LTE與WLAN技術(shù)在軌道交通PIS系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)比

寧貝貝

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

1 概述

軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS系統(tǒng)）車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)作為控制中心與車載信息的通信橋梁，車載設(shè)備可通過(guò)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)通道接收中心下發(fā)內(nèi)容并在列車LCD顯示屏上實(shí)時(shí)播放；同時(shí)車載設(shè)備還可通過(guò)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)通道將列車監(jiān)視圖像傳遞到OCC供相關(guān)系統(tǒng)選擇調(diào)看。McWill技術(shù)產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈小，且其中繼放大設(shè)備目前尚無(wú)相關(guān)應(yīng)用。近年來(lái)WLAN及LTE技術(shù)在軌道交通車地?zé)o線領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，且均有多條國(guó)內(nèi)地鐵開(kāi)通案例。本文針對(duì)車地?zé)o線系統(tǒng)中WLAN與LTE技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)具體項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例對(duì)兩種技術(shù)做進(jìn)一步研究。

2 LTE與WLAN技術(shù)應(yīng)用對(duì)比

2.1 LTE系統(tǒng)

（1）LTE系統(tǒng)在軌道交通應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。LTE系統(tǒng)滿足綜合業(yè)務(wù)傳輸需求，可將多業(yè)務(wù)統(tǒng)一到一個(gè)車地?zé)o線系統(tǒng)從而有效節(jié)約投資；LTE系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，區(qū)間設(shè)備部署較WLAN系統(tǒng)更少，簡(jiǎn)化施工提高施工效率；LTE系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單，可縮短調(diào)試工期。

（2）LTE系統(tǒng)存在問(wèn)題。目前在軌道交通行業(yè)中，各地?zé)o委會(huì)批復(fù)頻率資源有限，最多20M帶寬。受頻率資源制約，LTE系統(tǒng)很難提供更大數(shù)據(jù)傳輸速率，尤其對(duì)于PIS系統(tǒng)若帶寬需求量大時(shí)，無(wú)法提供相應(yīng)帶寬承載需求。

2.2 WLAN系統(tǒng)

基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段在2.4G/5.8GHz的WLAN技術(shù)目前在軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。尤其在802.11ac標(biāo)準(zhǔn)頒布后，通過(guò)帶寬（最高160MHz）、空間流數(shù)（最高4條）和調(diào)制方式等方面的改善，可以支持更高的性能。802.11標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過(guò)程如下圖所示：

（1）WLAN系統(tǒng)在軌道交通應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。在軌道交通領(lǐng)域，WLAN系統(tǒng)支持2.4GHz/5.1GHz/ 5.8GHz無(wú)線頻段，且工作在ISM頻段（公用頻率），因此頻率使用只需進(jìn)行報(bào)備，無(wú)需專項(xiàng)申請(qǐng)；目前802.11ac采用最高至256-QAM的調(diào)整方式，理論上在160MHz的無(wú)線頻率資源，靜止?fàn)顟B(tài)可提供不小于1Gbit/s的傳輸速率，業(yè)務(wù)的帶寬支持能力較802.11n更強(qiáng)；此外，802.11ac較802.11n工作在5GHz頻段，WLAN網(wǎng)絡(luò)避開(kāi)了繁忙的2.4GHz頻段，減少了WLAN設(shè)備相互間的干擾，從而提高WLAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力及穩(wěn)定性。

（2）WLAN系 統(tǒng) 存 在 問(wèn) 題。目 前WLAN系 統(tǒng)802.11ac只有在基礎(chǔ)設(shè)施能夠支撐的情況下才能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)性能。雖然從理論上來(lái)看802.11ac能夠提供高達(dá)1Gbps的傳輸速率，但是必須有強(qiáng)大的硬件來(lái)支持它傳輸，這就顯著增加了設(shè)備的復(fù)雜性。

3 PIS系統(tǒng)車地?zé)o線實(shí)際應(yīng)用中的方案選擇

以西安地鐵5號(hào)線工程為例，基于既有4號(hào)線PIS系統(tǒng)車載信息通過(guò)LTE綜合承載網(wǎng)絡(luò)上傳的設(shè)計(jì)思路，5號(hào)線PIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初車地傳輸方案也利用LTE綜合承載。

3.1 既有4號(hào)線PIS車地?zé)o線傳輸方案

既有4號(hào)線為全地下站，車地傳輸采用的LTE綜合承載無(wú)委最終批復(fù)20M帶寬。LTE車地系統(tǒng)采用A/B雙網(wǎng)設(shè)計(jì)。A網(wǎng)使用15MHz系統(tǒng)帶寬同頻組網(wǎng)，綜合承載信號(hào)CBTC、列車緊急文本、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息、IMS視頻監(jiān)控、PIS視頻業(yè)務(wù)、集群調(diào)度（預(yù)留）。B網(wǎng)使用5MHz單獨(dú)承載信號(hào)CBTC。其中PIS信息承載由列車緊急文本下發(fā)、車載PIS流媒體直播業(yè)務(wù)、車載CCTV監(jiān)控上傳業(yè)務(wù)三部分組成。每個(gè)RRU小區(qū)的無(wú)線接入網(wǎng)容量按6列車設(shè)計(jì)，A網(wǎng)每個(gè)小區(qū)列車緊急文本信息承載帶寬為下行60kbps。PIS流媒體直播業(yè)務(wù)采用組播方式下發(fā)720P以上碼流，數(shù)據(jù)傳輸碼率為6Mbps～8Mbps。每列車車載CCTV可至少上傳2路圖像至控制中心，監(jiān)視圖像分辨率不低于D1，采用MPEG-4或H.264編碼方式，每路圖像的傳輸碼率為1Mbps～2Mbps。4號(hào)線正線A/B網(wǎng)承載帶寬，在每個(gè)小區(qū)極限6列車情況下，業(yè)務(wù)帶寬需求見(jiàn)表1。

表1 A/B網(wǎng)承載業(yè)務(wù)帶寬表

A網(wǎng)采用15MHz頻率組網(wǎng)，正常情況下，系統(tǒng)可以達(dá)到理論峰值下行29.46Mbps；上行16.07Mbps。4號(hào)線15MHz頻率組網(wǎng)可滿足綜合承載帶寬需求。

3.2 5號(hào)線PIS車地?zé)o線傳輸方案選擇

5號(hào)線工程鑒于全線高架站多，因此在申請(qǐng)LTE頻段時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到20MHz頻寬，根據(jù)目前與無(wú)委溝通，5號(hào)線可申請(qǐng)到的LTE系統(tǒng)帶寬最大為15MHz。15M帶寬條件下根據(jù)LTE-M規(guī)范LTE系統(tǒng)組建A、B雙網(wǎng)按照10+5或10+3組網(wǎng)，即用于綜合承載的A網(wǎng)可分配最大帶寬為10MHz。

（1）采用10MHz頻率組網(wǎng)速率分析

目前國(guó)內(nèi)主要LTE生產(chǎn)設(shè)備廠商包括華為、中興、武漢智慧地鐵（烽火）等。采用10M組網(wǎng)時(shí)華為實(shí)測(cè)上行平均速率11Mbps，上行邊緣速率7Mbps，下行平均速率25Mbps，下行邊緣速率7Mbps；中興上行平均速率8Mbps，上行邊緣速率5Mbps，下行平均速率13Mbps，下行邊緣速率8Mbps；烽火上行峰值速率10Mbps，上行邊緣速率2～4Mbps，下行峰值速率20Mbps，下行邊緣速率3～5Mbps。對(duì)比分析上述廠家實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后，10M組網(wǎng)時(shí)速率上行為5～8Mbps，下行7～13Mbps。

（2）5號(hào)線PIS業(yè)務(wù)帶寬需求

5號(hào)線每列車車載CCTV可至少上傳2路圖像至控制中心，車載CCTV監(jiān)視攝像機(jī)采用全高清1080P（1920×1080），編碼方式為H.265，每路圖像的傳輸碼率為不大于4Mbps。

（3）5號(hào)線PIS車地傳輸技術(shù)方案選擇

按照5號(hào)線PIS業(yè)務(wù)帶寬需求，即使車載CCTV監(jiān)視圖像在H.265編碼方式下壓縮至2Mbps，車地通信綜合承載A網(wǎng)提供的速率最大8Mbps，實(shí)際需求業(yè)務(wù)帶寬≥8.7Mbps超出承載能力，采用10M組網(wǎng)的LTE系統(tǒng)無(wú)法滿足PIS系統(tǒng)綜合承載需求。鑒于5號(hào)線工程實(shí)際情況，5號(hào)線采用WLAN802.11ac技術(shù)。根據(jù)寧波地鐵WLAN802.11ac測(cè)試結(jié)果，車輛以80km/h正常運(yùn)行時(shí)，軌旁AP采用40Mhz頻寬，車地鏈路的穩(wěn)定運(yùn)行帶寬吞吐量大于120Mbps；軌旁AP采用80Mhz頻寬，車地鏈路的穩(wěn)定運(yùn)行帶寬吞吐量大于180Mbps。5號(hào)線采用WLAN802.11ac能夠提供更高更穩(wěn)定帶寬，不僅能夠滿足當(dāng)前PIS業(yè)務(wù)需求，也能滿足其他車地業(yè)務(wù)承載。

4 結(jié)束語(yǔ)

LTE與WLAN技術(shù)在PIS系統(tǒng)車地?zé)o線方案中各有優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際工程項(xiàng)目中，PIS車地?zé)o線傳輸?shù)倪x擇需結(jié)合當(dāng)?shù)責(zé)o委批復(fù)的使用頻寬，運(yùn)營(yíng)部門對(duì)PIS業(yè)務(wù)的需求合理分析選擇?？偟膩?lái)說(shuō)，具備高帶寬提供能力及免費(fèi)頻帶資源的WLAN802.11ac技術(shù)在地鐵PIS車地?zé)o線方案中相對(duì)LTE優(yōu)勢(shì)更明顯。