元，占地1830畝。

沙良貨場(chǎng)衛(wèi)星圖俯瞰如圖1所示，該貨場(chǎng)近似于一個(gè)長(zhǎng)邊1700m、短邊1300m、高400m的等腰梯形。按照一般TD-LTE基站覆蓋范圍3km考慮，如需在場(chǎng)區(qū)內(nèi)完全覆蓋網(wǎng)絡(luò)僅僅需要一個(gè)基站。即使考慮到在新建沙良貨場(chǎng)南側(cè)還規(guī)劃建設(shè)有大面積的物流園區(qū)，一個(gè)TD-LTE基站基本上滿足了近期網(wǎng)絡(luò)的需求。

假設(shè)TD-LTE基站位于梯形短邊的中心線上，我們將通過(guò)系統(tǒng)仿真論證小區(qū)內(nèi)某用戶的平均吞吐量。

系統(tǒng)級(jí)仿真是解決LTE網(wǎng)絡(luò)模擬仿真的最有效手段之一，系統(tǒng)級(jí)仿真依賴于鏈路級(jí)仿真結(jié)果，通過(guò)將整個(gè)LTE系統(tǒng)以及各個(gè)鏈路的仿真集成于一個(gè)平臺(tái)，通過(guò)將整個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程精確到TTI中的仿真，達(dá)到模擬整個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)的效果。在本案例的模擬中，通過(guò)計(jì)算小區(qū)內(nèi)隨機(jī)撒布的20個(gè)點(diǎn)在每個(gè)TTI中的吞吐量的統(tǒng)計(jì)平均，來(lái)得到整個(gè)LTE小區(qū)中各個(gè)點(diǎn)的平均吞吐量。其中每個(gè)點(diǎn)稱(chēng)之為drop。仿真參數(shù)如表所示。

利用MATLAB繪制小區(qū)內(nèi)各drop點(diǎn)的平均吞吐量如圖2所示。從圖中可以看出，在距離小區(qū)中心500m的范圍內(nèi)，用戶的平均吞吐量大于50Mbps，距離小區(qū)中心lOOOm的范圍內(nèi)，用戶吞吐量大于25Mbps。

在沙良貨場(chǎng)中，大部分的作業(yè)區(qū)域處于距離小區(qū)中心500m的位置，通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，TD-LTE應(yīng)用于沙良貨場(chǎng)建設(shè)是十分具有可行性的。

四、TD-LTE與WLAN網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比

在沙良貨場(chǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案中，如果采用WLAN技術(shù)，按照一個(gè)AP熱點(diǎn)覆蓋半徑150m考慮，由于需要完全覆蓋，必須使得圓形覆蓋有一定的重疊區(qū)域，則場(chǎng)區(qū)內(nèi)共需建設(shè)AP熱點(diǎn)大約在16-20個(gè)之間。工程量差別的巨大讓TD-LTE方案優(yōu)勢(shì)叫顯

TD-LTE還具有一個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)，即靈活的調(diào)度能力。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)采取中心控制，可靈活設(shè)置不同手持終端的接入優(yōu)先級(jí)別，使得網(wǎng)絡(luò)頻譜的劃分更加科學(xué)，保證重要業(yè)務(wù)的頻譜占有率，也大大提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性，消除了重要調(diào)度命令由于網(wǎng)絡(luò)堵塞而不能及時(shí)下達(dá)的隱患。不僅僅如此，從全局的角度來(lái)講，科學(xué)的調(diào)度使得網(wǎng)絡(luò)資源不會(huì)大量閑置，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中，處于不同位置的AP熱點(diǎn)往往承載著截然不同的網(wǎng)絡(luò)壓力，例如在作業(yè)繁忙區(qū)域，AP熱點(diǎn)的接入能力不堪重負(fù)，而在部分區(qū)域，僅僅只有極少的業(yè)務(wù)流量，這樣大大降低了頻譜利用效率。

此外，WLAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)于移動(dòng)性的支持相比TD-LTE劣勢(shì)明顯，同樣以沙良貨場(chǎng)為例，一輛集卡車(chē)輛從大門(mén)進(jìn)入開(kāi)始接入WLAN網(wǎng)絡(luò)，直到進(jìn)入集裝箱貨區(qū)，共需經(jīng)過(guò)10個(gè)左右的WLAN覆蓋區(qū)域，這意味著車(chē)載終端共需經(jīng)歷10次左右的硬切換，這并不具備可用性。

不過(guò)，相比于TD-LTE，WLAN網(wǎng)絡(luò)也有其不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如AP設(shè)備價(jià)格低廉，數(shù)據(jù)速率高，終端應(yīng)用成熟等等，WLAN網(wǎng)絡(luò)與TD-LTE是可以共存的，對(duì)于室內(nèi)以及作業(yè)量較大的區(qū)域，WLAN網(wǎng)絡(luò)可以視作TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充。

五、結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)沙良貨場(chǎng)的工程實(shí)踐分析，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬仿真，可以發(fā)現(xiàn)，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)于在特定區(qū)域下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋具有其他方案不可比擬的優(yōu)勢(shì)。尤其是對(duì)于一些既有的、日常作業(yè)繁忙的鐵路貨場(chǎng)，利用TD-LTE網(wǎng)絡(luò)可以大大提升其作業(yè)效率，并且易于搭建，施工期間不會(huì)影響場(chǎng)區(qū)的正常作業(yè)。

LTE網(wǎng)絡(luò)的能量不僅僅如此，隨著LTE-A的繼續(xù)演進(jìn)，現(xiàn)有TD-LTE網(wǎng)絡(luò)還有巨大的提升空間。尤其是波束賦形、CoMP等技術(shù)，在鐵路場(chǎng)景下有著更好的應(yīng)用前景。