在城市轨道交通乘客信息系统（PIS）车-地无线系统中，目前主要应用为基于IEEE 802.11系列协议的WLAN技术，主要有2.4G及5.8G两种方式。目前欧洲主流应用为5.8G频段，国内主要采用2.4G频段。尽管LTE技术在民用移动通信领域已得到广泛应用，但在城市轨道交通乘客信息系统（PIS）采用LTE技术的车-地无线通信系统目前较少。本文就LTE技术在城市轨道交通乘客信息系统（PIS）中的应用进行研究，设计一种采用LTE技术组网的方式实现城市轨道交通乘客信息系统（PIS）车-地无线通信，通过组网方式的优化，简化设计，更好的实现LTE技术在城市轨道交通领域的应用。
城市轨道交通乘客信息系统（PIS）是以计算机及多媒体应用为平台，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息的系统。车-地无线系统作为地铁PIS的重要组成部分，是中央控制中心、车站分中心与移动中的列车保持实时信息交互的重要通道。
调度控制中心（OCC）及车站控制室值班人员能够通过车-地无线通信系统实时监控运行中的列车乘客车厢、司机室的情况，也能够向运行中的列车发布及时信息。车-地无线通信系统能够为运行中的列车紧急状态提供实时通信，如火灾报警、列车紧急开关车门等信息上传，以便地铁运营管理和为乘客提供信息化服务。
车-地无线系统主要用于实现地铁车-地之间的实时信息交互。目前城市轨道交通常用的车-地无线系统主要传输方式采用WLAN技术。WLAN技术成熟，但是存在抗干扰及安全性方面的缺点，且组网复杂。LTE则具有高带宽、高移动性、长区间覆盖、高扩展性等特点，同时，系统运行在电信运营级的架构及设备，能够解决既有无线系统存在的不稳定、移动性差等问题。
车-地无线系统LTE组网总体设计考虑城市轨道交通应用特点，对地下站、高架车站采用不同的天馈方式。总体架构分为核心网、基站系统和车载终端。其中基站系统由基带单元（BBU）和远端射频单元（RRU）组成，如图1所示。
TD-LTE系统核心网设备部署在控制中心，上端业务接口与核心网交换机相连，进而与传输系统骨干网环连通，继而连接到地面PIS系统设备。核心网通过S1接口与基站系统的BBU相连。TD-LTE基站系统的BBU放置在通信设备室，通过LTE骨干网与核心PA视讯中国股份有限公司网建立通信，RRU则沿列车行驶的线路部署，包括正线车站及区间、道岔区域、折返线、停车线、车辆段出/入段线等区域，满足车载视频信息的上传及PIS信息的下传。BBU通过光纤拉远与RRU相连，基站的天馈接口通过合路器汇接后与漏缆或天线连接，实现无线信号的覆盖。TD-LTE系统的车载终端车载无线模块（TAU）部署在列车编组的前后司机车厢。TAU天线分别安装在司机车厢车顶和下方左右两侧，车辆下方左右两侧相对中轴线位置（视漏缆安装位置而定），并保持漏缆和天线之间无遮挡，保持良好无线传输。TAU通过以太网接口连接到车载交换机并与车载PIS设备连接，从而建立车载PIS到地面PIS系统的点到点连接。在每列车端头、端尾处各设置1套TAU，通过车载交换机与车载视频交换机相连，接收来自地面的信息并向地面发送列车车载实时视频监视信息。
LTE在频域上一个资源块（RB）占用频宽180 kHz有效带宽以及20 kHz隔离带宽共计200 kHz，包含12个子载波频段，每个子载波占用频宽为15 kHz；在时域上，每个时隙为0.5 ms，每个时隙每个子载波频段可传输7个符号。由此得各个调制方式下LTE系统的理论最大吞吐率为：
其中，b表示相应调制方式下LTE系统每个子载波携带信息的bit数，根据信道环境，LTE自适应的调制方式有QPSK、16QAM、64QAM三种，每个子载波分别携带2 bit、4 bit、6 bit信息；NRB表示相应带宽下的RB（资源块）数量，其中5 MHz带宽下RB数量为25个，因此，5 MHz带宽的LTE系统理论最大容量如表1所示。
另外，由于信道环境的变化，LTE会自适应信道编码策略，形成信息冗余（详情查阅LTE的调制与编码策略(MCS），因此，上述数值仅为理论上的吞吐率最大值。
工程实测可承载的业务流量值包括：单缆单天线 Mbit/s；单缆单天线 Mbit/s；双缆双天线 Mbit/s；双缆双天线 Mbit/s。
地铁中地下区间一般采用泄漏电缆覆盖，其他专用通信或公安通信网络可通过POI馈入漏缆方式实现多个系统共用漏缆。专用通信系统乘客信息子系统通过双频合路器与其他子系统的合路信号在POI合路，并馈入区间漏缆。目前，与专用通信乘客信息子系统PIS的频段（1 795～1 805 MHz）最接近的是信号系统DCS子系统（1 720～1 735 MHz/1 815～1 830 MHz），因此，需要考虑DCS上、下行对PIS车-地无线通信的上、下行的干扰。
地铁PIS车-地无线通信系统的主要干扰源包括来自同频相邻区干扰，为降低同频相邻区干扰，需要考虑降低同向隧道中前后同频邻区的干扰及位于车站两侧端头处隧道口的两个小区相互干扰的影响。隧道小区干扰示意，如图2所示。
在LTE移动网络中，同频相邻区干扰主要会对系统内小区的数据吞吐量、小区覆盖能力产生影响。由于LTE网络频段申请及带宽限制方面的原因，城市轨道交通LTE一般只能申请到5～20 M的带宽，因此，城市轨道交通LTE组网一般采用同频组网方式，这就容易产生同频相邻区干扰。而在同频相邻区干扰中，同向隧道中前后同频相邻区干扰和车站两侧端头隧道口处的两个小区的干扰是主要干扰源。
同向隧道中前后同频邻区干扰在小区边缘信噪比最大可引起0～-2 dB的信道切换延迟。若不采取相关抗干扰措施，小区边缘的上下行干扰将严重影响数据传输速率，且无法满足PIS车-地无线通信业务的速率需求。为减少同向隧道中前后同频邻区干扰，上行信道可以通过相关优化算法来实现对干扰的控制及消除。优化算法包括调度算法、小区间干扰协调算法、干扰拒绝合并算法（IRC）等。下行信道则可采用业务异频调度方式得到小区边缘高信噪比，保证其业务速率。也可对相关频率进行预先规划，实现小区中心同频、邻区边缘异频，获得更大的小区中心数据吞吐能力，且邻区边缘也能够获得较高信噪比，提高邻区边缘速率。在地铁应用中，由于列车存在行车间隔，考虑容量因素，小区规划站间距小于2个列车间隔，这样就不会出现2辆列车同时位于2个小区对向的情况。
车站两侧端头隧道口处小区干扰的路径损耗可以按照室内传播模型（Keenan－Motley传播模型）计算车站端头两侧小区的同频隔离度，位于车站端头处的列车接收本小区信号的线），距离漏缆的距离平均按照1 m计算，不考虑穿透损耗。
位于车站两侧端头处的列车接收车站对面小区信号的线 m计算，列车及站台门穿透损耗按10 dB计算。
由公式（2）、（3）计算可知，两侧小区信号隔离度为两种路径损耗的差值：PL2－PL1＝27.5 dB，满足上、下行的隔离度要求。
城市轨道交通地下区间的电磁干扰主要根据国家环境电磁波卫生标准要求执行，站厅层办公区需达到一级标准（10 W/cm2）要求。站台、站厅、隧道区间须达到二级标准（40 W/cm2）要求。对车-地无线通信系统而言，为满足国家环境电磁波卫生标准的要求，LTE设备基站（BBU）接收的上行噪声应小于-113 dBm/180 kHz。通常情况下，地铁无线覆盖多采用专用通信子系统合用漏缆天线，无线信号相互之间的干扰基本不影响其他子系统，城市轨道交通采用的合路器也能够满足相关电磁兼容指标要求。
本文基于LTE技术的车-地无线系统组网方案设计，通过研究国内外相关应用现状及在城市轨道交通领域的应用情况，对整个系统的组网做了详细的分析和阐述，提出相关优化方案及措施。达到了预期效果。
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