王钰    唐宁兴

卡斯柯信号有限公司，北京 100045

摘要：目前车地通信功能和性能是城市轨道交通所面临的挑战。可靠的传输列车状态信息和行车控制致命令不仅是车地通信所必需的，而且还要使其能够及时向乘客通报紧急情况，回传列车车内视频，以保证紧急状态的应急处置以及公共安全。经过本文的论证，对于LTE用于地铁通信，不仅在技术上具有优越性和可行性，在工程建设更具备经济性。基于以上优点，本交对LTE的网络结构及其在地铁CBTC系统中的应用做了简要介绍。

关键词：车地通信、地铁、LTE、CBTC

1.引言

城市现有交通运输压力的有效缓解得益于中国地铁的大规模建设和发展。作为地铁机电设备系统的子系统之一的车地通信系统，是实现地铁组织和运营的重要一环。地铁各应用系统之间由车地通信系统提供信息传输通道，各应用系统的系统功能也由它来协助实现。城市轨道交通在基于早起通信技术的情况下，主要通过WLAN承载。但是WLAN存在的干扰源多、安全性差、切换频繁、覆盖难、移动场景带宽低等问题在近几年的实际使用中被发现出来，因此为实现车地间的数据和信号传输，就需要寻找一套新的稳定的车地通信系统。

LTE具有高扩展性，长区间覆盖，高移动性，高带宽等特点，高速移动性支持和综合业务承载的优先级调度都可以由其来提供，并且无线数据业务的安全可靠传输通过安全机制和抗干扰技术可以得到保证。既有无线网络中存在的移动性差，不稳定等问题通过LTE可以解决，并且其能够提供一套无缝漫游，高带宽车地无线通信系统，可以满足地铁运营需求。

2.LTE技术特点介绍

通过安全机制和抗干扰技术，LTE可以使无线数据业传输的安全可靠得到保证，既有无线网络中存在的移动性差，不稳定等问题通过LTE可以解决，并且其能够提供一套无缝漫游、高带宽的车地面信系统，可以满足地铁运营需求，如图1所示。

图1 LTE在CBTC系统中的应用

与其他无线通信手段相比，基于LTE技术建立的无线宽带接入通信系统具有以下优势：

1）灵活选择通信带宽：1.4、3、5、10、15和20MHZ信道带宽，LTE技术可支持任意选择。因此，为满足不同应用场景，可以根据实际使用需求，对信号传输距离与传输速率进行适时调整。

2）高速数据传输速率：根据LTE实际产品验证以及技术理论，基站设备支持的20MHZ带宽的数据传输速率为下行100Mb/s，上行50Mb/s。对于目前战术通信手段而言，上述数据传输速率是无法企及的。而这又非常适合于那些要求大容量数据多路并发传输的应用场合，如抗震救灾现场，应急抗洪抢险以及反恐维合对通信信道容量的要求。

3）支持高速动中通：对于运行速度高达350km/h的用户，LTE产品能够为其提供100kb/s的接入服务。以LTE技术为基础设计的通信产品，在我国铁路建设发展的趋势下，将会成为高速移动通信的主要手段。

3.LTE技术在地铁CBTC中的应用

作为关系到列车运营体验和运行安全的特殊系统，CBTC对可靠性，安全性要求极高。基于产品链和技术的成熟度是目前国内大部分城市采用WLAN技术承载CBTC业务的主要出发点。LTE技术与传统无线局域网相比，具有延迟降低、分组传送、广域覆盖、高数据速率和移动支持能力强等诸多优势。WLAN仅有三个完全正交的信道，而LTE组网具有丰富的干扰避免技术；从基站的覆盖范围来看，LTE组网也较传统WLAN范围更大，单个接入点支持更多的用户数，这对组网的复杂度可以起到降低的作用，更为重要的是，对于不同等级的QoS保障，LTE也能够支持，这样在承载多业务时，LTE对业务优先级进行划分，从而保证关键业务的优先保证。对于承载地铁多业务来说，这无疑具有很大的优势，而传统的无线局域网很难达到这一点。下面将从LTE的接入时延，数据丢包率，安全机制等方面探讨LTE在CBTC中的应用。

3.1 LTE的时延和丢包率

丢包率是指在测试中数据包丢失的数量占发送数据包总数的比率。目前，已经进入商用阶段的LTE网络，其丢包率可以完全满足CBTC的系统要求。LTE对时延的具体要求为：在用户方面，单项传输时延小于5ms；中断时间在100ms的范围内。根据对多张商用的LTE网络的测试，其平均传输时延在十到几十毫米的范围之内。在实验环境下，利用ping包模拟了在LTE场景中CBTC数据包进行切换实验，在模拟的不同典型信道覆盖模型下得出的实验数据均可以满足CBTC的系统要求。其中，在模拟的自由波覆盖模型下的相关测试数据如下：测试时长：38.3h；平均切换延时(RTT): 64.4ms,最大切换延时（RTT):1074.9ms；总发包数=1390362，总丢包数：409，丢包率：0.029%；总切换次数：9715次，切换失败次数：91次，切换成功率：99.06%。实验表明，CBTC系统对时延和丢包率的要求LTE完全可以满足。

3.2 LTE的安全机制

用户所有的操作可以通过LTE密钥协商和认证过程来实现。即相互认证和密钥生产。密钥协商和LTE鉴权过程是：通过USIM卡(用户全球识别卡)和AUC(鉴权中心)中所共有的密钥K来计算完整性密钥(IK)和加密密销(CK)，并由作为基本密钥的CK和nC计算一个新的父密钥KASME，随后各层所需要的子密钥由此密钥产生。即密钥分层系统。上下级密钥相互泄露等情况可由密钥分层推衍来防止发生。UMTS中的AKA与LTE/SAE的AKA(第三代移动通信网络的密钥协商协议与认证)两者的鉴权过程大致相似，其采用至今还没有有攻破实例并且安全性方面非常高的Milenage算法，继承了 UMTS中五元组鉴权机制的优点，实现了网络侧和UE(用户设备)的双向鉴权。双向鉴权可抵御来自地铁中非法虚假基站的攻击，同时，破解的难易程度由于128bit密钥长算法而提高。因而LTE在安全性能上比Wi-Fi更出色，达到CBTC对安全性的需求。

3.3 LTE在地铁CBTC系统应用中的关键技术

如何用有限的无线频谱资源来实现更高的数据传输速率，更高的带宽，更低的运营成本已经成为面对日益恶劣的无线通信环境的人们研究的重点。OFDM技术对频率选择性衰落和干扰有着很好的对抗作用，可以提高增加带宽和频谱利用率；MIMO是新一代宽带无线移动通信技术的另一关键技术，在不需要增加总发送功率损耗或带宽的情况下，MIMO技术可以对系统的数据吞吐量及发送距离大幅度地增加。OFDM和MIMO技术的结合可以降低成本，提高系统容量和传输速率，是LTE系统的关键技术。

4.结束语

本文对近年来城市轨道交通的发展情况进行了简要的描述，并指出已经成为制约城市轨道交通发展的重要因素之一的车地宽带通信。本文对新一代通信系统LTE网络做了介绍，并分析了LTE应用于城市轨道交通的可行性，在城市轨道交通CBTC技术中车地通信应用方面，比较了WLAN与LTE两种通信制式的优劣。分析结果表明，对于城市轨道交通车地通信的各方面需求，LTE网络都可以满足，地铁运营中已有的多种业务LTE都能够承载，将LTE应用于城市轨道交通是行业的发展趋势。

参考文献

[1]张成国，李文明.长期演进（LTE)技术在地铁无线通信中的应用[J].城市轨道交通研究，2015，18(1): 112-117.

[2]杨文清，陈建宁，丁传文，等.IP网络管理系统的设计与实现[J].电力系统自动化，2005, 29(2): 89-92.

[3]何军.LTE核心网络中协作式视频缓存研究[D].中国科学技术大学,2013.

[4]谷向阳.LTE终端用户平面数据传输的研究与设计[J].电子测试,2010 (9): 3541.