地鐵TD—LTE覆蓋方案研究

摘要：和WLAN技術(shù)相比，TD-LTE技術(shù)由于具備了一系列明顯的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始逐漸在地鐵中獲得應(yīng)用。文章結(jié)合在地鐵行業(yè)中TD-LTE的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在分析了TD-LTE技術(shù)的相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，分別從TD-LTE技術(shù)的覆蓋方案設(shè)計(jì)、切換技術(shù)、抗干擾技術(shù)等方面對(duì)地鐵中TD-LTE技術(shù)的具體覆蓋方案進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：地鐵行業(yè)；TA-LTE技術(shù)；覆蓋方案；切換技術(shù)；抗干擾技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN929 文章編號(hào)：1009-2374（2016）21-0099-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.048

1 概述

當(dāng)前，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，大量的人口開(kāi)始融入城市，私家車(chē)輛的數(shù)量也開(kāi)始大量增加，從而使得城市交通面臨著巨大的壓力，因此，為了有效地解決這種問(wèn)題，就需要在城市中發(fā)展大容量、準(zhǔn)點(diǎn)、快捷的城市軌道交通系統(tǒng)，而地鐵就是目前建設(shè)很廣泛的交通方式。在當(dāng)前的地鐵中，地鐵覆蓋存在的接入系統(tǒng)較多，而且覆蓋的要求也較高，同時(shí)還面臨著設(shè)備安裝空間有限的問(wèn)題，因此，時(shí)延小、可靠度高的無(wú)線通信技術(shù)就顯得非常有必要，而TD-LTE技術(shù)便是非常好的一個(gè)選擇。TD-LTE是TDD（時(shí)分復(fù)用）版本的LTE技術(shù)，也是我國(guó)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4G國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，是一種專門(mén)為移動(dòng)寬帶應(yīng)用而設(shè)計(jì)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。

2 TD-LTE技術(shù)的相關(guān)理論

2.1 LTE技術(shù)的涵義

LTE是基于正交頻分復(fù)用多址接入（OFDMA）技術(shù)，依據(jù)由3GPP組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。LTE在最初的設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了高吞吐率的需求，是目前一種比較先進(jìn)的無(wú)線通用技術(shù)。LTE的帶寬速率是比較大的，和以往的技術(shù)相比，上下行的速率都有了明顯的提升。而且在結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，由于扁平化結(jié)構(gòu)是其主要的結(jié)構(gòu)，也能夠使得用戶的時(shí)延得到了很大的降低。此外，正交頻分復(fù)用、多輸入多輸出以及混合反饋重發(fā)等先進(jìn)技術(shù)的采用，也使得其在數(shù)據(jù)速率的提升方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。除此之外，TD-LTE技術(shù)的安全性也是值得一提的，在其中應(yīng)用了比較先進(jìn)的抗干擾技術(shù)以及其他的安全機(jī)制，能夠保證數(shù)據(jù)可以更加安全穩(wěn)定地傳輸。

2.2 TD-LTE技術(shù)的特征

近些年來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且呈現(xiàn)出了移動(dòng)化、寬帶化以及IP化的發(fā)展方向，也相應(yīng)地使得移動(dòng)通信市場(chǎng)面臨著更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。在這種情況下，LTE由于其具有的一系列優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始成為眾多相關(guān)組織、機(jī)構(gòu)、廠商等的演進(jìn)技術(shù)，從而使得其在很多的應(yīng)用場(chǎng)合中獲得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也使得這些應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷被擴(kuò)展著。

2.3 TD-LTE技術(shù)的可行性分析

近些年以來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)獲得了非常快速的發(fā)展，不過(guò)其最終的方向都是指向了LTE技術(shù)。通過(guò)在地鐵中應(yīng)用LTE技術(shù)，能夠有效地減少等待時(shí)間和提升數(shù)據(jù)的傳輸速率，同時(shí)也有效地改善了系統(tǒng)的容量和覆蓋，降低了運(yùn)營(yíng)成本，而這些都是地鐵在運(yùn)營(yíng)中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，因此，正是由于這些優(yōu)勢(shì)使得其在地鐵中具有很好的可行性。

3 地鐵中TD-LTE與WLAN技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)

目前，很多已建的城市地鐵中，WLAN技術(shù)都是應(yīng)用的主要技術(shù)，但是該種技術(shù)雖然應(yīng)用簡(jiǎn)便，但是不足之處也是比較多的，比如，WLAN技術(shù)存在著較多的干擾源、安全性比較差、覆蓋范圍比較小、帶寬低等，面對(duì)著當(dāng)前地鐵系統(tǒng)中不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，WLAN技術(shù)顯然已經(jīng)顯得力不從心而急需一套穩(wěn)定的傳輸系統(tǒng)用于車(chē)地之間的數(shù)據(jù)傳輸，在這種情況下，TD-LTE技術(shù)就開(kāi)始進(jìn)入到了人們的視野中，并發(fā)揮出了其重要的作用：

第一，和WLAN技術(shù)相比，其在高速移動(dòng)性能方面表現(xiàn)得更加突出，理論上500km/h移動(dòng)速度以下都能夠有效適應(yīng)，這完全可以滿足地鐵列車(chē)的移動(dòng)特性。

第二，專用運(yùn)行頻段也是TD-LTE的突出特征，也即是說(shuō)，該種技術(shù)幾乎不存在著干擾的問(wèn)題，這點(diǎn)也是WLAN技術(shù)所無(wú)法企及的。

第三，我國(guó)很多城市都在嘗試建設(shè)城際快軌、地鐵，有部分列車(chē)的速度甚至超過(guò)了120km/h。而筆者根據(jù)目前車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)只能適用于120km/h以下的移動(dòng)速度，尤其對(duì)于CBTC系統(tǒng)中的無(wú)線通信，如果列車(chē)的速度超過(guò)了120km/h，發(fā)生誤碼率的情況就會(huì)急劇增加，從而很難滿足CBTC系統(tǒng)的傳輸需要。而面對(duì)著這種情況，TD-LTE技術(shù)的應(yīng)用很好地滿足了地鐵的這種需求。

第四，對(duì)于LTE技術(shù)來(lái)說(shuō)，其還制定和完善了QoS體系（服務(wù)質(zhì)量體系），其能夠根據(jù)系統(tǒng)中不同的業(yè)務(wù)來(lái)定義不同的QoS保障策略，同時(shí)針對(duì)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，定義不同的QoS保障策略。

第五，LTE能很好地支持移動(dòng)狀態(tài)下上行視頻圖像的上傳。

4 地鐵中TD-LTE技術(shù)的具體覆蓋方案

4.1 LTE的覆蓋方案設(shè)計(jì)

在當(dāng)前很多地鐵中，需要在覆蓋方案中接入的系統(tǒng)非常多，而且對(duì)覆蓋的要求也比較高。再加上地下空間小、設(shè)備安裝空間有限，因此本文主要探討了采用多頻分合路器（POI）對(duì)各系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行合路后通過(guò)同一套天饋進(jìn)行覆蓋。而在具體的設(shè)計(jì)中，站廳和站臺(tái)采用柜式POI，而隧道區(qū)間采用壁掛式POI。

4.1.1 站廳和站臺(tái)的區(qū)域覆蓋。在車(chē)站的站廳和站臺(tái)區(qū)域采用帶寬全頻段吸頂進(jìn)行覆蓋，其中上行和下行分開(kāi)，間距大約為1.25米，垂直走廊布放。對(duì)室內(nèi)天線的出口功率進(jìn)行合理控制，做到小信號(hào)均勻覆蓋。相應(yīng)的覆蓋原理圖主要如下圖1所示：

4.1.2 隧道區(qū)間的覆蓋。在地鐵列車(chē)的運(yùn)行中，大多數(shù)的時(shí)間都是在隧道中，而在該區(qū)域的TD-LTE技術(shù)覆蓋，主要采用漏泄同軸電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的信號(hào)覆蓋，其中上、下行各一根。同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的漏纜鏈路損耗以及切換分析，為了保證足夠的切換區(qū)域，建議LTE信源的距離應(yīng)該在500米以內(nèi)。相應(yīng)的，地鐵隧道區(qū)域的覆蓋原理圖如圖2所示：

4.2 TD-LTE的切換技術(shù)

在地鐵中應(yīng)用TD-LTE，主要需要考慮到在地鐵出入口、站廳站臺(tái)、隧道內(nèi)以及隧道口與地面四個(gè)方面的

切換。

4.2.1 地鐵在出口與入口之間的切換，當(dāng)乘客需要出入站廳時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地上與地下的切換問(wèn)題，很容易由于電扶梯的日益衰落、人群對(duì)信號(hào)的衰落等各種原因帶來(lái)了信號(hào)重疊區(qū)不能夠滿足相關(guān)要求的現(xiàn)象。針對(duì)該種問(wèn)題，就可以考慮在出入口布設(shè)天線，使得交疊區(qū)能夠在出入口通道的附近。而針對(duì)于LTE技術(shù)來(lái)說(shuō)，可以將邊緣場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)值控制在-105dBm之上，這樣就可以有效實(shí)現(xiàn)信號(hào)的平滑切換。

4.2.2 站廳與站臺(tái)間的切換。一般情況下，站廳是單獨(dú)作為一個(gè)區(qū)域，與站臺(tái)之間也存在著切換問(wèn)題，根據(jù)地鐵空間的實(shí)際情況，可以在站廳、站臺(tái)電梯附近分別布設(shè)天線，LTE切換時(shí)延取值為500ms，如果自動(dòng)扶梯取值為0.65m/s，則可以要0.5×0.65×2=0.65m以上的信號(hào)重疊區(qū)，同時(shí)仍然還要保證將邊緣場(chǎng)強(qiáng)控制在

-105dBm以上，以使其能夠滿足相應(yīng)的覆蓋要求。

4.2.3 區(qū)間隧道內(nèi)的切換。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在區(qū)間隧道內(nèi)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域之時(shí)，對(duì)重疊區(qū)域的切換規(guī)劃，過(guò)渡區(qū)域A、切換距離B以及保護(hù)距離C是需要重點(diǎn)考慮的三個(gè)重要因素。在對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行重點(diǎn)考慮的基礎(chǔ)上，可以采用RRU同小區(qū)技術(shù)，基于相應(yīng)的劃分原則，對(duì)站臺(tái)與地鐵隧道劃分為相應(yīng)的小區(qū)，在具體的劃分時(shí)，應(yīng)該基于實(shí)際情況進(jìn)行，盡量做到數(shù)量、區(qū)域大小相協(xié)調(diào)，以保證LTE的信號(hào)能夠在不同的區(qū)域中進(jìn)行平滑的切換。

4.2.4 還應(yīng)該對(duì)地面和隧道口之間的切換進(jìn)行考慮，在對(duì)這一因素進(jìn)行考慮時(shí)，如何能夠保證列車(chē)在切換過(guò)程中的充足時(shí)間問(wèn)題是需要重點(diǎn)考慮的，可以采用從隧道內(nèi)向隧道外延伸足夠長(zhǎng)度漏纜的方法，這樣就能夠與室外的小區(qū)有效形成重疊的覆蓋區(qū)，繼而使得通信的可靠、連續(xù)性得到有效增加。

4.3 TD-LTE的抗干擾分析

由于在地鐵中存在著各種系統(tǒng)的干擾，因此，對(duì)于其中應(yīng)用的TD-LTE技術(shù)也應(yīng)該對(duì)抗干擾引起足夠的重視。而有關(guān)的干擾主要有雜散干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾三種。

4.3.1 雜散干擾。對(duì)于LTE雜散輻射該項(xiàng)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，3GPP以及國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）都做出了詳細(xì)的規(guī)定：通常情況下，基站的發(fā)射機(jī)頻段為9～12.75GHz，當(dāng)然，發(fā)射機(jī)本身的工作頻段除外，雜散輻射功率電平上限為-36dBm。而同時(shí)按照我國(guó)的工業(yè)和信息化部CCSA設(shè)備指標(biāo)的規(guī)定：雜散輻射功率電平上限為

-65dBm，因此雜散設(shè)備指標(biāo)按照-65dBm進(jìn)行計(jì)算。

4.3.2 互調(diào)干擾。根據(jù)物理的原理，所有的器件都存在非線性的情況，即當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性器件時(shí)，會(huì)衍生出各階諧波。當(dāng)產(chǎn)生的次生諧波落在其他系統(tǒng)的頻率范圍內(nèi)，就會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

4.3.3 阻塞干擾。對(duì)于阻塞干擾來(lái)說(shuō)，在地鐵工程中涉及的機(jī)會(huì)并不多，這是因?yàn)門(mén)D-LTE的設(shè)備輸出功率比較低，而且通過(guò)相關(guān)的分析也知道其他干擾落在有用信號(hào)內(nèi)的干擾信號(hào)十分微弱，因此阻塞干擾機(jī)會(huì)不會(huì)發(fā)生。換句話說(shuō)，也即是在滿足雜散干擾的情況下，阻塞干擾幾乎是不用考慮的。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，TD-LTE作為一種先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，由于具有高可靠性、高帶寬等一系列明顯的優(yōu)勢(shì)，是其他無(wú)線通信技術(shù)所無(wú)法相比的，而通過(guò)實(shí)踐也證明，將該種技術(shù)應(yīng)用到地鐵中，發(fā)現(xiàn)其不僅丟包率低、穩(wěn)定性強(qiáng)，而且穩(wěn)定性強(qiáng)，從而有效滿足城市軌道交通的多種業(yè)務(wù)綜合承載需要，因此在未來(lái)城市軌道交通領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：何昀（1975-），男，浙江諸暨人，浙江眾合科技股份有限公司工程師，研究方向：城市軌道交通工程設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：小 燕）