基于LTE的有軌電車車地通信全業務承載方案研究

張昌鵬

(成都軌道交通集團有限公司，成都 610000)

1 概述

城市軌道交通是提高城市經濟建設步伐的必要保障，同時也是反映城市綜合實力的一項重要指標。有軌電車通過與地鐵的結合，可起到加密補充公共交通功能及區域內骨干公共交通功能，并與軌道交通車站、對外交通樞紐、常規公交、非機動車形成一體化的綠色交通體系。

城市軌道交通的安全運行和舒適體驗，離不開專用的車地無線通信系統。由于列車在地面軌道上高速行進，最高行車速度約70 km/h，車輛與控制中心之間只能通過無線方式進行通信，因此，安全可靠的車地無線通信技術顯得極為重要。

結合國內其他城市軌道交通在這方面的建設工程經驗和目前的無線通信技術發展，有軌電車通過采用專用無線通信頻率，建設統一的車地無線通信網，可減少投資運維成本、提高行車安全水平。

2 全業務承載方案

目前，軌道交通中承載信號列控系統（CBTC)、乘客信息系統(PIS)和視頻監控信息(CCTV)的車地無線網絡普遍采用無線局域網（WLAN）技術，由于WLAN采用公共頻段，同時有大量支持WLAN的設備和終端，因此，存在較大干擾風險，對軌道交通的安全運營、人民群眾的財產安全產生嚴重威脅，迫切希望采用專用頻段承載信號信息。

無線列調系統一般采用陸上集群無線電（TETRA）數字集群通信系統解決方案，包括交換控制中心、基站、調度臺、固定臺、車載臺和手持終端。TETRA無線列調系統既為常態列調和各單位間聯絡使用，又兼顧應對突發事件發生時的應急應用。TETRA系統由于不支持寬帶數據業務，不能滿足軌道交通日益增長的安全和業務需求，城市軌道交通的通信方式需要新的技術方案。

長期演進（Long Term Evolution，LTE)作為綜合性寬帶無線網絡平臺，利用無線寬帶系統實現車－地之間的實時信息交換功能，傳輸帶寬高，高速移動接入性能強，能滿足多路實時視頻流下發及視頻監控數據回傳，同時可良好支持語音集群。基于目前國內軌道交通采用LTE承載PIS、CBTC，集群中部分業務的成功案例較多，如鄭州地鐵1號線、重慶地鐵5號線、烏魯木齊地鐵1號線及蘇州有軌1號線等，且有軌電車相對地鐵要求較低，因此LTE完全可以進行CBTC、PIS、CCTV及語言集群等業務綜合承載。

2.1 技術分析

LTE系統采用系統級冗余、設備級冗余及單板級冗余，提高了網絡的可靠性。使用行業專用頻段，系統外干擾少；采用小區間干擾協調等抗干擾技術，降低了系統內部干擾，最大限度減低了因頻率干擾帶來的系統穩定性及業務帶寬的損失。各種業務通過完善的服務質量（Quality of Service，QoS）機制，實現了精細化的業務優先級管理及良好的業務擴展能力。同時實現包括系統自檢、校時、數據通信、語音集群調度、特殊位置提示、車輛行駛監視、緊急報警處理、音視頻網傳功能、報警聯動、數據安全及斷電保護等完善功能。

2.2 LTE系統架構

有軌電車綜合無線通信系統由核心網層、無線匯聚層和接入層組成，其中核心網層包括LTE核心網、網管系統、調度臺、調度服務器、錄音系統、時鐘系統、乘客信息系統、視頻監控系統中心、列控系統和其他的外部系統等構成。無線匯聚層包括基站基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU），接入層包含車載子系統和集群手持終端，車載子系統由車載終端列車接入單元（TAU）、車載天線、車載交換機和合路器等主設備組成。有軌電車綜合無線通信系統組網架構如圖1所示。

1）數據業務承載實現原理

為保證數據業務的穩定、安全可靠傳輸，各業務服務器通過設置于控制中心的核心網交換機接入LTE車地通信系統；在列車上各業務的車載控制設備通過車頭車尾的TAU接入LTE車地通信系統。通過LTE車地通信系統提供的無線透明傳輸通道實現車地數據的實時、雙向傳輸，并實現車頭-車尾冗余保護的傳輸通道。

2）集群對講實現原理

LTE的物理層比較嚴格，在處理LTE物理層控制信令外，上層業務都基于物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）和物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）信道處理，業務的資源調度由介質訪問控制（Media Access Control，MAC）層實現，因此LTE系統集群增加了專用的傳輸信道和邏輯信道，進行專用的集群業務信道的調度，保證集群業務的優異性能。

圖1 LTE系統結構圖Fig.1 LTE system structure diagram

3）數據與集群綜合承載原理

LTE無線綜合承載網絡是一個可靠的、冗余的、可靈活重構配置的透明傳輸通道，具備多種業務接入承載功能，采用統一集群的核心網可以同時支持車地數據傳輸和專用無線的集群調度。

LTE綜合無線通信系統能實現9個QoS分類級別，系統根據QoS級別進行資源分配和調度，其中優先級越小者可優先保障資源分配和調度。系統可以根據不同業務的QoS要求，進行不同的QoS參數配置，并映射到不同的級別上，以保障不同業務的優先級別。

CBTC及集群調度業務采用高優先級別，CCTV、PIS等帶寬要求較大的業務采用較低優先級別，這樣即使是因視頻監控系統、乘客信息等業務導致有業務擁塞，CBTC及集群調度的業務質量也能夠得到保障，因此LTE完全滿足全業務承載需求。

2.3 有軌電車與其他行業LTE系統干擾分析

根據四川省經濟和信息化委員會的批復，成都地鐵使用1 790～1 800 MHz頻段的10 MHz帶寬，有軌電車復用1 790～1 795 MHz頻段的5 M帶寬建設車地無線寬帶網絡。

目前，有軌電車沿線其他行業亦開始建設1.8 G LTE系統，相互間可能會造成干擾，主要分為同頻和異頻兩類干擾。當其他行業與有軌電車LTE使用相同或重疊的頻率時，造成同頻干擾；其他行業與有軌電車LTE使用不同的頻率，造成異頻或鄰頻干擾。

LTE是時分雙工系統，收發同頻，通過上下行時隙的劃分，利用全局時鐘進行同步，實現雙工切換。如果兩個系統的時隙配置不同，或者沒有同步到GPS或其他相同的時鐘源上，則兩個系統為不同步系統，會出現基站和終端兩兩交叉的系統間干擾。如果兩個系統的時隙配置相同，并且都同步到GPS，則不會出現基站和基站之間、以及終端與終端之間的交叉干擾。

經過計算與分析，一般線路情況下，采用異頻組網時，如果雙方采用相同的時隙配比，則兩系統基站距離350 m時，不存在干擾情況。如果雙方采用不同的時隙配比，則異系統基站在距離1 050 m范圍內對本項目車載終端存在影響。結合實際情況，如果有建筑物遮擋，其他行業基站部署位置遠離本項目行車區間，影響距離可能會縮短，但為了降低和消除影響，仍然需要在工程實施和網絡優化等方面進行考慮。

綜上所述，工程實施中需要根據各業務的帶寬需求靈活配置時隙配比，為了更好的獲得LTE的抗干擾性能，建議頻率管理部門在批復其他系統頻率時盡量預留5 M帶寬與有軌電車進行頻率隔離，同時保持相同的時隙配比，以確保各系統均能正常工作。

2.4 基站布置方案

本次無線網絡規劃的傳播模型如公式（1）所示，其中K1～K7的取值根據標準Cost231模型轉換而來，各參數具體取值按規范及相關要求設置。

其中：

Path_Loss：傳播路徑損耗中值/dB；

K1：衰減常數/dB；

K2：距離衰減常數；

K3、 K4：移動臺天線高度修正因子；

K5、 K6：基站天線高度修正因子；

K7：繞射修正因子；

d：接收機和發射機之間的距離/km；

Clutter_Loss：地物衰減修正值；

Hms：移動臺天線有效高度/m；

Heff：基站天線有效高度/m。

鏈路預算結果表明，室外參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)門限按一般接入的要求設置時，以小區參考信號 (Cell Reference Signal，CRS)下行鏈路路損計算覆蓋半徑約1.4 km，以PUSCH上行鏈路路損計算覆蓋半徑約0.75 km。每個RRU帶兩個天線，分別覆蓋線路兩側，整個線路區間全部由兩個RRU信號進行覆蓋，保證網絡的可靠性。

根據規劃，有軌電車在標準路段享有獨立路權，路口采用信號智能優先，軌道布置在道路中央，車站設于路口。在繁華路段車輛行駛速度可能減慢，則單小區內的車輛容量增加，因此在布站時，采用等距離部署RRU和按車站部署RRU相結合的方式。

綜上所述，RRU在開闊區域，按照間距不超過1 km布放，在線路轉彎及人口密集區域，RRU部署在車站附近，確保在小區覆蓋范圍內，滿足各業務的帶寬需求。

2.5 時隙配比的選擇

一般情況下車站布設RRU，車站由于覆蓋良好，可以實現峰值速率；但在小區覆蓋邊緣，速率只有峰值速率一半。根據有軌電車的實際情況，視頻上行業務量較大，為了保證上行業務不受物理頻寬的影響，采用定向天線交叉覆蓋如圖2所示，且不存在終端密集的場景，系統受到的干擾主要是下行干擾，即在終端側，受到來自基站的干擾信號更強。

圖2 車站天線覆蓋圖Fig.2 Station antenna coverage diagram

LTE中速率的配置通過調制與編碼策略（MCS）索引值來實現。MCS將所關注的影響通訊速率因素作為表的列，將MCS索引作為行，形成一張速率表。所以，每一個MCS索引其實對應一組參數下的物理傳輸速率。MCS值越大，采用的調制方式越高階，傳輸速率越高。

當網絡的無線環境不干凈，受到的干擾增大，此時基站和終端會根據所處無線環境的好壞檢索MCS值，再由調度器統一調度分配。由于在有軌電車沿線上行的干擾較小，下行的干擾較大，因此采用2DL∶2UL的均衡時隙配比，保障下行業務不受影響。

3 結論

目前軌道交通建設的無線網絡中，通信制式越來越多樣化，包括400 M專用對講系統、800 M（TETRA）專用集群調度系統、以WLAN/DVB-T/LTE技術承載PIS和CCTV系統業務的車地無線系統以及以LTE技術承載CBTC業務的車地無線系統，但LTE全業務承載CBTC、車輛、票務數據、PIS、CCTV及語言集群業務的，國內尚無開通案例。

軌道交通的信號列控系統是高密度行車的安全保證，該系統需要列車在行車過程中，列車與地面設備不斷的進行數據和指令的交換，完成對線路上密集列車的精準定位和控制。通過分析論證，LTE的安全可靠性完全滿足軌道交通使用需求。同時，反恐使車地間視頻的傳輸變得更為重要，因此，在一套車地無線通信系統上，為了有效的實現軌道交通全部車地業務的承載，本文對全業務承載在抗干擾、基站布置及時隙配比等方面進行了多項創新和工程實施上的嘗試，符合未來軌道車地無線系統融合發展的趨勢，為后續項目提供借鑒。