《LTE技术在城市轨道交通中的应用分析》14000字

LTE技术在城市轨道交通中的应用分析目录TOC\o"1-2"\h\u207581引言 151342选题背景 2219492.1研究现状 2306882.2研究意义 318102.3研究内容 4141023城市轨道交通的系统组成分析 448463.1基于通信技术的列车控制系统 5280743.2乘客信息系统 7155763.3视频监控系统 7293374LTE的技术分析 8253814.1LTE技术发展史 8105014.2无线局域网络 9271434.3超高速无线通信技术 990994.4LTE长期演变通信技术 1092384.4LTE技术的优势 13294775LTE技术在城市轨道交通系统中的应用分析 14194785.1PIS-LTE无线通信网络构建应用分析 1416225.2CBTC-LTE无线通信网络构建应用分析 155265.3LTE技术在城市轨道交通系统应用新思路 18251976总结与展望 2135606.1总结 2141296.2展望 211引言当前社会整体物质水平的提升也逐渐影响人们形成新的消费观和理念。对于出行工具的乘坐要求也不例外。交通工具的行车速度、运输效率、体验感等各个方面都提出了新的更高的要求。因此，各个城市所面临的交通运输压力也在不断增加。当前城轨交通系统也成为了民众越来越关注的问题，也是发展的首要问题之一[1]。新型网络的潮流已经来袭，一个微信、QQ软件就可以实现文字信息、图片视频、音乐播放等各种功能，让人们不用在家里就可以清清楚楚的了解到外面的一切动态情形。现在在LTE技术之上发展而来5G通信技术也随之在逐步发展成熟，目前已经在华为、OPPO等智能手机中开始投入了生产，开始被人们使用，不仅如此，在航海领域、石油领域基于LTE技术在逐渐再被使用，LTE技术开始被各个领域开始接触和实验运用。LTE技术，可以实现在20MHz的传输带宽下，达到下行100Mbps和上行50Mbps峰值速率的一个技术[2]-[3]，同时它有效地结合了高频带利用率、低干扰、低延时性能的OFDM技术，高速率、高品质的MIMO技术等技术。LTE技术在城轨交通系统中的应用可以更好地解决城市轨道交通中的遇到的时间延迟、网速速率慢、视频画质不清晰等问题，可以进一步解决城市发展所面临的巨大交通压力问题的同时还可以提升城轨交通的环境和乘客乘车的体验感。当前在城市轨道交通系统中，一些无线通信系统板块在采用了LTE技术之后有了很明显的改善和提高，现在国家也正在逐渐把LTE技术在城轨交通中进行普及和推广，旨在打造更大的城轨交通的市场，提高整体城轨系统的运营水准。现在LTE技术在武汉、广州、郑州等一些城市的车地无线通信系统中已经是投入生产并且正在运营，从目前实际应用来看，确实大大改善了车地无线通信系统的信号传输效率以及传输信号的质量，在是时间的延时方面有很大的改进。从当前局势进行分析也可以明显看出，国家现在在城轨交通系统中大力推广采用LTE技术，把LTE技术应用到无线通信系统之中来提高其城轨中的通信质量是十分明智且正确的决定，未来，LTE技术一定会把城轨交通系统带入一个新的发展平台，这对于整个全国城轨交通系统而言都是向前进了很大一步。2选题背景2.1研究现状LTE技术于2009年面世并且在实际生活中运营一来，就一直受到国内外各大应用厂商的关注，也一直推动着LTE技术在不断地发展。现阶段随着LTE技术的发展，其优势性能表现得越来越明显。国内外各大地铁局也开始将LTE技术引进城轨交通系统，借此改进城轨系统中的无线通信系统，提高城轨交通的运行效率。现阶段，从国内外城轨交通系统使用的通信技术来看，大部分还是使用的是无线局域网移动通信技术来进行城轨系统通信网络的构建的。因为它相较于现存的3G通信技术、数字视频广播、GSM-R等移动通信技术的传输宽带而言，有很大的突破。但是LTE通信技术相比较于广泛使用的无线局域网络通信技术在带宽运输方面又有了很大的进步。他可以实现在20MHz的频谱下拥有上行传输速率达到50Mbps和下行传输速率达到100Mbp的状态[4]。随着LTE技术的不断发展，现在该项技术也已经越来越成熟了。鉴于其突出的优势性能特点，很多领域都开始引入该项技术。当今时代，据有关部门统计可知，现在全世界各地已经大约有六百多个的通信运营商厂家们都在把LTE技术融入到一些服务系统之中，并且已经展开了运营状态。据估算，到2021年底应该会完整构建LTE无线网络系统多达1000张，用户者可以达到2亿人口数量。但是，在国内城轨交通系统中将LTE技术的案例并不算很多。比如，现在在我国目前已经基于LTE技术搭建并且在运营的城轨系统郑州地铁一号的车地无线通信系统，长春地铁一号线的城轨系统中PIS-LTE网络的构建，还有北京燕房线路线也是用LTE技术承载了网络系统。现在在武汉、上海、广州等城市也在逐渐将此技术应用于其中来搭建网络系统。2.2研究意义随着当前越来越多的人迁往城镇，从而导致了城市的面积也在不断增大，可能一个城市的东边到一个城市的西边有时候可能会隔着很远的距离，这就要求城轨交通系统能快速高效的运输更多的人流。而且在安全舒适上，运输速度和传输效率上的要求也提高了。因而国家近些年来也是在城市轨道交通中投入了大量的资金来为各个城市修建地铁、有轨电车等项目。截止现在2021年，中国国内已经有接近五十多个城市开通运行了轨道交通，由此可以看出城轨交通已经成为了老百姓生活中的一部分，与人民日常生活联系紧密，成为了当前人们上班上学以及出门游玩过程中的一个必要选项。当前的城轨运营相关部门不应该只局限提升其出行速度方面，而是应该还把高品质服务的运营思维方式作为一个目标，城轨交通的运营模式也将会实现由车辆安全转变为更多地为提高服务质量和运营效率。具有运输量大，运输速度快，高质量等特点的城轨系统是现代城市居民们的必要交通出行方式，当然这也对缓解交通问题具有重要意义。然而，在城轨运营过程中，城轨的通信信号抗干扰能力比较弱，很容易影响城轨的安全运行，严重的时候甚至可能造成交通事故。车地无线通信系统，一个城轨交通系统的核心部分之一，其使用覆盖率十分广泛，此外该通信系统中还大量的使用了无线局域网络。车地无线通信网络之中的无线局域网络大多使用的是公共开放频段的频率，这就是无线局域网的一个十分致命的缺陷。因为其采用的的公共免费通信频段会给车地无线通信系统带来巨大的影响，他很容易收到来自此免费频段的一些民用设备的干扰。另外，速度方面也是采用无线局域网络的城轨交通系统的一个待突破壁垒，限制了其高速运行。前些几年，深圳地铁二号线和五号线就经常会因为采用无线局域网的因素，地铁信号频频受到干扰从而发生了数次紧急制动，影响了大批乘客的正常出行工作生活，乘客都因为此时而不能按时上班、学生不能按时上课，给人们带来了不小的困扰，造成了一定的负面影响[5]。而LTE技术是运行在1785MHZ-1805MHZ的专用频率带，能够周边的缘频率干扰源，抗干扰能力得到了很大幅度地提升。另外LTE技术在城轨交通系统中的应用可以很大程度的提升城市轨道交通的速度、可靠性和服务质量，为用户提供更安全，更快捷的服务。2.3研究内容本课题首先是对当前城市轨道交通系统进行一个客观现状分析，结合LTE技术的高速率、低延时、宽频带等优秀特性，分析研究LTE技术在城轨交通系统中的可适用场景以及方案实施可行性。其次研究分析车地无线通信的几种无线通信技术，着重介绍LTE这项无线通信技术并强调LTE技术相较于其他技术在城市轨道交通系统中应用的优势所在。最后基于LTE技术的车地无线通信技术在长春、兰州、应用案例，深入研究PIS-LTE无线通信网络和CBTC-LTE无线通信网络的构建，说明LTE在各个不同应用场景的优缺点，并对LTE技术在城轨无线通信系统中的应用提出新的思路想法。3城市轨道交通的系统组成分析城市轨道交通的车地无线通信系统主要包括基于通信的列车的控制系统（CBTC）、乘客信息系统（PIS）、视频监控系统（CCTV）等。现将对这三种车地无线通信系统对于LTE技术所需满足的带宽需求进行分析研究[6]。3.1基于通信技术的列车控制系统基于通信技术的列车控制系统（CBTC）的系统构成如下图3.1所示，接下来对其相关重要组成系统一一作出详细的阐述。列车自动监控子系统（ATS）功能可以大致概括为两大类：监督和控制。监督主要体现在他需要实时监控列车的运行信息，其中包括：开发车时刻表，停站时刻表，列车发车地点和停靠地点等，然后通过城轨终端设备的媒介屏幕向行车乘客展示列车相关信息，方便他们完成登记等动作行为。与此同时，控制中心的工作人员和调度人员也根据其监控所反映的情况实时对列车进行调度相关工作，保证列车正常运行。当发生紧急情况的时候控制中心根据监控图像实时迅速的对突发状况作出反应，全方位调配可利用资源，尽可能的减少突发状况所带来的严重损失。控制功能主要体现在列车监控系统根据规定好的列车运行图对列车办理进路相关工作。当列车发生偏离的时候及时的想出对策，把列车引入正确轨道上来运行，避免发生意外事故。列车超速防护子系统（ATP）是主要是保护列车运行安全，防止列车在运行过程中运行到别的列车运行区段或者超速而造成城轨交通事故的一个列车防护系统。它具有三大功能特点。其一，列车定位；它主要是利用ATP系统中的查询应答器和线路区段上的一些定位系统来实时监测列车的运行位置，实现定位效果。其二，速度和距离的测量；列车运行的速度跟列车的运行安全息息相关，ATP系统可以利用其测速和距离测量的功能来帮助列车在遇到障碍物或者意外时可以及时的停下来，避免事故的发生。其三，对列车运行有监督功能，它可以保证列车在最大限度范围内，对其进行紧急制动。列车自动运行子系统（ATO）主要是负责保障列车按照时刻表对列车进行正常的启动驶出以及当列车达到一个指定位置以后安排列车在规定的地点停下。另外还有对列车的性能测试和调整能够实现无司机驾照运行模式，这样子下来就可以缩短司机的驾驶工作时间，得到更加充分的休息时间，提高运行效率，降低交通事故，保证能够更加精准的停车。计算机连锁子系统（CBI）是城轨交通系统中的重要组成部分，可以通过实现车站轨道电路、信号机、道岔三者之间的联锁控制，这样子的话就可以保障列车更加高效且安全的运营工作。数据通信子系统（DCS）主要是负责把基于通信技术的列车控制系统内部各个系统联系起来，相当于一座“桥”把整个列控系统连接起来构成一个完成的整体，方便各个系统之间的信号传输和列车的高效安全运行。总的来说，基于通信技术的列车控制系统的主要功能在于它通过城轨交通系统内的一些专用通信网络来实时掌握整个城轨系统的全部情况。其中包括运行列车的运行速度、每辆列车的运载人数、运行列车所在位置。并且将这些所有有关信息实时传输给地上的轨旁设备，轨旁设备再将这些通过无线网络收到的列车有关信息发送给控制中心的调度人员，从而保证了控制中心可以全面系统的掌握每个地方的每辆列车的运行情况，方便对他们进行指挥调度，保证列车的正常高效的运行。当出现紧急情况，列车需要强制停车或者需要及时处理的时候，控制中心也可以通过列车控制系统来及时的对列车进行专业的指导，避免发生不好的事情给社会带来严重的损害。如果实在是危险不能及时阻止的话，列控系统也可以及时采取措施把危险尽可能降到最低。简言之，列控系统主要就是保证列车安全高效的运行状态。对于CBTC业务而言，对其在上下行的传输信号方面应该把合计带宽的要求严格控制在大于等于1Mb/s，所以我们可以把CBTC业务按最低标准暂且标记为1Mb/s，假设其上下行分别约为512kb/s。在数据传输的延迟时间控制在一百五十毫秒以内，数据丢包率小于百分之零点零五。图3.1CBTC系统结构图3.2乘客信息系统PIS系统以多媒体网络为载体，通过计算机系统以车载显示终端设备为媒介在车站进出站口的大屏幕上以及乘客候车区域的电子大屏幕上向乘客们显示每辆列车的始发信息，候车站点。当发生火灾等一些紧急情况的时候也会借助于乘客信息系统在站内各大电子屏幕上显示紧急疏散和逃跑路线以及通知，及时的帮助站内深陷危机的各位旅客脱险，引导拥挤人群安全疏散撤退到安全地方。与此同时，PIS系统可以实时的掌握监控对列车上所发生的一切情况和列车上发生的所有画面，做到对列车的所有情况了如指掌，并且再将其所有的监控信息实时的传送给列车控制中心，配合控制中心实现调度工作。如此一来，控制中心也就会对列车中的一举一动更加清楚掌握，无论是列车内的乘客流量还是发生紧急情况的时候都能够快速的做出反应，从而阻止灾难的发生，把危害降到最低，在某种意义上来讲可以很大程度地提高列车的安全性能。其次，PIS系统件可以实现语音视频功能的同时还可以主持无线数据和有线网络两者的兼容。当列车在线路上运行的时候，乘客信息体系统需要实现高质量的视频播放，减少视频播放过程中出现不清晰或者中断等现象。同时，列车内的监控信息在传输至控制中心的时候要求保证不能发生断网的情况，必须让控制中心可以随时观看所有运行列车内的每分每秒的情况，了解所有的情况。综上所述，我们在乘客信息系统的车地无线通信系统中应该把其总宽带维持在最低要求为12Mb/s。这样子才能够为后面城轨交通系统的后续其他相关业务的拓展和发展提供更多进步的空间。但考虑到实际情况的一个性价比问题，我们一般是要求数据传输通道的上下行平均带宽严格控制在大于等于15Mb/s，信号传输过程中的切换时间应该小于或者等于五百毫秒，丢包率应该控制在百分之一以内。3.3视频监控系统闭路电视监控系统是视频监控系统中的一种，其英文简称为CCTV。该系统功能的可以大致分为监控和呈现两大特质。其监控体现在视频监控系统可以实时监控城轨交通站内的所有乘客的人流问题，并及时的对拥堵情况作出城轨列车的运行情况来疏散人流；还可以监控站内所有的各种城轨设备，比如检票系统、售票系统、通风系统、消防灭火系统等一些的设施的正常安全状态，若其中有系统出现故障的时候可以及时的安排相关人员前往进行维修工作。其呈现主要体现在他可以把车站内的所有发生的一切都通过视频媒介将其现实呈现在控制中心的电脑屏幕上，以便于调度人员和控制中心的操作人员可以了解站内每时每刻以及每一个角落的全部情况，即使发生了比较危急情况的时候可以用最短的时间想出办法制定出相应的最准确的应对措施，以此来把损失降到最低。在城市轨道交通系统中，视频监控系统属于通信模块，他主要是负责协助城轨交通中的控制中心的工作人员还有一些在各个区段的指挥引导调度的工作人员能够清楚的知道整个站内所发生的的情况，并且能够找到应对之策，及时赶到现场对其进行解决处理。对于城轨系统而言，如果想要实现实时的视频监控功能则需要不小于4Mb/s的带宽。4LTE的技术分析4.1LTE技术发展史第一代移动通信技术被美国于1896年研发出来，在信息传输的过程中运用的是模拟信号输入的方式。后来随着1G技术的逐渐发展也成熟起来，1G移动通信技术也被运用在了手机上，在当时被人们称作为“大哥大”。从此，人们便可以不受电话线的限制而随意给远隔千里的亲人朋友打电话聊天。但是也由于当时的第一代移动通信技术采用的是模拟信号传输方式，所以只能发送语音信息，而且其传输通道的容量特别有限，一般信号不太稳定，传输效果不太好，安全性也不高，特别容易受到其他信号的干扰，所以用户体验感其实不太好。第二代移动通信技术在系统的整体数据容纳量上有明显的提高，也是其最大的亮点之处。随着技术的不断研发改进，第二代移动通信技术不仅可以实现语音发送信息功能还突破了文字信息的传输并且还可以上网。较之2G通信技术，3G技术最大的不同在于运用的是新的电磁波频谱，制定了新的通信标准。所以3G网络在速度方面提升了很多，最好的记录可以实现2MB每秒的网速，这个速度相当于第二代移动通信技术的传输速度的一百四十倍。LTE技术是由3GPP组织以及全球各大企业2004年11月牵头开始启动推进发展，于2009年起，LTE技术发展十分迅猛，一下子在全球各个地方都开始搭建起LTE网络。通信技术的发展给当前的社会发展带来了很大的便利，特别是LTE技术的不断成熟也在城轨系统中被越来越多的运用在了城轨的车地无线通信系统中。所以下面对无线局域网络、超高速无线通信技术、LTE技术这三种使用比较频繁的三项的通信技术做出详细的介绍。4.2无线局域网络无线局域网络简写为WLAN，主要是采用电磁波的工作原理，并且利用无线电波对信号通道传输的相关信息进行读写然后发送至用户端，从而实现信息的随身化。无线局域网络解决了原有城轨交通系统中存在的复杂繁琐的网络线路和大笔的维修管理设备的预算开销。如此以来，我们就可以把节约出来的预算投入在一些新技术的研发上面来，抱以更加长远的眼光来研发相关核心技术。无线局域网络是有限局域网络的扩展与延伸，其主要是将通信技术与计算机技术相融合在一起应用。无线局域网的不断发展也使得我们的生活越来越便利，网络世界越来越流行，而且可以满足用户吃喝玩乐各方面的应用需求。在当前，大多数车地双向无线宽带传输网络都采取了无线局域网技术。无线局域网络在城轨系统通信系统中一般是利用无线的连接方式将城轨各个系统连接在一起，有利于更系统之间信号的双向传输，并且实现对整个城轨系统的实时监督和控制，为旅客提供更加高质量的服务体系。无线局域网络的优秀性能在于他的使用一般不会受到地理位置的影响，他可以在没有基站点的地方也可以进行工作，工作范围包容度很大；其次他的传输速率以及抗干扰能力也很强，出现错误的概率很小。4.3超高速无线通信技术超高速无线通信系统的简称为EUHT,是由中国独自研发成功的一个通信技术。即使在很高速度的情形之下，超高速无线通信技术仍然可以具有很好的传输速率而且传输内容的质量效果也很高。超高速超高速无线通信系统在变化宽带集成方面突破了以往的通信技术的局限。它能够实现在运行速度达到250-360km/h这样子高速运行速度的时候仍然做到信号的传输是十分稳定且传输效果是十分好的这样令人满意的效果，完全能够满足用户端的使用标准。它的主要亮点在于，其一它可以实现很快的传输速率，因为4×4天线结构使得当他在频率为160MHz的时候,该通信技术的网速可以达到560Mbps；其二它具有高移动特性，当城轨交通列车系统在高速移动的情况下还可以实现实时地高清地视频影像的传输和显示;其三它具有很好的稳定性，即使在城轨列车系统高速运行的情况下，仍然可以保证城轨交通系统车地无线通信设备保持高稳定性，抗干扰能力强;其四，它还具有低延时的特性，能保证城市轨道交通系统的无线通信系统在信息传输的过程中将延时保持在保持在毫秒级的等级之上。4.4LTE长期演变通信技术LTE的核心技术在于OFDM和MIMO，在3G基础之上发展起来但又不完全具备4G的各种特性所以又被称作为3.99G,通俗来讲就是准4G技术[7]。在城市轨道交通系统无线通信系统中主要用于提高车地之间信息的传输速率和抗干扰性能。最重要的是他具有高速移动性的特性，可以保证在高速运行的情况之下仍然可以保持信息传输的稳定性，保障其核心业务和相关信息能够稳定、高效、实时的进行传输，具有十分显著的优势特性。所以LTE技术能够在一定程度上扩大运输的频率带宽、扩大运输的运输量、提高信号传输的效率、以及可以保障信号传输的质量效果，降低出现卡顿、掉帧失帧的情况。目前，3GPP标准关于LTE系统大致可以分为频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种方式。如图4.1所示就是FDD、TDD双工方式工作原理图，FDD—LTE是欧洲标准，一般在国际上比较盛行，使用比较广泛。FDD-LTE技术是通过使用上下行两个成对的信号通道来完成传输数据的工作，上下行信号通道可以同时间而进行发送和接收动作，这样可以减少上下行传输过程中出现的延时情况。而且在上行通道与下行通道中间的间距可以适当的进行调整，更有利于信号的有效传输，保证信号的准确清晰度和抗干扰能力。而TD-LTE[8]是由我国自主研发的核心自主知识产权技术，在我国也被广泛使用，并且技术也都很成熟，有十完善的产业链和技术的支撑。而TD-LTE双工方式信号的工作方式不分为上下行成对频段的两个信号通道，他是在一条信号通道里面上下行间歇式的相互穿插式的传递通信信号，这样子也就会导致TD-LTE双工方式信号传输工作方式会更加的灵活多变，来应对更多情况下复杂情况下的信号传输方式，很大程度的降低了设备安装成本，是整个系统结构更加简洁明了，维护检修也变得容易了很多。而且它还可以更好地保障信号准确无误且高效高质量的进行传输，大大的提高无线通信的工作效率。图4.1FDD、TDD双工方式原理图4.3.1MIMO技术MIMO技术可以有若干个输入端口以及若干个输出端口。它不是只有一个输入端和输出端口来进行信息的传输，这样子多个输入输出端口就可以大大提高其运输的效率和容量。MIMO技术是当前在不再继续增加带宽的基础上而提升对信道容量改造的一个很有效的方法，也能够大大的提高频谱的利用率。MIMO技术在研发设计阶段不尊崇网上的消除信号受到来自多路径的干扰和影响反而利用了其可以接受到来自各个途径信号的这个角度出发，设计出了多输入和多输出的理念从而来提高通信的质量和运输效率。MIMO系统框图如图4.2所示：图4.2MIMO系统框图在LTE系统中MIMO技术又可以分为发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术主要分为时间分集、频率分集、空间分集、极化分集等。相比较于其他分集方式，空间分集是在城轨交通系统中LTE技术中的使用最多的分集方式，在它的输入和输出站点连接多条天线设备。即使出现了因天线距离很远的问题而导致信号衰弱时，他们各个天线的信号衰落特性也是相互独立的，互不干扰。这样子的话他们就不需要占用另外的频率和时间的资源，提高了无线通信系统的可靠性。4.3.2OFDM技术OFDM技术也叫做正交频分复用，它是多载波调制技术中的一种。OFDM技术是LTE最具有突破性的技术之一。正交频分复用技术旨在是把一些高速运行的数据通过在接口的串并转化方式将其转化成低速运行的数据，其中在分别对每个进行正交分解的信号仔细每个进行调制，最后将这些正交分解后的信号按照相关法则进行矢量叠加，形成所需要传输的信号，将其传输。正交频分复用技术主要是可以提高无线通信系统的频带利用率，有效干扰源的干扰，并且有很好的抵抗延迟和衰落的性能特点。正交频分复用技术就是把接收到的信号整体分解成很多小的信号，每个信号都有专门对他们进行传输的每个分割之后的信号的专属的信号通道（后面简称信号道）。这样子每个小段的信号都有足够被容纳的空间，也保证了信号在到达接收端的时候可以更完整的复原整个原信号。而且在每个信号道之间还会采用一定的技术将信号道与信号道之间进行隔离，避免信号在传输的过程中受到干扰，影响信号的高效传输。保证了他们在传输信息的时候可以速率更快，传输效果更好。一般在实际应用中，总是会或多或少的发生一些信号接收机不能正常接收到频率信息亦或者不能接收到完整的信号的时候，但是在很多个信号机之中又不知道是哪一个信号机出现了问题，这个时候就会发现使用OFDM技术是一个可以很好的解决此类问题的技术。因为它的信号的传输是有各自信号道的，最后在叠加所有子信号道的信号时，可以很快的发现缺失的是哪一块信号，然后将其补充上即可。而不采用OFDM技术在传输最后只能知道信号不完整，并不知道哪儿不完整。由此可以看出OFDM技术和MIMO技术对于LTE整个技术的提升有多大帮助，不仅可以提升信号传输的效率、增大传输信号的容量问题还可以有效的增强信号传输的质量，保证信号在传输过程中不受到其他干扰源的干扰。4.4LTE技术的优势LTE技术在应用中具有诸多优势，包括如下：(1)可以将整个网络系统进行网络分组管理，分成几个领域来进行单独运行然后各个板块之间再进行资源互换，这样子就可以是一个庞大的网络系统得以简化。无论是运营速度还是维护成本都会有很大的改善效果。(2)传输速率变得更快。在频谱带宽为20MHz的情况下，使用该技术可以实现下行峰值速率可达100Mb/s，上行值速率可达50Mb/s，在信息的传输速率方面十分之快。(3)LTE技术在信号传输过程中对于频谱的上下行传输形式包容度很大，并且能够适用于规定频段范围内的各种频段，传输效果很智能化，也能够及时的对偏差的信号做出调整[9]，对整个系统的性能有很大的优化作用。(4)LTE技术的整个组成结构不十分复杂，他可以确保城轨交通系统能够在很高的运行速度、高频率的更换运行场景的情况之下仍然可以保证信号传输的内容是高清而且可靠的[10]；(5)LTE拥有很严格的网络服务体系，他可以很好的保护传输数据的准确性。(6)MIMO和OFDM技术的融入使得LTE技术显著的提升了频谱效率和数据传输速率，并且及时的对频率的偏移进行纠正。(7)LTE技术完全能够满足城轨交通系统中通信系统的实际应用带宽需求，能够协助城轨系统一起共同工作，保障城轨系统的正常运营工作。(8)工信部发布的1785-1805MHz频段就是特意为防止发生信号干扰而为城轨交通系统特意批准的信号频段。这给城轨交通系统的安全方面提供了很大的保障体系，使其能够安全高效的正常运行，降低了发生不好情况的概率。以上这些方面的优势使得LTE技术可以更好地帮助城轨交通系统降低了在信号设备的日常维护方面成本、提高了传输通信信号的质量、提升了车地无线通信系统的传输效率以及增强了城轨交通的通信设备的抗干扰能力和城轨交通系统的安全保障。5LTE技术在城市轨道交通系统中的应用分析5.1PIS-LTE无线通信网络构建应用分析在兰州地铁一号线[11]的乘客信息系统中，LTE移动通信技术被使用在了其中，并且作为了PIS-LTE无线通信网络系统的核心部分[12-14]。PIS车地无线通信网络系统拓扑图如图5.1所示。该系统采用的频段在1785～1805MHZ区间范围内，该范围是国家为保证城轨交通系统正常运行而特此批准的频率范围。在该范围类，城轨交通系统可以避免受到其他信号的干扰而造成的事故。在PIS-LTE无线通信网络系统中，控制中心核心网、网管设备、交换机、乘客信息系统服务器，基站RRU等都是其重要组成部分。在整个网络体系之中，PIS-LTE无线通信网络系统中的核心网模块可以与乘客信息系统核心模块实现互联，促使两个核心网络之间的信号双向传输和资源共享。整个网络信号覆盖的区域需要再次区域内设置相关的基站RRU，通过多个基站RRU来实现无线网络区域的全面覆盖。然后这些若干个基站RRU分别与其各自相邻近的车站内的BBU进行匹配连接，从而能够达到与车载无线设备之间的数据接、发送双向传输的目的。其中基于LTE通信技术的相关基站点通常都会被安置在车站通信设备室的机柜里面，利用设备室内专用通信传输通道实现与城轨控制中心之间的连接。另外漏缆覆盖的方式也在运用该系统的正线区域内使用十分普遍，而在一些特殊的车辆段或者停车场这样子的地方会改用定向天线来进行特定区域的全面覆盖。如果基站设备不能将指定区域范围内全面进行无线通信覆盖的话，还可以通过适当多设置一些基站RRU设备来实现全面覆盖。对于设置在车站内的基于LTE通信技术的相关设备，可以运用在区间上下行隧道设置泄漏电缆的方式来实现地铁隧道内信号的覆盖。在距离很远的隧道这种情况下，还可以借助于提高单个RRU基站的独自的有效覆盖范围来达到更远信号的涉及，从而实现全面无线通信系统的覆盖。车载天线TAU设备在列车的前面和后面均设置了一个，TAU的天线通常是被设置在司机驾驶室那一节车厢的外侧，并且需要保障泄漏电缆的信号漏泄的开孔方向是朝向TAU设备的天线方向的，TAU天线通过对应的接口与乘客信息系统车载设备的交换机相衔接，通过车载天线TAU来与与车内进行相关信息的交换。车头和车尾的两台TAU构成主辅关系，两套天线相互联系，相互协调工作，保障列车的正常运行。此种基于LTE技术基础之上的PIS无线通信网络的应用可以及时的在地面和列车之间传输车载视频监视信息、乘客信息。PIS-LTE无线通信网络系统还能够满足高移动性、可靠性和稳定性的需求。在兰州轨道交通一号线中，列车在保持高速度运行的情况之下仍然可以实现列车的信号的低延时以及清晰顺畅，这就很大程度地减少了之前因切换时间太长而导致的数据丢包、播放画面中断的情况。最重要的是基于LTE技术下的PIS车地无线通信网络可以把切换时间控制在50ms以内，且播放质量不受影响，保证了城轨系统稳定高效的运营[15]。图5.1PIS车地无线通信网络系统拓扑图5.2CBTC-LTE无线通信网络构建应用分析LTE不仅可以承载PIS业务还可以承载了CBTC业务[16]。其中LTE车地无线通信系统结构图如图5.2所示。图5.2LTE车地无线通信系统结构图图5.2所示的CBTC地面设备和CBTC车载控制器是完成CBTC业务的关键部分，其中的PIS服务器和PIS车载终端主要是完成PIS业务的核心部分。CBTC系统[17]适用于当列车运行系统出现故障问题的时候，它可以保障相关工作的正常运营，不发生中断的情况，使整个车地无线通信系统的很核心部分。所以一般CBTC业务用专门的信号网络对其进行单独传输，而把负责PIS和CCTV相关业务放在一起进行传输。所以基于LTE系统构建的车地无线通信系统一般都会需要采用独立的双网冗余工作的方式。控制中心核心网作为LTE无线网系统中最重要的部分。它与很多的负责各个板块的子系统接口都相连接，是一个重要的领导核心，相当于“人脑”。其主要是负责将所有的资料进行整合分类然后按其各个功能领域分别分发给其下的负责相关工作的子系统来进行下一步的详细落实，保证工作井然有序，高效高质量的完成，并且提供安全稳定的数据传输通道，从而更加保证通信的高效可靠的运营。LTE车地无线通信系统物理架构如图5.3所示：图5.3LTE车地无线通信系统总体物理架构为方便下面的分析研究，所以把LTE车地无线通信系统运用的双网冗余结构中的双网分别命名为A网和B网。在实际工程的应用场景中，通常会把A网络用来单独运营CBTC的相关业务，B网络则用于CBTC备份和PIS、CCTV的相关业务工作。A、B网络均采用同频组网(双网频率规划如图5.4所示)，A网络和B网络在运行的过程，分别独自完成自己的工作任务量，两者各自顾自己的工作量，彼此之间不互相干扰影响。F1和F2在A网络和B网络中分别使用频率点F1和F2，但二者的使用频率段是一样的。。如果是在隧道这种情形之下时，可以采用无线网络共用漏缆进行全面覆盖；如果实在地面这种情形之下的时，那就可以运用独立的定向天线来进行全面的覆盖。图5.4LTE车地无线通信系统双网频率规划示意每一辆列车的车前端都设置一个车载无线设备，在列车的尾端也同样设置一个车载无线设备，其中在每个车载无线设备内部都安置有两个无线通信模块。其中一端的无线模块分别为A、C两个模块；另一端则分为B、D这两个模块。A、B模块主要是负责基于通信控制列车控制系统相关业务；C、D两个模块主要是负责基于通信控制的列车控制系统、乘客信息系统、视频监控系统这三个业务的工作，并且C、D无线通信模块主导乘客信息系统和视频监控系统相关业务以及备用CBTC业务。当主用无线通信模块发生故障时，备用无线通信模块可以替代主用无线通信模块完成其相应的工作，并且由备用无线通信模块晋升成为主用无线通信模块。与此同时，那么CBTC业务信息就可以借助于网络A和网络B同时进行信号传输，CBTC业务系统最终可以获取四份相同数据，系统自动选择选择其中任意一份进行阅读执行，但一般会优先使用主用设备发送的相关信息。这样子的话就可以保证双网络单点发生故障的时候，CBTC业务可以不会被迫中断仍然可以继续运行工作。车载无线规划图如图5.5所示。图5.5车载无线网络规划图5.3LTE技术在城市轨道交通系统应用新思路现阶段，城轨交通领域中的很多地方都已经将LTE技术应用于其中了，但是在车地无线通信系统这个网络的结合构建应用来说有一定地改进空间[18-20]。综合考虑到当前城轨交通中综合承载网络中的LTE技术运用情况，本人认为有两种组网方案可以进一步进行探究和考察。一种方案是所有的运行系统都统一采用相同的运行频段来进行运行工作。另一种方案是将车地无线通信系统分为两个部分。一个部分是列控系统的控制中心的主要业务，另一部分是列控系统的一些其它辅助业务、乘客信息系统相关业务和视频监控系统的相关业务，然后设计两条独立的网络分别对其两个部分的业务进行独立管理运行。在第一种构建网络体系方案的情形之下，各个区间的设备都统一接入相同频段的应用了LTE技术的无线网络之中，各个基站BBU按照规则正确接入端口。信号源相关设备也都载入相同的载波频率，紧靠在一起的基站RRU分别各自与自己配对的基站BBU进行配对连接。然后再把各个基站BBU与车地无线通信系统连接起来与LTE的核心网融合，构成了一个完整的基于LTE技术的无线网络体系。这种网络体系可以在任何一个基站发生突发事故损坏不能正常运行的时候，由于使用的是相同频段的频率网所有其信号可以及时的被其他紧靠的基站RRU通过加大功率的办法来承担起发生事故的基站不能正常运行的责任，及时的补上防止危害的发生。当然如果在基站设备没有发生突发事件正常运行的情况之下的时候，那么各个区间的RRU就可以不用加大功率正常运行即可。在第二种构建双网网络体系方案的情形之下，