【LTE技术在城市轨道交通系统中的应用探究8000字（论文）】

第第页LTE技术在城市轨道交通系统中的应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u23531引言 2217542城市轨道交通的系统组成分析 255262.1基于通信技术的列车控制系统 2137082.2乘客信息系统 418542.3视频监控系统 5144893LTE的技术分析 5162923.1LTE的含义 5281233.2LTE的关键技术 569443.2.1SC-FDMA技术 596693.2.2OFDM技术 6245493.2.3多输入多输出（MIMO）技术 6120393.3LTE技术安全体系 7261224LTE技术在城市轨道交通系统中的应用分析 8156094.1PIS-LTE无线通信网络构建应用分析 8186174.2CBTC-LTE无线通信网络构建应用分析 1098585总结 1226951参考文献 141引言随着当前社会整体物质水平的提升，人们也渐渐地形成新的消费观和理念。对于出行工具的要求也不例外。对于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]。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，提高城市轨道交通系统的运营水准。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，从目前实际的应用来看，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，LTE技术在城轨交通系统中得到了大力推广，把LTE技术应用到无线通信系统之中，以此来提高城轨中的通信质量是明智的决定，未来，LTE技术会把城轨交通系统带入一个新的发展平台，这对于整个城市轨道交通系统而言是一个进步。2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[2]。2.1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2.1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）的功能可以大致概括为两大类：监督和控制。监督功能主要体现在它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信息，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。与此同时，控制中心的工作人员和调度人员也要根据其监控所反映的情况实时对列车进行调度工作，保证列车的正常运行。当发生紧急情况的时候控制中心会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工作。当列车发生偏离的时候，系统会及时处理并把列车引入正确的轨道上运行，避免发生意外事故。列车超速防护子系统（ATP）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从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运行安全息息相关，ATP系统可以利用其测速和测量距离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的功能，能够实现无司机驾驶的运行模式，这样子下来就可以缩短列车司机的驾驶工作时间，使司机能够得到更加充分的休息时间，以此来提高列车的运行效率，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，这样的话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的列车控制系统内部的各个系统联系起来，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，轨旁设备再将这些信息通过无线网络接收到的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，保证列车的高效安全的运行。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。简而言之，列控系统主要就是保证列车安全高效的运行。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2.1CBTC系统结构图2.2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时间，候车站点等信息。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等重要通知，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系统可以实时的监控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，控制中心就会对列车中的一举一动清楚的了解，无论是列车内的乘客流量还是发生紧急情况的情况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，乘客信息系统需要实现高质量的视频播放，从而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。2.3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。其监控功能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调整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。其呈现主要体现在它可以把车站内的所有发生的一切都通过视频媒介将其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，它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，并且能够及时的找到应对之策，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。3LTE的技术分析3.1LTE的含义通俗点说，LTE系统不仅仅是能打电话，上网和有关网络的活动都是它所承包在内的业务，最主要的是LTE系统中的服务无处不在，你受益颇多。尤其是一些上网的业务，例如逛淘宝和使用支付宝等，这些应用对于网络安全都要求特别的高。而且，大多数人对于这个技术都有点认识，其实，它并不是真正的4G技术，它只是一个阶段性过度的产品俗称（3.9G），它的标准是采用了OFDM和MIMO来实现的，强化的过程中加强了3G网络中的空中介入技术。LTE接入工程项目有许许多多的优点，高效率、低延迟和优良的传输优势，它将如何提高自身传输效率，全靠了它的通信方式的多样性，通过这种方式来打破瓶颈。如果说LTE有多重要，相信大家人手一部手机就知道它的重要性，所以，LTE技术的发展也是蓬勃的。3.2LTE的关键技术3.2.1SC-FDMA技术SC-FDMA是一种新型的单载波频分多址方式，作为宽带移动通信上行链路解决方案，它支持扩频技术、频域均衡方法以及多用户复用的通信场景。SC-FDMA技术是多用户接入技术，它的技术一般通过单载波方式来完成的，在现实的应用中SC-FDMA技术会从接入方式这种方面要远的高于OFDM/OFDMA技术，不过从接入方式来说，却远远的比不上OFDM/OFDMA技术的优越。在现实的环境中来用对小区网络的实际来应用的表现和覆盖的面积都是算是好的。这个技术的优点是会大大的来降低这个发射终端的功率，以致做到减少所投入的所没有必要损失的成本。3.2.2OFDM技术OFDM技术，这个技术也是一种数据传输技术，它所应用的原理是通过多路正交子载波方式来进行较快速的数据流分散传输。这个技术可以使载波传输的效率变得比较低，并且增强载波射程，OFDM系统能很轻松地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。OFDM技术在电力线网络中也得到了很好的应用。OFDM与CDMA技术结合产生了MC-CDMA，与智能天线波束形成技术结合产生频域波束形成OFDM系统和时域波束形成OFDM系统。正因为OFDM适合现代无线通信发展的要求，且可以与其他接入方式巧妙地结合衍生出新的系统。3.2.3多输入多输出（MIMO）技术MIMO技术是LTE中核心的技术。它的关键是实现多路数据的传输是经过收发端的多天线技术，来达到上下行的峰值速率的增高，提高用户的感应值。MIMO把多径无线信道和发射、接收作为一个整的部分来进行优化，来实现较高的通信容量和提高频谱利用率。这种情况是一种接近最好的空时域组合的分集和干扰对消处理。通过MIMO技术不同种的工作方式，系统最后能做到提高系统覆盖、扩大容量、增高小区峰值以及提升平均吞吐率，改优系统性能。3.3LTE技术安全体系图3.1LTE网络安全体系LTE用扁平化和IP化的网络架构模式，E-UTRAN用E-NOB来替换所原本就有的的R-NOB的结构，每个网络之间节点的接口都用了IP传输，并经过IMS承载综合业务，LTE网络的PS域都会承载原UTRAN的CS域业务。LTE网络给下了五个安全功能组。这五个功能组都能满足一些威胁并顺利完成了某些安全目标：网络接入安全(1)：为使用者提供安全接入的一些服务，重点是阻止无线接入链路上的威胁。网络域安全：(2)：节点都能做到安全的交换AN与SN之间以及AN内的信令数据、用户数据，并防止对有线网络的威胁。用户域安全(3)：不受威胁的接入到移动台。应用域安全(4)：能够在用户域和运营商域间不受威胁地交换彼此之间的信息。安全服务的可视性和可配置性(5)：告诉使用者安全功能有没有在运行，安全功能决定服务的使用以及提供。LTE-R身份认证与密钥协商是通过AuC和USIM卡中的共有密钥K来计算加密密钥CK和完整性密钥IK，然后对CK和IK推演得到父密钥KASME，最后根据父密钥得到各层的子密钥，建立用户设备和网络的安全上下文。LTE-RAKA的认证过程使用Milenage算法以及五元组认证（KASME代替CK和IK）实现UE和网络双向认证。4LTE技术在城市轨道交通系统中的应用分析4.1PIS-LTE无线通信网络构建应用分析在兰州地铁一号线[3]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[4]。PIS车地无线通信网络系统拓扑图如图4.1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[5]。图4.1PIS车地无线通信网络系统拓扑图4.2CBTC-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[6]。其中LTE车地无线通信系统结构图如图4.2所示。图4.2LTE车地无线通信系统结构图图4.2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[7]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4.3所示：图4.3LTE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4.4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4.4LTE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4.5所示。图4.5车载无线网络规划图5总结本篇论文着重介绍了LTE技术在城到交通系统通信系统中的应用