軌道交通車地通信LTE特殊場景覆蓋分析與解決方案

徐淑鵬

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軌道交通車地通信LTE特殊場景覆蓋分析與解決方案

徐淑鵬

（鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450000）

在國內軌道交通快速發展下，城市軌道交通線路正在向網絡化發展。軌道交通的線路、車站、車輛段、隧道區間等建設情況日趨復雜，使基于TD-LTE技術的車地通信系統的設計、建設和維護難度越來越大。在規劃設計和建設中應保證車地業務的安全、可靠，減少信號干擾，應用新的技術滿足軌道交通不斷增長的需求。基于鄭州市軌道交通車地無線LTE綜合承載方案，結合前期建設、運營的經驗，針對軌道交通線網中多種復雜場景的應用分析，結合1.8 G頻率資源優化配置，提出特殊場景下車地通信LTE覆蓋解決方案，并對不同場景下空間隔離、頻率隔離、共基站覆蓋等方案進行對比分析，為實際工程建設提供有效的理論依據與工程實施方法。

軌道交通；車地通信；特殊場景；綜合承載

隨著城市軌道交通的不斷發展和LTE車地通信技術的不斷應用，通信工程部署面臨越來越多的復雜場景，如多條線共用車輛段、同站臺換乘、長大區間覆蓋、單洞雙線、全自動駕駛等場景。在實際LTE網絡部署中，如何充分利用1.8G頻率資源實現車地業務的安全、可靠承載，并減少信號干擾。同時，隨著LTE技術的不斷發展，需要考慮如何應用新的技術滿足軌道交通不斷增長的需求。針對上述各類場景的特點與業務需求進行分析，提出不同場景覆蓋解決方案[1]。

1 鄭州軌道交通車地無線綜合承載組網方案

總結鄭州軌道交通1、2號線及城郊鐵路TD-LTE承載車載PIS和車載CCTV業務使用情況，結合2號線六站五區間對TD-LTE綜合承載科研測試結果，從安全性、可靠性、冗余性和投資等方面綜合考慮。

綜合承載業務的系統架構從網絡結構設置區域層面可以劃分為5層，即中心設備層、有線傳輸層、無線覆蓋層、車載終端以及應用層[2]。LTE綜合承載系統架構采用基于IP的扁平化網絡結構，架構簡單，維護節點少，核心設備冗余設置，滿足安全性的要求，系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

從系統架構中可以看出，有線傳輸系統部分，實現了全線所有設備集中站，設備非集中站，車輛段以及試車線的網絡連接，主要由工業以太網交換機組成。無線通信系統部分，包括車載無線設備、BBU和RRU，LTE漏纜（地面為天線），通過無線傳輸方式建立車載和軌旁設備間可靠的通信連接。

根據信號系統的雙網冗余結構，結合鄭州市軌道交通申請到的20 MHz帶寬，同時考慮到TD-LTE目前只能支持1.4/3/5/10/15/20 MHz組網，鄭州市軌道交通基于TD-LTE的車地無線通信A、B網采用15 M+5 M的頻率配置方案，A網（1 790～1 805 MHz）采用15 M帶寬資源同頻組網，實現綜合承載；B網（1 785～1 790 MHz）采用5 M帶寬資源同頻組網，承載信號CBTC列車控制信息[3]，如圖2所示。

圖2 A、B網無線資源分配

鄭州軌道交通車地無線LTE綜合承載PIS、CCTV和CBTC業務，正線地下區間使用漏纜覆蓋，高架和車站使用天線覆蓋方案[4]。綜合承載LTE A網和B網針對地下區間漏纜覆蓋采用共享專用無線通信系統和警用無線通信系統的兩根漏纜方案[5]。

2 特殊場景分析及覆蓋方案研究

2.1 場景1：多條線同場共址車輛段

多條線路共用車輛段，多條線路的無線通信網絡在車輛段匯集到一起，車輛段的無線覆蓋分為“庫內覆蓋”、“咽喉區覆蓋”和“試車線覆蓋”等部分。為避免線路之間無線信號的相互干擾，庫內無線覆蓋可考慮采用空間隔離、頻率隔離、基站信號共小區覆蓋等方案[6]，圖3所示為鄭州軌道交通4、12號線河西車輛段鳥瞰圖。

圖3 鄭州軌道交通4、12號線河西車輛段鳥瞰圖

Fig. 3 Aerial view of Hexi depot of Zhengzhou Metro Lines 4 and 12

2.1.1 空間隔離方案

兩條線車庫間可使用墻體隔離，采用相同的頻率，采用A網承載15 M頻寬，B網承載5 M頻寬的模式，可滿足車庫內多輛車、大帶寬的需求。咽喉區在空間上也存在一定間距（超過120 m），通過天線位置和覆蓋方位可實現空間隔離。

2.1.2 頻率隔離方案

兩條線路的咽喉區在空間上沒有墻體隔離，僅使用天線的位置和覆蓋方位進行隔離不能滿足載干比的要求，所以在咽喉區還要使用頻率隔離。若庫內墻體隔離土建實施難度大或投資大，則可采用頻率隔離的方案實施，其中一條線路庫內及咽喉區采用A網承載5 M頻寬，B網承載5 M頻寬；另一條線路庫內及咽喉區采用A網承載5 M頻寬，B網承載5 M頻寬的方案。

2.1.3 基站信號共小區覆蓋方案

3條線路的基站共用核心網，基站側采用基站共小區，減少切換和干擾。由于此場景對核心網的可靠性要求比較高，且影響范圍大，建議將主備核心網異地或異線部署。

2.1.4 方案比較（見表1）

表1 多條線同場共址車輛段覆蓋方案比較

2.1.5 段場具體場景覆蓋方案

運用庫覆蓋方案：運用庫采用基站RRU中間放置，天線背靠背覆蓋方式，滿足同時多輛列車終端并發傳輸數據[7]，如圖4所示。

圖4 運用庫覆蓋方案

Fig. 4 Vehicle storehouse coverage scheme

咽喉區覆蓋方案：咽喉區與隧道口相接，覆蓋方案要考慮隧道、變軌、車庫內小區重疊等問題。典型場景覆蓋如圖5所示。

圖5 咽喉區覆蓋方案

試車線覆蓋方案：可結合具體的場景采用天線覆蓋，以及漏纜和天線結合的方式覆蓋。

2.2 場景2：同站臺換乘

隨著地鐵線路建設的增多，面臨越來越多的線路換乘，兩條線路的同站臺換乘分為單島雙線以及雙島四線兩種方式。

2.2.1 單島雙線場景

兩條線路在換乘站使用同一個軌道。共軌段部署兩套信號設備和無線接入設備。如圖6所示。

圖6 單島雙線場景

1）共用頻段方案

兩條線路共用相同的頻段，如果雙線無線覆蓋連接同一個EPC，采用RRU共小區特性，減少切換和干擾。如果雙線無線覆蓋連接不同的EPC，選擇一條線路在換乘區做無線覆蓋，通過終端在不同設備商網絡間漫游的方案，減少干擾。

2）頻率隔離方案

兩條線路采用不同的頻率，互不干擾。

3）方案比較，見表2

表2 單島雙線場景覆蓋方案比較

2.2.2 雙島四線場景

兩條線路換乘，不共用軌道，共4條軌道。一般中間兩條軌道是一條線路，兩邊軌道是另一條線路。如圖7所示。

圖7 雙島四線場景

1）共基站覆蓋方案

如果四線無線覆蓋為同一設備商，采用RRU共小區特性，減少切換和干擾。

如果四線無線覆蓋為不同設備商，選擇一條線路在換乘區做無線覆蓋，通過終端在不同設備商網絡間漫游的方案，減少干擾。

2）頻率隔離方案

4條線路采用不同的頻率，互不干擾。

3）方案比較，見表3

表3 雙島四線場景場景覆蓋方案比較

2.3 場景3：長大區間覆蓋

隨著軌道交通的建設延伸，如機場線、市域線等，出現長大區間的覆蓋，車站間距比較大，此時需充分考慮LTE在1.4 MHz、3 MHz、5 MHz組網下的覆蓋距離、平均帶寬等。其場景如圖8所示，覆蓋方案比較如表4所示。

圖8 長大區間場景

表4 長大區間覆蓋方案比較

通過對各種頻寬組網場景下的仿真規劃，結果如表5所示：

表5 各頻寬組網上下行速率對比

綜上所述，需根據承載的業務類型（如CBTC GOA等級）帶寬需求選擇不同的頻寬組網以及站距規劃[8]。

2.4 場景4：單洞雙線覆蓋方案

方案場景如圖9所示。

圖9 單洞雙線場景

2.4.1 共用頻段方案

同頻組網，上下行RRU共用，使用雙漏纜進行覆蓋，考慮到可能的車體遮擋，在隧道兩側各布置一根漏纜[9]，如圖10所示。

圖10 共用頻段方案

2.4.2 頻率隔離方案

上下行采用不同頻率組網，隧道兩側分別使用雙漏纜進行覆蓋。如圖11所示。

圖11 頻率隔離方案

2.5 全自動駕駛場景下的覆蓋

全自動駕駛場景下，車地通信部分對車載移動視頻回傳的需求承載加大，按照每列車6節車廂，每節車廂4路高清視頻，包括司機室4路視頻，每列車的視頻需求為28路[10]。按照高清視頻需求每路8 Mb/s，可得到每列車視頻需求速率為224 Mb/s，如果是H.265編碼，高清每路2 Mb/s，則每列車視頻需求速率為56 Mb/s；全自動場景下，按調用視頻考慮，則帶寬需求14路×2=28 Mb/s，這個帶寬需求應是目前全自動駕駛對車地通信比較實際的需求。1.8 GHz LTE組網滿足不了CBTC+全自動駕駛+移動視頻的綜合承載需求。可考慮LTE-U技術，實現非安全、大帶寬類業務的承載，LTE-U與WLAN技術比較見表6。

表6 全自動駕駛場景下LTE與WLAN技術對比

實際部署中，可考慮1.8 GHz LTE組網和5.8 GHz LTE-U組網結合的方式滿足全自動駕駛場景下的CBTC高可靠性以及高清視頻高帶寬需求。

3 結語

在介紹鄭州軌道交通車地無線綜合承載組網方案的基礎上，對軌道交通線網中的復雜場景進行細分，并對每一種不同場景下LTE網絡覆蓋的影響因素進行分析，針對各場景特點和業務需求提出了解決方案，既達到最佳的無線網絡覆蓋效果，還有效地節約了建設成本，為實際工程建設提供了理論依據和工程實施方法[11]。

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（編輯：王艷菊）

Special Scenario Coverage Analysis and Solutions to LTE Train-Ground Communications of Rail Transit

XU Shupeng

(Zhengzhou Metro Co., Ltd., Zhengzhou 450000)

Urban rail transit operations in China have changed from single line to multiline networks and its operation information is exchanged through communications networks. The construction of lines, stations, depots and tunnels for urban rail transit has become more and more complicated, which gives rise to difficulties in designing, building and maintaining Time-division Long-term Evolution (TD-LTE) train-ground communications systems. Therefore, new technology is required to improve safety and liability and to reduce signal interference in the planning and building of the train-ground communications systems. This paper analyzed the overall service capacity and the design and operation experiences of the LTE wireless train-ground communications system as an example. It expounds the coverage of the system under complicated scenarios in urban rail transit line networks. Optimal configuration of 1.8G frequency resources is presented and the solutions to special scenario LTE communications coverage are proposed. The schemes of spatial isolation, frequency isolation and co-site coverage are compared and analyzed in a bid to provide theoretical basis and engineering methods for engineering practice.

urban rail transit; train-ground communications; special scenario; overall service capacity

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.004

U231.1

A

1672-6073(2018)05-0017-05

2018-03-29

2018-04-16

徐淑鵬，男，本科，技術管理部副部長，高級工程師，從事軌道交通通信、信息技術研究，Xsp1969@qq.com