LTE技术在全自动驾驶中的应用

海燕

摘要：当前LTE技术在地铁中应用越来越广泛，本文论述了LTE技术在地铁车地无线通信中的应用，重点阐述了在全自动驾驶模式下LTE系统的组网及业务承载等，并展望了LTE技术未来在地铁中的发展。

关键词：LTE技术、全自动驾驶模式、综合承载

随着地铁的不断发展，列车驾驶模式也在不断革新，自2017年北京燕房线开通以来，全自动驾驶模式逐渐在中国多个城市铺展开来，地铁迎来智能新时代。地铁车地无线通信网是地铁整体网络中至关重要的一部分，主要承担信号CBTC（Communication Based Train Control System）、车辆TCMS（Train Control and Monitoring System）、车载PIS（Passenger Information System）、车载CCTV（Closed Circuit Television）及列车无线通信等多个车地无线通信业务，稳定与否将直接影响行车安全。本文以南京地铁7号线为例，深入研究在全自动驾驶模式下LTE技术的应用。

一、车地无线通信网的发展

传统的车地无线通信网是由三套独立的网络构成，分别为一套无线集群语音通信网络，一套具备网络冗余的CBTC网络及一套集成车载PIS、车载CCTV和车况信息等的网络。其中无线集群语音通信网由 800MHz的Tetra数字集群技术实现，CBTC网络主要采用2.4GHz的WLAN技术实现车地无线通信，最后一套集成网络则主要采用2.4Hz的WLAN技术和DVB-T 技术实现。

三套网络中除了Tetra技术相对成熟稳定外，2.4GHz开放频段的WLAN技术因为设计初衷不同和工作在ISM频段等原因，存在高速通信限制，发射功率限制、多业务无法设置优先级、存在无线干扰等问题，而随着地铁的快速发展，地铁运行势必达到更高的速度，同时人们对信息、语音、视频数据的连续性要求也不断的提高。为了满足上述要求，LTE技术逐渐引入到地铁车地无线通信网络中，同时LTE技术的还具有高带宽特点，20MHz 频宽下能够提供下行 100M/s 与上行 50Mb/s 的峰值速率 ，可以实现车地无线网络综合承载功能。该技术成熟度相对较高，目前已在南京、上海、郑州、杭州、苏州等城市地铁中应用，承载不同程度的车地无线业务。

二、LTE技术特点

LTE 采用了OFDM、MIMO、HARQ等先进技术，有效提高了数据传输速率、频谱效率和抗干扰能力，是一种先进的无线通信技术，可提供综合承载业务的不同优先级及信息的高速移动性支持，并通过QOS机制和抗干扰技术保证无线业务的安全可靠传输。

（1）服务质量和优先级设置

在LTE系统中，根据业务重要性不同及对实时数据连续性的要求有高低，可根据业务属性对其进行优先级划分。在车地无线通信业务中，CBTC业务对分组数据时延和分组数据丢包率要求较高，同时CBTC业务属于列车控制业务，关乎行车安全，所以可将其优先级等级设为最高优先级。集群通信业务是为保障司机与调度之间通信，对分组数据时延要求较高，而对数据丢包率要求较低，可将其设为次最高优先级。其他业务如视频监控业务流、实时紧急通信业务、PIS业务等均可根据业务属性和服务质量要求的高低进行优先级划分，进而确保系统中所有业务完整、可靠的传输。

（2）QOS保障机制

LTE系统可灵活的根据不同的业务定义不同的QOS保障方案，同时相同承载上面的所有数据流量均可获得QOS保障，相反不同承载则获得不同的QOS保障。此外，根据用户签约时默认的QOS等级可建立一个默认的承载，从而保证业务的初始传输时具有更短的时延。

（3）抗干扰性

根据 2015 年 2 月工业和信息化部《关于重新发布 1785-1805MHz 频段无线接入系统频率使用事宜的通知 》（ 工信部无[2015]65 号）的规定，将1785-1805MHz频段用于城市轨道交通LTE相关业务承载和实验，同时LTE系统在地铁中组网普遍采用A/B双网结构，那么在实际应用中LTE存在系统内干扰和系统间干扰。

1、系统内干扰

系统内干扰主要分为A/B双网间干扰和小区同频干扰，其中当A/B 双网异频组网时，若两个网络频段相邻，且发射和接收不同步，则会由于杂散和阻塞的原因互相产生干扰，进而影响网络性能，该干扰可通过设定时隙配比和保证双网时钟同步的方式来解决。若采用同频组网，则会存在处于小区边缘的用户下行业务受到邻区导频和业务的干扰，进而导致信噪比较低影响下行吞吐量。可通过优化参数提升信道功率、修改切换参数使用户尽早切换小区等方式来解决。

2、系统间干扰

LTE 系统与其他系统之间的干扰主要包含与 800MHz专用无线通信系统、350 MHz 警用无线通信系统、运营商多制式无线系统之间的干扰及电力无线系统之间的干扰。其中与800MHz专用无线通信系统及350 MHz 警用无线通信系统之间的干扰，由于频率隔离度较大，因此干扰基本为零。而与运营商之间的无线干扰，因为最接近的是 DCS 系统下行频率1815- 1830MHz，DCS系统允许的带内阻塞为-35dbm，满足干扰容限要求。最后与电力无线系统之间的干扰，因为电力无线系统与LTE系统共享1785-1805MHz频率资源，使用过程中仅影响地上无线覆盖，可通过避免设置相同频点的方式解决干扰问题。

總体来说，LTE技术具有系统稳定性强、抗干扰性好、权限划分明确、保障机制全面等特点，能够满足地铁车地无线通信网络的要求 。

三、全自动驾驶模式下的LTE系统组网

当地铁运行在ATO模式下，LTE系统一般采用A/B双网冗余配置结构，A/B双网设在一个控制中心，A网主要承载信号CBTC业务，B网则作为其他业务的综合承载平台，负责承担车辆TCMS、车载PIS、车载CCTV、车地紧急通信及列车无线通信等多个车地无线通信业务，双网并行传输数据。而当地铁运行在全自动驾驶的UTO模式下时，则需进一步考虑车地无线网络的稳定性和可靠性，为了系统更加有保障，LTE系统同样采用A/B双网冗余配置，同时在对B网再次冗余备份，形成多级防控保障机制。此外，采用主备控制中心热备机制，将A/B网设在不同的控制中心，在物理层面上提升系统的安全性。

业务分配方面，A网仍然单独承载信号CBTC业务，B网则作为所有车地无线业务的综合承载平台，这样，即使A网或B网出现突发故障停止运行，车地无线业务均不会受到影响。业务带宽分配方面，以南京地铁7号线为例，该线路采用LTE-M规范定义的1.8GHz频段（1785-1805MHz），频宽20MHz，以每个RRU小区最多6列车进行考虑，根据各业务带宽需求，具体分配方式如下表：

在全自动驾驶模式下， LTE系统A 网 承 载 CBTC 业 务 上 下 行 带 宽 各 3Mbps，需要 5MHz 频宽 ;B网在边缘情况下也可满足：CBTC（3Mbps）+列车运行管理（624kbps）+集群语音（640kbps）+CCTV视频监控（4Mbps）+紧急呼叫视频（3Mbps）的业务需求。在极限情况下，6列车同时处于小区边缘，LTE系统将会采用QoS机制优先保证信号CBTC和集群无线通信业务的正常运行。

四、结论

综上所述，我们可以看到LTE技术在地铁中的应用已比较成熟，可满足在高速移动的地铁列车上高质量的传输数据信息。同时在全自动驾驶模式下，LTE系统能更好的匹配列车对数据稳定性、运行安全性、优先选择权的要求。在后续的发展中，我们还可进一步考虑LTE系统在地铁中的整体布局，形成以各线路控制中心为单位的主干网互联网络，最终形成LTE网络化布局结构，实现地铁全线网的互联互通。

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