基于LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合承載環形道試驗方案

葛淑云馬麗蘭戴克平樓建軍

（1．北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073；2．北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

基于LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合承載環形道試驗方案

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（1．北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073；2．北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

針對城市軌道交通車地通信業務進行分析，提出基于LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合

城軌交通；LTE環形道綜合承載；方案

隨著無線寬帶技術的普及和支撐城市軌道交通安全運營生產業務不斷增加，現有基于2.4 G WLAN的車地通信面臨挑戰。將LTE移動通信技術用于承載城市軌道交通CBTC、PIS、CCTV等生產系統的業務信息，高效運用現有軌道交通基礎設施，提高運營效率，以滿足人們日益增長的出行需求成為交通運輸領域最新關注的焦點。

2014年4月至6月，在北京交通大學進行LTE實驗室測試，初步證明LTE能夠綜合承載軌道交通的生產業務。為進一步驗證LTE在列車運行狀態和真實電磁環境下的綜合承載性能，經過多種試驗段方案比選，從工程實施難易程度、測試時長要求、干擾環境、對運營或在建線路影響等因素考慮，最終確定在鐵科院城軌試驗線即環形道進行LTE系統試驗段測試。

1 城市軌道交通生產業務需求及業務優先級

基于LTE技術的城市軌道交通車地通信綜合承載平臺，需在列車運行狀態下滿足實時、寬帶、穩定、具有服務質量（QoS）保障的生產業務需求。當前城市軌道交通生產業務主要有CBTC業務信息、PIS緊急文本信息、列車實時狀態信息、車載CCTV監控圖像信息和PIS圖像信息。

利用LTE具有不同QoS等級的優點，將軌道交通生產業務的優先級進行劃分。軌道交通生產業務的帶寬需求和業務優先級要求如下：

表1 生產業務帶寬需求及業務優先級

2 環形道LTE試驗方案

2.1 電磁環境

環形道試驗段LTE系統試驗方案采用1.4 G頻段(1 447 MHz～1 467 MHz)共計20 M帶寬組網，該頻段與北京政務網LTE使用頻段相同。在對1 447 MHz～1 467 MHz頻段的電磁環境測試中，發現環形道范圍內存在較強的同頻干擾信號，某些地段干擾信號強度高達-60～-50 dBm。

LTE系統的網絡性能主要取決無線鏈路可獲得的SINR值。無線網絡通常采用系統的優化配置及基帶抗干擾算法等手段實現SINR值提升。環形道LTE試驗系統的優化設置方案通過摸底測試確定，規避干擾的優化方案包括減少基站覆蓋范圍、采用高增益車載天線、利用車體自身空間隔離及漏纜定向輻射等技術手段。

2.2 LTE系統方案

環形道建設LTE無線綜合通信系統，并在國家鐵道試驗中心調度樓和列車上分別搭建配合測試的業務系統。

2.2.1 LTE建設方案

LTE系統采用A、B網冗余組網方式，每個網絡均包括核心網（EPC）、基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）、車載無線終端（TAU），BBU通過以太網交換機直接接入2套LTE核心網設備，區間主要采用RRU+漏泄同軸電纜方式覆蓋。

1）網絡建設方案

在國家鐵道試驗中心調度樓控制中心內，A網新設EPC核心網設備、BBU、三層交換機以及網管設備；B網新設EPC核心網設備、BBU、三層交換機以及網管設備。EPC與BBU之間通過以太網交換機連接。LTE網絡設備通過GPS進行同步，GPS天線架設在調度樓樓頂位置。業務系統設備通過路由設備接入到LTE網絡EPC核心網。

為驗證LTE系統滿足信號系統的功能需求，需要測試跨BBU（eNB）切換的LTE傳輸性能。在A、B網各設置2臺BBU，為增加切換次數，同網的兩個BBU交叉到連接相鄰的RRU，使得車載無線終端每經過一個RRU就產生一次BBU間的切換，增加測試樣本數。

為規避政務網干擾，采用RRU+漏纜的覆蓋方式實現環形道的信號覆蓋。RRU與漏纜通過跳線連接。

區間覆蓋可采用單漏纜和雙漏纜2種方式，雙漏纜方式具有設備數據吞吐能力強，可靠性和安全性高的特點。當其中一根漏纜出現問題時，另外一根漏纜仍可以正常使用，減小單點故障對業務的影響；另外雙漏纜部署可以利用MIMO空間復用和SFBC發射分集技術提高信道的容量和可靠性，降低誤碼率。綜合以上分析，環形道沿線敷設2根漏纜，2根漏纜之間的間隔為1.05 m。

地面LTE系統構成如圖1所示。

2）車載系統

車載由LTE網絡車載設備和承載業務車載設備組成。

圖1 地面LTE系統構成示意圖

在測試車輛車頭車尾安裝雙極化車載天線，在司機室設置車載無線設備TAU和三層交換機設備，車載系統構成如圖2所示。

在車頭設置CBTC模擬業務車載測試設備、模擬PIS緊急文本業務車載測試設備、模擬列車實時狀態信息業務車載測試設備及PIS車載設備和CCTV車載設備；在車尾設置CBTC模擬業務車載測試設備和模擬PIS緊急文本業務車載測試設備。車頭和車尾的承載業務通過相應的交換機與LTE網絡車載無線設備TAU連接。

2.2.2 測試方案

環形道LTE系統的A、B網，共同承載測試相關業務數據。

A網承載CBTC業務信息、PIS緊急文本信息、列車實時狀態信息、車載CCTV監控圖像信息和PIS圖像信息等業務；B網承載CBTC業務信息和PIS緊急文本信息。CBTC業務信息和PIS緊急文本信息在兩套網絡上同時傳輸，保證其對網絡可靠性的要求。

CBTC業務信息、PIS緊急文本信息、列車實時狀態信息采用模擬方式進行業務數據的發送和接收，車載CCTV監控圖像信息和PIS圖像信息采用真實設備進行發送和接收。

PIS系統由PIS系統車載設備、PIS中心服務器等組成。PIS流媒體直播信息由下行信道承載，承載帶寬為每列車2～6 Mbit/s。由中心下發到列車的PIS信息有MBMS多播和單播2種承載方案可供選擇。MBMS多播傳輸可在移動網絡中提供一個數據源向多個用戶同時發送點到多點業務，實現網絡資源共享，提高網絡資源的利用率，尤其是空口接口資源。同時，MBMS多播方式在消除小區邊界鄰小區同頻干擾，滿足同小區多列車同時接收信息方面比單播承載具有較大的優勢。但由于目前參與測試的廠家尚不支持視頻組播業務，因此試驗段工程中仍采用單播空口分發模式。

測試組網方案如圖3、4所示。

圖2 車載系統構成示意圖

圖4 LTE網絡-B網測試方案

3 無線網絡規劃

3.1 頻率規劃

環形道采用1.4 G頻段（1 447 M～1 467 M），A網使用15 MHz（1 447 M～1 462 M）帶寬同頻組網，B網使用5 MHz帶寬（1 462 M～1 467 M）同頻組網。

3.2 重疊覆蓋區

相同切換時延情況下，移動終端移動速度越大，小區間需要設置越長的切換重疊覆蓋區。LTE系統中，從終端測量鄰小區電平開始，到切換完成所需時間為切換遲滯時間+周期測量報告上報時間+切換執行時間，周期測量報告上報時間約200 ms。切換執行時間為300 ms，切換遲滯2 dB。在這個考慮下，按列車最高速度為80 km/h計算，重疊區覆蓋半徑為40 m。所以，相鄰站間漏纜重疊覆蓋距離為80 m。

3.3 鏈路預算

根據規劃的頻率分配方案，采用15 M（A網）+ 5 M（B網）雙網結構。則A網子載波數為900個，而B網子載波數為300個。當采用相同功率RRU設備時，B網的子載波發射功率較A網大4.8 dB，所以B網的覆蓋范圍大于A網。環形道采用A、B網RRU同址統一與漏纜相接，鏈路預算以A網15 MHz為基準進行計算。

根據以上預算說明及各廠家設備的性能，選定合適的參數，計算每段漏纜支持的覆蓋長度。不同RSRP下的鏈路預算結果如表2、3所示。

通過上述計算和分析，考慮到小區間切換所需的重疊區域，整個環形道單網設置9個RRU。根據不同覆蓋區域政務網干擾強度的差異確定RRU站址，強干擾區RRU站間距為800 m左右，弱干擾區RRU站間距為1 200 m左右。

表2 以RSRP-81 dBm作為邊緣場強，鏈路預算結果

3.4 無線傳輸容量規劃

A網、B網傳輸容量規劃如下：

*指配A網上下行帶寬各100 kbit/s供CBTC業務信息使用；

*指配A網上下行帶寬各100 kbit/s供PIS緊急文本業務信息使用；

*指配A網上行帶寬100 kbit/s供列車實時狀態業務信息使用；

*指配A網2～6 Mbit/s上行帶寬供通信車載CCTV監控圖像信息使用，滿足同時回傳2路1～3 Mbit/s圖像需求；

*指配A網2～6 Mbit/s下行帶寬供PIS圖像信息傳輸使用，滿足同時下傳2路1～3 Mbit/s圖像需求；

*指配B網上下行帶寬各100 kbit/s供CBTC業務信息；

*指配B網上下行帶寬各100 kbit/s供PIS緊急文本信息使用；

*其余帶寬預留。

4 測試情況

在環形道進行LTE性能測試，包括場強測試、時延測試、小區邊緣性能測試、丟包率測試、越區切換測試和吞吐量測試；進行5 MHz和15 MHz頻譜下CBTC、PIS/CCTV綜合承載業務測試；進行LTE設備穩定性測試，包括系統穩定性測試、核心網故障條件下LTE功能測試、BBU故障條件下LTE功能測試、RRU冗余保障測試；同時進行LTE設備抗干擾測試。

試驗結果滿足預期，驗證了LTE系統抗干擾能力強、綜合承載能力強、頻譜利用率高的特點，能夠滿足軌道交通業務需求。測試結果表明，LTE系統用于承載軌道交通綜合業務，在保障CBTC業務高可靠傳輸的同時，能夠滿足緊急文本下發和列車實時狀態的傳輸需求，且能為CCTV和PIS等業務提供有效的傳輸通道。試驗段測試中城軌LTE系統受政務網干擾（在-60～-80 dBm之間）時性能會有所下降，但仍然能夠滿足綜合承載的傳輸需求。

表3 以邊緣場強按-73 dBm考慮，鏈路預算結果

5 結束語

2014年8月，按照以上組網方案在環形道搭建LTE系統，成功進行LTE綜合承載軌道交通生產業務的測試，同時也驗證了LTE網絡設計的合理性。環形道組網方案為LTE在城市軌道交通的示范應用奠定了技術基礎，可供軌道交通車地通信系統建設參考。

國外簡訊

日本首現無線平交道口控制

東日本旅客鐵路公司通過使用高級列車管理通信系統（Atacs），開始在日本北部的宮城縣仙石線上部署無線控制的平交道口，功能與ETCS3和CBTC相似。

車載設備根據自身速度和性能連續計算列車到達平交道口的時間。在接近平交道口時，列車向無線基站發出命令信號，隨即激活平交道口護欄。當車載設備識別出列車已經通過平交道口時，向基站發出第二個命令信號以抬起道口護欄。

2011年10月，Atacs系統首次應用于17.2 km長的“仙石線仙臺—東村—鹽釜”區段，并于上個月首先在2個位置新增平交道口功能，今年中旬將在本段線路剩余的12個平交道口增加該無線控制功能。

The paper analyzes train-ground communication in urban rail transit, puts forward a comprehensive solution for train-ground communication based on LTE technology, hopefully providing reference for applying LTE technology in urban rail transit.

urban rail transit; LTE-based loop-line comprehensive bearing; solution

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.011

2014-11-13）

（北京全路通信信號研究設計院有限公司 王沖譯自http：//www.railjournal.com 2015-01-16）

承載方案，希望對LTE技術在城市軌道交通的應用有一定的借鑒意義。