关于 LTE 与 WLAN 技术在城市轨道交通中的应用对比分析

赵 静

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100006）

0 引言

城市轨道交通网络已初具规模，进入网络化阶段，成为了城市公共交通的命脉，在城市运行中发挥着越来越重要的作用。在当前形势下，城市轨道交通运营安全也成为中央和各级地方政府关注的重点。随着地铁行业的发展，用户对列车视频的使用需求更加旺盛，更高清、更多路数的视频使用需求日益迫切，这就需要有更加先进的技术来满足车地视频的应用。在城市轨道交通业务中，乘客信息系统（PIS）和车载视频监控系统（CCTV）是两大需求业务，而制约这两大业务的因素往往出现在车地无线通信系统上。

1 现状

传统城市轨道交通建设中，受技术条件限制，车地无线通信系统使用的是 WLAN 技术，而 WLAN 设备设计上的缺陷造成了 PIS 和车载 CCTV 系统不能很好地满足用户的使用需求。

而新近城市轨道交通建设中，车地无线通信系统开始探索使用 LTE 技术，将 LTE 技术中的特点使用到车地无线通信系统中，可以很好地将新技术融合到老应用中，实现综合业务的使用需求。

2 LTE与WLAN技术应用对比分析

2.1 组网结构对比

车地无线 WLAN 系统组网结构如图1 所示，主要由无线控制器、接口服务器、核心交换机、车地无线传输系统、车站交换机、轨旁 AP（Access Point，无线接入点）、车载 AP 及车载工业交换机等设备组成，其中核心交换机和车载工业交换机分别实现与地面系统和列车系统的对接功能。

车地无线 LTE 系统组网结构如图2 所示，主要由核心网、核心交换机、核心路由器、BBU（Base Band Unit，基带处理单元）、RRU（Radio Remote Unit，射频处理单元）、车载TAU（Train Access Unit，列车接入单元）及车载交换机等设备组成，其中核心路由器和车载交换机设备分别实现与地面系统和列车系统的对接功能。

图1 车地无线 WLAN 系统组网图

图2 车地无线 LTE 系统组网图

2.2 高速移动性对比

WLAN 系统最初设计是为提供热点覆盖，为用户提供短距离、低速移动状态下的无线接入服务。WLAN 系统越区切换能力较差，在不同小区切换过程中，丢包率、切换时延、吞吐率等性能都会下降，传输能力受移动速度影响非常大。目前城市轨道交通 WLAN 系统采用 IEEE 802.11n 技术标准，在 2.4 GHz/5 GHz 载频、高于 80km/h运行速度的情况下，在动态切换过程中存在带宽衰减严重的情况。

在标准定义中，时速120 km/h 以下为低速应用场景，120～350 km/h 为高速应用场景。LTE 系统定位为满足高速移动场景下的宽带无线接入系统，为此LTE系统采用了 AFC（Automatic Frequency Control，自动频率控制）、RRU 共小区、基于频偏的切换技术，增强了高速移动场景下的处理能力。

为了对抗高速情形下的多普勒效应，LTE 系统基站接收机采用了 AFC 技术进行频率纠偏。基站接收机的增强 AFC 技术可以通过快速测算高速带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳定性，从而提高解调性能。测试证明，基站通过采用 RACH（Random Access Channel，随机接入信道）的 AFC 性能、RACH 消息解调的 AFC 性能，可使频移性能损失小于 0.5～14 dB，有效提高了 RACH 信道的前导检测性能和消息解调性能。

LTE 系统采用越区切换设计，移动终端设备无线接入LTE 网络后，下发信号强度检测测量消息，根据报告消息触发切换动作，使移动终端设备从原先小区切换到信号强度较好的小区，做到越区切换。

2.3 抗干扰能力对比

随着宽带互联网技术的普及，2.4 GHz 共用频段的WLAN 用户数量激增，干扰源日益复杂。城市轨道交通中继续使用 WLAN 技术承载车地无线业务，易受外界干扰，加之缺乏有效的抗干扰机制，使用户使用安全性降低。

而 LTE 系统使用 1.8 GHz 专用频段可以规避外界的干扰，同时 LTE 系统中采用 ICIC（Inter-Cell Interference Coordination，小区干扰协调），IRC（Interference Rejection Combining，干扰抑制合并）等专业技术可以有效降低系统内同频干扰，使用户使用安全性大大提升。

LTE 系统中 ICIC 小区间干扰消除技术是降低 LTE 小区间干扰的重要手段。ICIC 包括 SFR（Soft Frequency Reuse，软频率复用）和 FFR（Fractional Frequency Reuse，部分频率复用）。通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区资源使用和负载等情况进行的多小区无线资源管理功能。具体而言，ICIC 以小区间协调的方式对各个小区无线资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率。

IRC 算法同时考虑了干扰和噪声的影响，适用于存在空间有色干扰的场景，可以获得干扰消除的增益，即 IRC 在干扰场景下可以获得更好的性能。

2.4 系统稳定性对比

WLAN 系统在城市轨道交通沿线设备部署密集，链路设计复杂，维护困难；同时，WLAN 技术缺乏有效的 QoS（Quality of Service，业务质量）保障机制，在覆盖较差的区域很难有效满足重要业务的使用需求。

LTE 系统隧道内设备部署少，链路设计简单，系统稳定可靠，降低了维护难度；同时，LTE 技术中有多级 QoS 算法保障机制，可以在覆盖较差的区域有效保证重要业务的使用。

在 LTE 系统中每个承载都有相应的 QoS 参数 QCI（QoS Class Identi fi er， QoS 标度值）和 ARP（Allocation and Retention Priority，分配和保留优先级），这些参数定义了不同的 QoS 保障策略。LTE 无线网络可以将不同的传输业务映射至专用承载，并根据业务传输质量要求定义配套的 QCI 和 ARP。

根据综合业务承载中不同业务的要求，结合 LTE 对优先级和服务质量分类，将各业务的优先级和服务质量（包括数据延时和数据丢包率）定义如表1 所示。

一个业务承载要经过不同的网元和接口，业务承载在每个接口上会映射到不同的底层承载，每个网络节点负责维护底层承载的标识以及相互之间的绑定关系。对于城市轨道交通车载 PIS 和车载 CCTV 的实际业务，可以通过 IP 地址、端口区分不同的业务。

表1 QoS 设置表

3 LTE 系统在工程应用方面的优势

LTE 技术较 WLAN 技术有很大的改进，在工程应用方面也有非常大的优势。首先，LTE 可满足综合承载使用需求，将多个业务统一到一个车地通信系统中，有效节省投资；其次，LTE 系统组网简洁，区间设备部署少，可以简化施工，提高施工单位的工作效率；最后，LTE 系统调试简单，可以大大缩短调试工期，为城市轨道交通后续其他系统的调试工作节省时间。

4 LTE 系统存在的问题

LTE 系统作为在城市轨道交通应用中的新型技术，在应用过程中也暴露出一些缺点。首先，目前城市轨道交通行业获得的无线电委员会批复的频率资源最多为20mHz 带宽，有些城市地上部分只有 10mHz 带宽。受频率资源的限制，LTE 系统很难提供更大的数据传输速率，不能更好地服务于列车视频业务。另外，LTE 系统区间设备覆盖半径尽管较 WLAN 系统有所增加，但是仍然在 1km 范围内，这样在很多大长区间环境下应用不便，列车提速后需要在多个小区间频繁切换。

5 LTE 系统的应用前景及开发方向

LTE 系统引入了 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和 MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，并支持多种带宽分配， 在 20mHz 频谱带宽条件下能够提供下行100 Mbps、上行 50mbps 的峰值速率，可以满足多监控终端的上传数据需求。根据 LTE 技术特点，可综合承载信号控制 CBTC 业务、集群调度业务、紧急文本下发、PIS 及车载 CCTV 业务。

6 结束语

LTE 技术较 WLAN 技术有非常大的改进，可最大限度保证丢包率、切换时延、吞吐率等性能稳定，并具有高带宽，可以更好地适应高速运动场景，同时安全机制和抗干扰技术可以保证无线数据业务的安全可靠传输。随着无线通信技术的不断成熟和发展，国内基于 LTE 无线通信技术的城市轨道交通线路已有多条顺利开通，且多为综合承载业务，为 LTE 技术在城市轨道交通中的应用提供了很好的典型范例，而 LTE 的技术优势也为城市轨道交通提供了强有力的保障。因此， LTE 技术应用于城市轨道交通是行业的发展趋势。

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