摘要：随着科学技术的发展，通信技术进行4G时代，然而国内外出现的各种轨道交通事故，让地铁监控设备及乘客监督管理改善成为重要趋势，以此应对突发事故。本文主要对LTE技术在地铁各个层面的通信应用进行分析，供同行借鉴参考。
关键词：地铁；无线通信；LTE技术；应用
一、LTE技术在地铁无线通信中的应用优势
（一）LTE的抗干扰技术
在干扰检测层面，WIFI只能提供带宽级的信号强度进行检测和反馈，难免不够精确，而LTE通过OFDM直载波调度，运用导频设计均匀分配时频域，它以 2ms 快速调度响应及时、准确地跟踪信道时频域变化。同时，LTE通过及时反馈机制还可以同步反馈多个终端，大大增强干扰检测的及时性和准确性。在干扰避免层面，WIFI只能提供固定的、系统的带宽级信道选择，由于缺乏频点，所以它很难灵活、及时、准确地避免干扰。而LTE 网络有明显的技术改进，它通过毫秒级的调度机制可以随时根据干扰情况准确地调度资源，在干扰被检测到之后，LTE根据终端的信道状况分配子带频率资源，LTE也可以通过AMC自动调整编制和编码策略。在干扰控制上，WIFI 只能有限地约束无线接入点和用户终端的发射频率，干扰控制能力比较弱。而LTE却有完善系统的功率控制机制，采用多种干扰抑制算法来控制网络的整体干扰水平，比如小区协调干扰抑制和协同多点干扰控制等。
（二）LTE的高移动性
在移动性上，WIFI的覆盖范围小，且适合用于固定场所，在不断移动的列车上，WIFI在频繁地选择和关联新AP时会耗费大量时间，而 LTE 技术覆盖范围比较广泛，它采用无缝切换算法，大大缩短了延时，这种高移动性也满足了地铁在高速移动的时候仍然能连接网络。
（三）LTE的高可靠性
在可靠性上，WIFI的数据传输无优先级，它采用基于用户竞争的QoS算法，没有绝对的用户优先级，在这种情况下，出现一个同频干扰源，丢包率就有60%，当出现两个同频干扰源时，丢包率高达 100%，这将无法满足地铁任一级别业务。而 LTE采用的是9级QoS算法，按照优先级进行传输，优先传输高优先级，尽量传输低优先级的，这种多级 QoS 算法便保证了网络数据的有效传输。
二、LTE技术在地铁无线通信中的综合应用
（一）LTE的信道和接收性能
LTE 需要综合运用 CBTC、CCTV、PIS 多种通信技术，使用CCTV可以实现视频快速上传，实时监控调度员、值班员以及列车内部情况，使用PIS可以满足实时高清播放需求。在承载工作进行过程中，有以下几个问题需要注意：A、B两网相互独立、并行工作；A 网分配较大带宽，承载双向 CBTC，上行 CCTV，下行 PIS；B 网分配较小宽带，承载双向 CBTC 信息作为备份。经测试和分析，在相同的接收功率情况下，LTE 技术相较于 WIFI可以支持更快的列车速度，在相同的列车速度下，LTE 技术灵敏度更高。
（二）LTE的地铁业务带宽分析
带宽是用来保障图像的质量要求的，在地铁的通信应用中，包括CCTV、CBTC、PIS三部门综合调度。在CBTC系统中符合列车需求的传输带宽为：在最不利情况下传输带宽不能小于1Mbit/s。为了保证在列车高速移动时满足上网需求，LTE网络要为PIS和CCTV预留15M带宽，分别给CBTC系统和语音视频调度系统预留3M和7M带宽，总计需要带宽25M才能完全满足地铁通信需求。
（三）LTE技术的设计原则
在设计 LTE 技术，只有满足以下几个基本原则，才会真正地满足地铁的网络需求。1）可靠性原则。为了保证有突发事件时，网络和信息传输不受影响，CBTC信号系统要求任何节点都有备份；2）安全性原则。这是为了数据在传输过程中不丢失，或者能抵御其他不良信息的攻击，保证其安全性；3）实时性原则。能够保证数据、信息的实时传输，对于车厢内的情况进行实时监控；4）高带宽原则。为了防止视频卡顿、信息传播速度慢、不能实时更新等情况，需要有高带宽来满足地铁对网络速度的要求；5）环境适应性原则。无线的布置要考虑到乘客的上网需求，做到网络覆盖所有乘客。
（四）效益分析
LTE技术一定程度上提高了地铁的监控水平，为保障列车的安全提供了实时信息，也为乘客提供了一个更好的乘车体验，乘客可以在列车行驶过程中查看到服务信息、公共资讯、娱乐新闻等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，LTE 技术在数据传输上有更快的速率，有更充足的系统容量，有更低的运营成本。可以说，LTE 技术的运用既降低了成本，又提高了经济效益。
三、LTE技术应用于CBTC的探讨
（一）LTE技术的安全机制
用户的所有操作是在安全密匙生产和相互认证的基础上实现的，LTE的密匙生产过程是通过对所有密匙进行计算得出加密密匙和完整性密匙，再由这两种密匙得出一个父密匙KASME，由父密匙产生各层所需的子密匙，这样便形成了防止上下级密匙泄露的密匙分层系统。LTE 的密匙协商过程采用的是Milenage算法，目前为止，这种算法还未被攻破过，这种算法具有 AKA 鉴权过程中五元组鉴权机制，可以实现用户设备和网络方面的双向鉴权。它的优势在于，其具有128bit的密匙长度很难被破解，并且它的双向鉴权可以抵抗不良伪基站的攻击，它能够很好地满足CBTC的安全需求。
（二）LTE技术的时延
在高速移动的地铁中，为了保证信号接收的及时性和通信质量，一定需要有严格的数据时延控制。目前LTE对时延的控制是：用户面单项传输要小于 5ms；把控制面从睡眠状态唤醒到激活状态小于 50ms，把控制面从驻留状态迁移到激活状态时间小于 100ms；用户网络中断时间不能超过 100ms。在LTE 网络测试中，平均时延仅有 23ms。这些指标表明，LTE网络传输速度非常快，能满足大部分地铁通信的需求，比如VoIP、高清IPTV或者视频流媒体。
（三）LTE技术的丢包率
所谓丢包率，顾名思义就是在数据包发送时，丢失的数据包数量占总数据包的比率。目前最稳定的美国VERIZON4G网络被测试过，结果显示，在美国这样一个4G网络非常成熟的国家，LTE的丢包率竟然高达30%。由此可见，LTE在保证数据完整传输上存在比较大的问题，丢包率过大难以符合CBTC 的安全稳定要求。
四、地铁的LTE需求
（一）车载CCTV安全需求
在地铁中时有紧急事件的发生，LTE的出现能够实现高清视频的播放，对车厢内的各种情况进行实时监控，及时地给公安系统提供图像传输，来应对突发事件，并且在紧急情况下，LTE 可以优先运行安全信息，给予明显的动态辅助性提示，以确保运营的绝对安全。车载CCTV 通过LTE 接受信息，并转发给各个车厢，以使乘客看到视频信息的播放，根据正确的信息引导，安全、正确地乘坐地铁。
（二）车载PIS实时高清需求
随着网络技术的普及和不断发展，人们对视频的观看体验要求越来越高，而在地铁上，也需要有流畅的地铁影音服务来满足乘客的这一需求，车载 PIS 可以通过 LTE 提供实时的重大新闻、赛事进行、电视节目的播放，满足高清视频的无延时播放需求，满足乘客的娱乐需求，提高了PIS的媒体实时性。
（三）增值业务需求
LTE 可以按时间段和高峰人流量等数据进行相应的广告投放，这种广告投放模式和运营方式更加科学高效，也极大地提高了广告投放效率，并且降低了运营成本，提高了经济效益，可见 LTE 是一个比较完善的公共媒体实时信息投放平台。此外，LTE网络技术还可以实现集多种功能于一体的综合音视频集群通信系统，在语音调度的基础上，增加远程监控、视频会议、智能分析、视频调度等多种功能，很大程度上增加了调度的及时性和准确性。
五、结束语
LTE技术在可靠性、抗干扰性和移动性等多个方面取得了重大进步，它能够进行实时监控，很大程度上保证了列车的安全；它采用无缝切换算法和 QoS 优先级算法，大大减小了延时和数据的丢包率，提高了数据的传输效率，保证了信号接收的及时性和通信质量；它具有高带宽和大覆盖面积，为数据的流畅传送提供了前提条件；它的安全机制是通过Milenage算法形成了密匙分层系统，大大提高了安全性能；车载PIS通过这一技术实现了无延时播放，满足了乘客对地铁影音服务的需求；它实现了分段的广告投放模式，提高效率的同时也提高了经济效益。
参考文献：
[1]杜彪，葛华.LTE 技术在地铁无线通信中的应用[J].工程建设与设计，2017.
[2]方建文.LTE 技术在地铁无线通信中的应用[J].中国新通信，2015.
[3]杨小会，魏涛.长期演进（LTE）技术在地铁无线通信中的应用分析[J].中国新通信，2015.
论文作者:辛磊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/18
标签：地铁论文; 技术论文; 需求论文; 干扰论文; 算法论文; 带宽论文; 网络论文; 《基层建设》2018年第1期论文;