鐵路LTE-R寬帶無(wú)線通信頻段選擇的思考

陳昊星

鐵路LTE-R寬帶無(wú)線通信頻段選擇的思考

陳昊星

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

針對(duì)鐵路發(fā)展LTE-R寬帶通信申請(qǐng)450 MHz頻率的計(jì)劃，結(jié)合以往的電磁環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)，提出了450 MHz頻段在高速鐵路承載LTE-R系統(tǒng)可能存在的一些潛在問(wèn)題。在高速鐵路的接觸網(wǎng)下快速移動(dòng)于450 MHz頻段會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，造成該頻段通信系統(tǒng)底噪抬升，故需要進(jìn)行全面試驗(yàn)，慎重使用。同時(shí)還提出了使用900 MHz頻段建設(shè)LTE-R網(wǎng)絡(luò)的建議，或有助于鐵路寬帶通信系統(tǒng)的平滑過(guò)渡，加快鐵路LTE-R發(fā)展進(jìn)度。

鐵路專(zhuān)用通信 LTE-R 450 MHz 電磁環(huán)境 頻段選擇

1 引言

目前，LTE已經(jīng)成為無(wú)線通信發(fā)展的主流，鐵路專(zhuān)用通信領(lǐng)域也開(kāi)始針對(duì)LTE系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用研究。在2016年中國(guó)無(wú)線電大會(huì)上，中國(guó)鐵路總公司已明確向國(guó)家申請(qǐng)450 MHz作為下一步鐵路LTE-R的試驗(yàn)頻點(diǎn)，并同時(shí)開(kāi)展450 MHz頻點(diǎn)范圍的LTE-R鐵路應(yīng)用研究，包括450 MHz用于鐵路LTE-R通信（本文所述的鐵路LTE-R通信主要涉及鐵路自身的業(yè)務(wù)，包括鐵路專(zhuān)用通信和輔助通信）的特性和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，接下來(lái)將基于對(duì)鐵路申請(qǐng)頻率及相關(guān)業(yè)務(wù)的理解，探討鐵路LTE-R寬帶通信所用頻點(diǎn)問(wèn)題。

2 鐵路LTE-R使用頻段的選擇

對(duì)于鐵路專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)LTE-R頻點(diǎn)的確定，一些研究人員認(rèn)為應(yīng)該選擇較低的頻段，如450 MHz。低頻段的電波傳播損耗小，可以減小基站間距；選擇低頻段則可利用現(xiàn)有基站，即能減少鐵路發(fā)展LTE-R的成本，加快發(fā)展速度。但對(duì)于鐵路LTE-R頻點(diǎn)的選擇，還應(yīng)考慮其他因素。比較鐵路應(yīng)用選擇不同頻段的利弊，從而能有針對(duì)性地進(jìn)行研究或采取必要的措施進(jìn)行漏洞的彌補(bǔ)。

鐵路LTE-R頻點(diǎn)選擇不僅要關(guān)注電波的傳輸衰減特性，還應(yīng)考慮鐵路沿線的特殊環(huán)境。高鐵線路都是電氣化鐵路，受電弓上的電壓高達(dá)25 kV。電力機(jī)車(chē)是一個(gè)高速的移動(dòng)體，由于受電弓在電力接觸網(wǎng)上滑動(dòng)，產(chǎn)生電磁干擾，干擾的頻譜范圍很寬，特別是在較低頻段干擾較強(qiáng)，而隨著頻率的提高干擾逐漸減弱。參考鐵路450 MHz無(wú)線列車(chē)調(diào)度模擬通信的覆蓋電平合格要求，電氣化與非電氣化線路的無(wú)線覆蓋標(biāo)準(zhǔn)在滿足通信質(zhì)量的條件下，電平相差10 dB。接收機(jī)接收到的噪聲干擾與天線距離受電弓的位置有關(guān)。在動(dòng)車(chē)組應(yīng)用的無(wú)線列調(diào)通信標(biāo)準(zhǔn)中，由于受電弓通常在高鐵列車(chē)中部，距通信天線較遠(yuǎn)，對(duì)鐵路無(wú)線通信覆蓋合格電平的要求比在電力機(jī)車(chē)環(huán)境下低4 dB。

鐵路電氣化干擾與列車(chē)運(yùn)行速度也有很大關(guān)系，在高速運(yùn)行時(shí)干擾幅度會(huì)加大。電氣化鐵路的干擾場(chǎng)強(qiáng)頻譜使用峰值檢波測(cè)試，根據(jù)鐵路多年的測(cè)試研究結(jié)果得知（如圖1所示），在距鐵路線30 m內(nèi)測(cè)試的干擾場(chǎng)強(qiáng)在150 MHz頻率達(dá)到約67 dBμV/m，隨著頻率的提高，每倍頻程減少5～6 dB左右。到450 MHz時(shí)干擾場(chǎng)強(qiáng)大約達(dá)到58 dBμV/m，而在900 MHz頻段干擾大約是52 dBμV/m。因此如果鐵路選擇450 MHz作為L(zhǎng)TE-R的應(yīng)用頻點(diǎn)，還應(yīng)考慮到電氣化干擾對(duì)無(wú)線通信質(zhì)量的影響，900 MHz頻點(diǎn)處受到的干擾小于450 MHz。

目前在高鐵列車(chē)控制（C3）線路上，900 MHz頻率的GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基站間距平均為3 km，一些研究人員認(rèn)為使用450 MHz頻點(diǎn)基站間距可能會(huì)在5 km內(nèi)。考慮到電磁干擾和高速運(yùn)行的情況，采用450 MHz頻點(diǎn)的鐵路LTE-R系統(tǒng)的基站間距不會(huì)太大。對(duì)于普速線鐵路，雖然列車(chē)運(yùn)行速度降低了，但通信天線設(shè)置在受電弓下距干擾源更近了，450 MHz頻點(diǎn)的干擾強(qiáng)度也會(huì)比較大。

如果按照在900 MHz頻點(diǎn)滿足載干比要求的基站間距，使用450 MHz頻點(diǎn)后，在相同距離下盡管覆蓋電平比較高但底噪抬升，基站間距可能比900 MHz基站間距還要近。因此是否選擇450 MHz作為鐵路應(yīng)用頻段還需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)。雖然有公司宣傳LTE網(wǎng)絡(luò)在時(shí)速430 km/h的磁懸浮線路上得到了成功應(yīng)用，但這兩種線路的電磁干擾特性是不一樣的，使用的也不是450 MHz頻段，因此在電磁干擾方面沒(méi)有可比性。

3 選擇合適頻段的優(yōu)點(diǎn)

鑒于上述的450 MHz頻點(diǎn)在電氣化鐵路應(yīng)用的干擾特點(diǎn)，使用900 MHz頻段應(yīng)該是鐵路發(fā)展LTE-R的較好的選擇，其理由如下。

3.1 隧道內(nèi)傳輸特性

圖1 距高速鐵路接觸網(wǎng)30 m的電磁環(huán)境測(cè)試曲線

鐵路應(yīng)用環(huán)境與其他公網(wǎng)無(wú)線應(yīng)用環(huán)境區(qū)別巨大，特別對(duì)于高速鐵路，其很多通信應(yīng)用環(huán)境都處于山區(qū)、隧道中。公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以降低在這些特殊環(huán)境下的通信要求，但對(duì)于鐵路來(lái)說(shuō)，對(duì)所有線路的安全要求都是一樣的，則對(duì)鐵路通信的要求也要保持一致。目前對(duì)于還在使用的450 MHz模擬通信系統(tǒng)以及900 MHz頻段的GSM-R系統(tǒng)，在隧道環(huán)境都使用了直放站技術(shù)，通過(guò)漏泄電纜覆蓋隧道內(nèi)空間。例如在某高速鐵路無(wú)線列車(chē)控制的線路，GSM-R系統(tǒng)由于沒(méi)有很好使用光纖直放站造成了多徑干擾，引起列車(chē)控制降級(jí)。LTE-R系統(tǒng)在隧道內(nèi)主要使用RRU或特殊的中繼技術(shù)加漏纜進(jìn)行覆蓋，通常不會(huì)出現(xiàn)多徑干擾現(xiàn)象，但LTE的同頻特性會(huì)使這些區(qū)域的SINR降低，影響數(shù)據(jù)的傳輸帶寬。450 MHz頻點(diǎn)的傳播損耗小，繞射能力強(qiáng)，可能在很多山區(qū)環(huán)境電平覆蓋會(huì)更加變化多樣。即使使用RRU技術(shù)，對(duì)于LTE這樣的同頻系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的可能性仍會(huì)較大，需要在建設(shè)中認(rèn)真考慮。

根據(jù)對(duì)鐵路通信多年的研究實(shí)踐，在隧道內(nèi)900 MHz頻點(diǎn)有波導(dǎo)效應(yīng)，電波在隧道內(nèi)傳播衰減為9 dB/km，而450 MHz頻點(diǎn)衰減為40 dBm/km以上。如果使用900 MHz的LTE-R系統(tǒng)，在中等長(zhǎng)度隧道中可以采用天線直接覆蓋隧道，降低隧道內(nèi)建設(shè)和施工的難度，在LTE-R試驗(yàn)完成后可以以最快的速度在所有線路建設(shè)新網(wǎng)絡(luò)，方便在運(yùn)營(yíng)線路布置新的通信系統(tǒng)。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的大隧道也可以通過(guò)在隧道內(nèi)設(shè)置LTE-R基站，使用天線完成覆蓋。如使用450 MHz的LTE網(wǎng)絡(luò)，必須延續(xù)漏纜覆蓋方式，需要對(duì)已開(kāi)通的幾萬(wàn)公里高鐵線路實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)改造，在既有鐵路通信系統(tǒng)的更新?lián)Q代以及養(yǎng)護(hù)維修上將會(huì)出現(xiàn)很多困難。

3.2 加快鐵路LTE-R的應(yīng)用進(jìn)度

鐵路運(yùn)營(yíng)中安全是第一位的，高速鐵路目前采用的列車(chē)控制系統(tǒng)CTCS-3（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“C3”）運(yùn)行穩(wěn)定，預(yù)計(jì)將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在線路中使用，因此現(xiàn)在進(jìn)行建設(shè)的LTE-R應(yīng)用主要是用于輔助的方面。這些輔助應(yīng)用包括運(yùn)行監(jiān)測(cè)、移動(dòng)售票及調(diào)度語(yǔ)音通信。

目前在高速鐵路運(yùn)行中開(kāi)啟了很多類(lèi)視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，包括接觸網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)、列車(chē)操作規(guī)范性監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車(chē)內(nèi)安全監(jiān)測(cè)等。這些監(jiān)測(cè)主要是為了在運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，輔助進(jìn)行原因查找和責(zé)任確認(rèn)。視頻監(jiān)測(cè)所需傳輸容量大也是鐵路發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)的主要原因之一，但視頻監(jiān)測(cè)不需要很高的實(shí)時(shí)性，允許有一定的延時(shí)。

還有很多鐵路應(yīng)用如沿線維護(hù)、車(chē)站服務(wù)通信、車(chē)內(nèi)服務(wù)人員的通信、沿線監(jiān)測(cè)告警等，這些應(yīng)用既有語(yǔ)音通信，也有很多是數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，其中包括視頻數(shù)據(jù)。目前很多語(yǔ)音通信都是使用450 MHz頻段進(jìn)行對(duì)講，并且在短時(shí)間不能取消。若使用450 MHz頻點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)很難避免這些既有應(yīng)用對(duì)LTE-R的干擾，影響LTE-R的正常應(yīng)用。

另一方面，研究人員提出了很多鐵路應(yīng)用LTE-R的迫切性，但如果按目前鐵路LTE-R的發(fā)展進(jìn)度，要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、頻率確定、規(guī)范制定、工程申請(qǐng)、施工建設(shè)等過(guò)程，其發(fā)展速度可能會(huì)慢于預(yù)期。而且鐵路建設(shè)是按線路進(jìn)行的，要在十年內(nèi)在全路實(shí)現(xiàn)LTE-R應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的。如果使用900 MHz頻段并首先用于鐵路輔助運(yùn)營(yíng)通信可以把相關(guān)應(yīng)用與試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，加快實(shí)施進(jìn)度。

如果鐵路LTE-R選用900 MHz頻段，將與目前使用的GSM-R在一個(gè)頻段范圍內(nèi)，由于LTE采用的是子載波的通信方式，GSM-R采用的是FDD方式，兩個(gè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)產(chǎn)生較大影響。在應(yīng)用初期，LTE-R可以很快承載一些非安全數(shù)據(jù)，開(kāi)展全面數(shù)據(jù)應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

高鐵LTE-R的發(fā)展得到了通信行業(yè)各方的廣泛關(guān)注，鐵路部門(mén)需要收集各方建議，依靠各個(gè)技術(shù)單位的支持。對(duì)于上文提出的450 MHz頻段的一些電磁環(huán)境是否會(huì)影響鐵路LTE-R運(yùn)用的問(wèn)題，需要根據(jù)鐵路各線路自身特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)分析，避免不必要的損失。

綜上所述，鐵路LTE-R寬帶應(yīng)用建議使用900 MHz頻段更有利于鐵路寬帶通信平滑過(guò)渡。吸收鐵路GSM-R系統(tǒng)在隧道內(nèi)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，中等長(zhǎng)度隧道可以使用天線直接進(jìn)行隧道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，降低布置LTE-R新系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少維護(hù)工作量，提高運(yùn)營(yíng)安全性；另一方面，也可以從鐵路輔助通信起步，積累經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)步發(fā)展。

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Thoughts on Frequency Band Selection of LTE-R Broadband Wireless Communications for China Railway

CHEN Haoxing
(Infrastructure Inspection Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

In view of the plan on the application for 450 MHz frequency band of LTE-R broadband wireless communications for China railway, some potential problems of 450 MHz frequency band in bearing the LTE-R system of the highspeed railway were presented according to the past test data of electromagnetic environment. The movement of the catenary of the high-speed railway in 450 MHz frequency band would result in the electromagnetic interference and the increase of noise level. The proposal on the construction of 900 MHz LTE-R network was presented. It would be beneficial for the smooth transition of the railway broadband communication system and the acceleration of LTE-R development.

railway special communication LTE-R 450 MHz electromagnetic environment frequency band selection

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.017

TN929.5

A

1006-1010(2017)15-0092-04

陳昊星. 鐵路LTE-R寬帶無(wú)線通信頻段選擇的思考[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(15): 92-95.

2017-02-09

責(zé)任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

陳昊星：助理研究員，碩士畢業(yè)于紐約大學(xué)理工學(xué)院，現(xiàn)任職于中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，主要從事鐵路通信系統(tǒng)，尤其是鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)的研究工作，對(duì)中國(guó)鐵路450 MHz及GSM-R通信系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究基于鐵路高速行駛情況下的GSM-R系統(tǒng)GPRS數(shù)據(jù)傳輸特征，以及中國(guó)鐵路無(wú)線通信演進(jìn)及無(wú)線頻譜使用和分布。