TD-LTE承載地鐵信號無線網絡規劃方案探究

李先河

?

TD-LTE承載地鐵信號無線網絡規劃方案探究

李先河

中鐵三局集團電務工程有限公司，山西 晉中 030600

LTE技術與傳統無線局域網相比，具有延遲降低、分組傳送、廣域覆蓋、高數據速率和移動支持能力強等諸多優勢。WLAN僅有三個完全正交的信道，而LTE組網具有豐富的干擾避免技術；從基站的覆蓋范圍來看，LTE組網較傳統WLAN范圍更大，單個接入點支持更多的用戶數，這對組網的復雜度起到降低作用。更為重要的是，對于不同等級的QoS保障，LTE也能支持，這樣在承載多業務時，LTE對業務優先級進行劃分，保證關鍵業務的優先。對于承載地鐵多業務來說，這無疑具有很大的優勢，而傳統的無線局域網很難達到這一點。以武漢地鐵7號線一期為實例，探討基于LTE的地鐵信號無線傳輸具體方案的設計。

TD-LTE；地鐵信號；無線網絡；規劃方案

引言

作為關系列車運營體驗和運行安全的特殊系統，CBTC?對可靠性、安全性要求極高。產品鏈和技術的成熟度是目前國內大部分城市采用WLAN技術承載CBTC?業務的主要出發點。

1 無線傳輸體設計

1.1 平臺總體設計

TD-LTE作為下一代無線技術的主流標準，目前在商用領域已經獲得較大規模的應用。TD-LTE的核心是正交頻分多址/單載波頻分多址（OFDMA/SC-FDMA）、多發多收（MIMO）等技術，可以明顯提高無線通信的頻譜效率和數據傳輸效率。目前已向無線電管理委員會申請1?785～1?805?MHz用于本次工程的基于時分雙工（TDD）模式的寬帶無線接入網絡。依照TD-LTE的技術特點，已經申請的20?MHz帶寬，可以實現下行100?Mbit/s、上行50?Mbit/s的信息傳輸。

根據ATC業務系統傳送車地信息的特點，LTE網絡采用A/B獨立雙網的冗余設計承載業務。A/B獨立雙網包括A/B無線雙網和A/B雙核心網。

如圖1所示，A/B無線雙網確保在軌旁由2張無線網絡實現無線信號冗余覆蓋。A/B無線網絡分別采用不同的頻點F1和F2。A無線網絡內采用同頻組網，B無線網絡內也采用同頻組網。A/B雙核心網即是2個單獨的核心網。A無線網絡和A核心網組成可以實現端到端通信的LTE?A?網絡，B無線網絡和B核心網組成可以實現端到端通信的LTE?B網絡。

圖1 雙線雙網的頻率規劃示例

TD-LTE車地無線通信系統采用A、B雙網設計，雙網同站址覆蓋。通過POI設備與800?MHz專用通信系統共用一根泄漏同軸電纜，另一根泄漏電纜為信號專用泄漏電纜。

車地寬帶無線網絡覆蓋包括正線、停車線、聯絡線。隧道軌旁主要部署RRU和泄漏同軸電纜（1.8?GHz）。BBU與RRU之間通過IR接口光纜連接。分別部署A、B網的核心網設備EPC，通過中心交換機實現信號系統業務的接入。在列車的車頭和車尾，分別設置LTE網絡車載設備，包括車載接入單元（TAU）天饋系統等。車頭和車尾各安裝一臺TAU，車頭的TAU工作在LTE?A網；車尾的TAU工作在LTE?B網。系統的整體架構如圖2所示。

圖2 車地無線寬帶系統平臺的架構

核心網包含MME，S/P-GW和eHSS邏輯網元。MME處理UE的移動性管理和會話管理，S/P-GW處理終端和組的媒體面數據路由和承載資源分配。MME和S/P-GW之間為S11接口，用于進行用戶面承載的管理。核心網組成如圖3所示。

1.2 正線覆蓋方案

在全地下隧道內使用泄漏電纜進行TD-LTE的無線信號覆蓋，由于隧道把地鐵上行方向和下行方向物理隔離，將上行方向和下行方向分別劃分為2個小區，在行車方向上配置小區鄰區。RRU放置在車站信號機房，功分/合路器也放置在信號設備房，TETRA四功分后的信號經饋線接入信號設備房的功分/合路器輸入端，合路器輸出端接到區間漏纜上，實現隧道內覆蓋[1]。

圖3 核心網架構

1.3 站臺區覆蓋方案

島式站臺軌道間距離較大，軌道使用泄漏電纜覆蓋，能夠滿足隔離度的要求。島式站臺的RRU連接如圖4所示。

對于側式站臺，由于軌道間距離較小，不能滿足隔離度要求，將站臺的上下行軌道規劃為一個小區，將覆蓋上下行軌道的兩個RRU進行小區合并，使用泄漏電纜進行無線信號覆蓋。如果在側式站臺無法架設泄漏電纜，則采用天線方式覆蓋。側式站臺RRU的連接如圖5所示。

圖5 側式站臺無線覆蓋方案

距離天線10?m處的傳播損耗為57?dB，漏纜的耦合損耗按63?dB，雙極化定向天線增益按8?dBi考慮，則采用6?dB的耦合器來耦合功率給站臺覆蓋的天線，可以保證漏纜和天線之間的場強平滑過渡。天線只需在一側漏纜安裝。

1.4 漏纜覆蓋切換區計算

終端在移動過程中，需要從一個基站移動到下一個基站，從而發生基站信號的切換，在兩個基站之間就會形成一個切換區，漏纜切換示意如圖6所示。

阿東當夜即往回趕。到家時，已近半夜。推門進屋，家里正一片狼藉。阿里被一根繩子捆著，蹲在墻角。醫生給他打了安定，他垂著頭，似乎已經睡著。他的臉上手上臟兮兮的，就像人們常見的流浪街頭的瘋子。阿東立即淚如泉涌。他大聲吼道：“哪個混賬捆的!爸爸你太過分了，爸爸你怎么能這樣對他!”

圖6 漏纜切換區示意圖

切換區的計算：

切換區距離?=?2?dB/漏纜每米損耗?+2×（測量時長+切換時延）×車速 （1）

列車最大速度按120??km/h，測量時長和切換時延一般為300??ms以內，傳播模型按漏纜每?100?m最小損耗3.8??dB（1.8??G）計算，車速按120?km/h計算，切換區長度計算如下：

2/3.8×100+2×0.3×80?000/3?600=61?m （2）

2 泄漏電纜共用方案

2.1 LTE與TETRA專用通信系統合路方案

如圖7所示，全線各車站軌旁LTE和TETRA信號同時接入漏纜處，通過2個POI合路器，實現A、B網兩通道RRU的接入和1路800??MHz專用通信無線信號的接入。

圖7 LTE與TETRA專用通信合用示意圖

POI合路器a為2入2出型合路器，用于LTE?A/B網信號合路；POI合路器b為4入2出型合路器，用于LTE?A/B網、TETRA信號合路，需要從TETRA系統的功分器引入射頻饋線接入POI合路器b，覆蓋隧道的雙方向。

2.2 共用漏纜隔離度分析

2.2.1 TETRA系統對TD-LTE的干擾分析

（1）雜散干擾

TETRA基站帶外離散雜散的輻射指標為?﹣30?dBm（1?MHz的測量帶寬），經過4功分器（按6??dB計算）后為﹣36?dBm。

TD-LTE的靈敏度按照﹣101.5?dB，信道帶寬5?MHz，熱噪聲功率底為﹣107?dBm。如果允許TD-LTE基站靈敏度惡化3?dB，可接受的干擾電平為﹣107?dBm，則需要：

﹣30－（﹣107）+?10l?g（5/1）≈84?dB （3）

即POI的800?MHz通道濾波器在1.8?GHz處的抑制為84?dB。

（2）阻塞干擾

TETRA基站發射功率為25?W，44??dBm，經過4功分器（按6??dB計算）后為38?dBm。TD-LTE的帶外阻塞指標按一般性要求為﹣15?dBm。因此，只要POI的1.8?G通道對800?MHz的隔離抑制度按照一般性要求需要達到53?dB，即可滿足要求。

2.2.2 TD-LTE系統對TETRA的干擾分析

（1）雜散干擾

TD-LTE基站帶外離散的輻射指標一般要求為﹣36?dBm（100?kHz的測量帶寬）。

TETRA基站動態靈敏度為﹣113?dBm，信道帶寬25?kHz，共道C/I門限為19?dB。如果允許TETRA基站靈敏度惡化2?dB，則可接受的干擾電平為﹣124?dBm/100?kHz（等效﹣130?dBm/25??kHz），同時計入4功分器插損（按6?dB計算），則需要：

﹣36?－6－（﹣124）=?82?dB （4）

即POI的1.8??GHz通道濾波器在800?MHz處的抑制按一般性要求為82?dB。

（2）阻塞干擾

TD-LTE基站發射功率為40??W（46??dBm）。TETRA阻塞指標為﹣40??dBm，同時計入4功分器插損（按6??dB計算）。可以計算得出：

46?－（﹣40）－?6?=?80?dB （5）

即POI的800?MHz濾波通道對1.8??G的隔離抑制度需要達到80?dB。

根據以上計算要求，選擇滿足隔離度要求的POI合路器。

3 總結

首先，某地鐵所用的1.8??GHz頻段是國家給所有行業的行業專用頻段，遵循先申請先得的原則，并不是軌道交通的專用頻段，因此LTE如果要在軌道交通行業廣泛推廣，還需要國家無線電管理委員會明確軌道交通專用頻段；其次，LTE還需要針對軌道交通做大量行業適配工作。在針對軌道交通車地無線CBTC和調度業務的承載上，需要繼續和業界合作，進行對接測試和匹配的終端開發。在針對越來越復雜的各種覆蓋場景上（隧道、高架、換乘站等），提供訂制化的覆蓋解決方案。

[1]李厚鍇. TD-LTE承載地鐵信號無線網絡規劃方案[J]. 鐵路通信信號工程技術，2017（6）：66-70.

Research on TD-LTE-Bearing Metro Signal Wireless Network Planning Scheme

Li Xianhe

China Railway No.3 Engineering Group Co., Ltd., Shanxi Jinzhong 030600

Compared with traditional wireless LAN, LTE technology has many advantages such as delay reduction, packet transmission, wide-area coverage, high data rate and strong mobile support. The WLAN has only three completely orthogonal channels, and the LTE network has a rich interference avoidance technology. From the coverage of the base station, the LTE network is larger than the traditional WLAN, and a single access point supports more users. This reduces the complexity of the networking. More importantly, for different levels of QoS guarantee, LTE can also support, so when carrying multiple services, LTE divides the service priorities to ensure the priority of key services. This is undoubtedly a great advantage for carrying metro multi-services, which is difficult to achieve with traditional wireless LANs. Taking the first phase of Wuhan Metro Line 7 as an example, the design of the concrete scheme of wireless signal transmission based on LTE is discussed.

TD-LTE; subway signal; wireless network; planning scheme

TN929.5

A