軌道交通車地通信LTE技術應用

摘要：軌道交通列車自動化、智能化應用和信息服務離不開列車與地面之間的無線通信條件。當前軌交車地通信普遍采用的方案之一為LTE數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)技術，基于應用需求、現(xiàn)場條件的獨特性，LTE數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)方案也有覆蓋、網(wǎng)絡、系統(tǒng)接入等方面的獨特設計。本文針對軌交車地通信LTE數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)應用的特點、技術方案設計特色進行分析歸納，以期反映LTE數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)技術的這一特定應用的特點。

關鍵詞：車地通信、LTE數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)、軌道交通無線通信系統(tǒng)

1車地通信需求分析

1.1業(yè)務分析

車地無線通信系統(tǒng)需要承擔GOA2下列車自動控制系統(tǒng)、乘客信息服務、列車信息業(yè)務、車載視頻監(jiān)視、集群調度等業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸。其中車自動控制系統(tǒng)、緊急文本業(yè)務、列車信息業(yè)務、集群調度業(yè)務屬于生產(chǎn)安全信息網(wǎng)業(yè)務;其他業(yè)務可屬于非生產(chǎn)安全信息網(wǎng)業(yè)務。

由于本工程車地無線需要承載生產(chǎn)安全類業(yè)務，LTE車地無線通信系統(tǒng)應建設冗余的A/B網(wǎng)絡，并按照單小區(qū)同時6列車考慮LTE容量設計。

1）列車自動控制系統(tǒng)需要傳輸列車控制報文等，控制列車安全牽引，根據(jù)調度意圖進行車站作業(yè)，調節(jié)運行圖時間。

2）司機呼叫集群語音業(yè)務具有現(xiàn)有成熟技術，基于LTE寬帶可視集群業(yè)務也在推廣使用。

3）車載乘客信息系統(tǒng)可以為列車內的乘客提供各類服務信息，通過穩(wěn)定無線帶寬可以實時組播視頻，以及單播信息報文。以每列車接收一路以圖像信息為主的下發(fā)信息計算，保證D1（720*576）的圖像質量，采用MPEG-2的編碼方式，下傳數(shù)據(jù)應達到6Mbps帶寬。

4）車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對列車內情況的實時監(jiān)控，并將列車車廂內的視頻監(jiān)控圖像信息上傳至車站和中心。車載監(jiān)控圖像采用MPEG-4或H.264的編碼方式，按每路約1M，每列車向地面上傳多路客室監(jiān)控圖像信息。

新規(guī)范提出監(jiān)控視頻保存90天要求，需要將視頻傳輸?shù)降孛娲鎯Φ男枨蟆Ｒ獙崿F(xiàn)車載視頻轉存，提出更高的帶寬要求。

5）車輛信息等其他需求。根據(jù)需要，可以將車輛運行狀態(tài)信息等上傳至相關的監(jiān)控系統(tǒng)，暫按0.48Mb/s的帶寬計算。

1.2業(yè)務帶寬需求

業(yè)務帶寬需求滿足單小區(qū)6列車（視頻按4列車）的保證帶寬值（表1 ）：

表1 業(yè)務帶寬

根據(jù)上表可以看出，在GOA2模式下，LTE-M系統(tǒng)A網(wǎng)承載CBTC業(yè)務時，上下行業(yè)務帶寬各為1.5Mbps; B網(wǎng)進行綜合業(yè)務承載時，上行業(yè)務需要帶寬14.98Mbps、下行業(yè)務需要帶寬8.56Mbps，此時上行業(yè)務帶寬需求高于下行業(yè)務。

1.3頻率需求

考慮安全業(yè)務的系統(tǒng)冗余要求，建設A/B雙網(wǎng)，CBTC業(yè)務業(yè)務由兩個網(wǎng)絡同時傳輸，其他業(yè)務可由單網(wǎng)傳輸。

根據(jù)LTE-M相關規(guī)范，GOA2模式下LTE一張網(wǎng)絡承載CBTC業(yè)務信息時就需要5MHz頻寬;當另一張網(wǎng)絡進行綜合承載時，根據(jù)表1可以看出LTE網(wǎng)絡上行業(yè)務需要帶寬16.98Mbps、下行業(yè)務需要帶寬8.56Mbps。由南京地鐵前期工程測試數(shù)據(jù)來看，當LTE系統(tǒng)頻率配置15MHz寬帶SA0時隙配比下，上行平均吞吐率達到25Mbps， 下行平均吞吐率達到14Mbps，但小區(qū)邊緣區(qū)域的吞吐率約為平均吞吐率的60%，LTE網(wǎng)絡進行綜合業(yè)務承載時需要15MHz頻譜寬帶才能滿足CBTC模式下車地業(yè)務的傳輸需求。

因此，將1785-1805MHz頻段內的5MHz用于LTE A網(wǎng)，15MHz用于LTE B網(wǎng)，LTE系統(tǒng)A/B網(wǎng)絡共需要20MHz頻譜。兩個網(wǎng)絡獨立運行，可以共享資源包括漏纜和工程材料等。每個網(wǎng)絡采用同頻組網(wǎng)技術，使用小區(qū)間干擾協(xié)調技術，確保相鄰小區(qū)在小區(qū)邊緣使用不同的頻率資源，避免小區(qū)間干擾，提升小區(qū)邊緣吞吐率。

2網(wǎng)絡規(guī)劃方案

2.1網(wǎng)絡方案

LTE網(wǎng)絡按照A、B雙網(wǎng)設計。在控制中心設置兩套LTE無線核心網(wǎng)設備（EPC）包括MME、S-GW、P-GW、HSS等網(wǎng)元和網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲服務器;在車站、停車場、車輛基地設置BBU+RRU設備，線路區(qū)間根據(jù)需要設置RRU設備，所有A網(wǎng)BBU+RRU設備和B網(wǎng)BBU+RRU設備按照同址設置;在列車上設置TAU設備，每列車的車頭和車尾同時設置A網(wǎng)+B網(wǎng)TAU設備。

1）控制中心子系統(tǒng)：在控制中心設置2套LTE無線核心網(wǎng)及網(wǎng)管，各類應用業(yè)務的接口服務器等;核心網(wǎng)通過專用傳輸網(wǎng)與車站子系統(tǒng)的基站BBU設備連接，通過接口服務器與各應用業(yè)務系統(tǒng)連接。

2）車站、車輛基地子系統(tǒng)：主要提供無線接入服務。在每個車站設置2套無線基站（BBU+RRU）設備，并根據(jù)覆蓋需要在區(qū)間軌旁設置RRU設備，線路區(qū)間采用漏泄電纜覆蓋，站內采用室內分布系統(tǒng)進行覆蓋;在車輛基地（車輛段/停車場）各設置2套無線基站（BBU+RRU）設備實現(xiàn)場段內覆蓋。

3）車載子系統(tǒng)：主要實現(xiàn)各類業(yè)務。在每列車的首尾司機室內設置各業(yè)務子系統(tǒng)的通信單元及接口應用部分，在車體頂部設置通信天線。

2.2網(wǎng)絡優(yōu)先級和服務質量

LTE-M系統(tǒng)以IP方式承載所有業(yè)務，對不同業(yè)務，分別定義不同的QCI的值來保障各個業(yè)務的應用。

將列控CBTC信號承載業(yè)務和集群調度業(yè)務的QCI設置為1，即系統(tǒng)中的最高等級;由于TCMS信息、緊急信息也要求有較高的優(yōu)先級，其QCI設置為2;車廂監(jiān)視視頻上傳、PIS視頻業(yè)務的QCI也在業(yè)務優(yōu)先級和服務質量劃分為中級。

2.3覆蓋方案

2.3.1場強覆蓋指標要求

按照95%時間及地點概率下，無線覆蓋指標RSRP≥-95dBm 且SINR≥3dBm考慮。

2.3.2覆蓋方式

（1） 行車線路區(qū)間（含站屬區(qū)間及出入段線）覆蓋

LTE 系統(tǒng)A+B網(wǎng)在行車線路區(qū)間（含島式車站站屬區(qū)間及出入段線）采用左右隧道各新敷設1根漏纜進行場強覆蓋，同時接入專用無線通信系統(tǒng)的漏纜來提高場強覆蓋的冗余性。在較長區(qū)間軌旁設置RRU，以保證覆蓋質量。

（2）車輛基地/停車場內場強覆蓋

車輛基地/停車場內敞開部分室外空曠區(qū)域采用漏泄電纜+小天線的覆蓋方式，場內封閉單體，包括列檢庫、檢修庫采用室分小天線覆蓋;

試車線采用采用漏泄電纜覆蓋方式;

2.3.3覆蓋設備

本工程新設的RRU設備主要設置在沿線車站通信設備室內。同一個RRU經(jīng)合路配置后需覆蓋4個不同區(qū)域線路方向。

根據(jù)漏纜及RRU無線技術指標及系統(tǒng)覆蓋要求，每一個RRU支持漏纜覆蓋的有效長度約為0.6km（最終的覆蓋距離需要根據(jù)所采用的漏纜計算）。即設置在相鄰通信設備室內的兩個RRU只能覆蓋1200米的隧道區(qū)間，超過1200米的區(qū)間需要配置軌旁RRU單元。

3、干擾分析

3.1系統(tǒng)內干擾

1）A/B雙網(wǎng)間干擾分析

A/B雙網(wǎng)異頻組網(wǎng)，可能存在鄰頻間干擾。

當兩個網(wǎng)絡頻段相鄰，如果兩個網(wǎng)絡發(fā)射和接收不同步，則會由于雜散和阻塞的原因互相產(chǎn)生干擾，導致網(wǎng)絡性能下降。為了避免該類干擾的發(fā)生，A/B雙網(wǎng)必須采取嚴格保證時隙配比一致，保證時鐘同步。

2）小區(qū)間同頻干擾

由于每個單頻網(wǎng)采用同頻組網(wǎng)，小區(qū)邊緣存在同頻干擾。

列車處于小區(qū)邊緣，頭尾移動端天線先后經(jīng)過小區(qū)邊緣的重疊覆蓋區(qū)域，由于受到鄰區(qū)導頻和業(yè)務的干擾導致信噪比較低，從而影響下行吞吐量。為了緩解同頻干擾的影響，應考慮進行優(yōu)化：

通過工作參數(shù)優(yōu)化，提升業(yè)務信道的功率，使處于邊緣用戶的信噪比得到改善;

通過修改切換參數(shù)，使用戶及早切換的目標小區(qū)，避免頭尾移動端同時處于切換進程;

通過無線管理算法，使互為鄰區(qū)的兩個小區(qū)下行頻帶錯開。

3.2系統(tǒng)間干擾

1）LTE與運營商無線通信系統(tǒng)之間干擾分析

行業(yè)應用LTE系統(tǒng)使用的頻段為1785-1805 MHz，與運營商的頻段關系如圖1所示：

根據(jù)上述頻段關系可以看出主要是LTE系統(tǒng)的頻段下邊緣與電信4G-FDD系統(tǒng)上行頻率1755-1785MHz鄰頻，頻段上邊緣與移動DCS系統(tǒng)下行頻率1755-1785MHz鄰頻，因此主要考慮鄰頻之間的干擾。解決系統(tǒng)間的鄰頻干擾措施包括：

考慮協(xié)議所要求的ACIR，可以根據(jù)公式計算得到兩個系統(tǒng)共存所需要的天線隔離距離。在網(wǎng)絡規(guī)劃和工程實施中保證兩者漏纜之間的距離避免干擾。

如果工程現(xiàn)場無法滿足天線隔離距離時，則考慮額外的隔離度，比如提高濾波器的性能;在兩個系統(tǒng)之間增加保護帶寬等。

建議4G-FDD系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)引入地鐵空間時，考慮分別與LTE系統(tǒng)的邊緣頻率間隔5MHz，以增加系統(tǒng)之間的保護帶寬。

2）其他行業(yè)同頻段LTE網(wǎng)絡間的干擾

采取場強限制空間隔離措施，規(guī)定在地鐵沿線1800MHz頻段無線場強標準。

本工程LTE系統(tǒng)采用1-5/8英寸漏泄電纜覆蓋，距離20米處耦合損耗增加，無線信號強度≤-105dBm，不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

對于其他1800MHz LTE系統(tǒng)在地鐵地面線路附近設站時，可以要求該站址LTE基站信號強度在地鐵軌道上方時RSRP≤-105dBm（地鐵LTE的 RSRP≥-95dBm）。

3.3干擾測試

由于1785-1805 MHz頻段非城市軌道交通單一業(yè)務專用頻段，且該頻段與運營商移動通信頻段相鄰。為解決鄰頻干擾問題，應與鄰頻段運營商溝通協(xié)商，聘請國家權威無線檢測部門進行干擾和被干擾測試，爭取地方無線電管理機構的最大支持。

4總結及建議

南京地鐵寧高線車地通信采用LTE系統(tǒng)，測試結果顯示無線通信質量和穩(wěn)定性有所提升，滿足乘客信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等一些業(yè)務的綜合承載應用。

本工程車地無線系統(tǒng)的可靠性和安全性至關重要，建設LTE系統(tǒng)進行車地綜合業(yè)務承載十分必要。在 GOA2模式下LTE車地無線網(wǎng)絡進行綜合業(yè)務承載時，需要在1785-1805MHz頻段內申請20MHz頻率。

沿線采用漏纜覆蓋，不會干擾其他系統(tǒng)，其他系統(tǒng)對本系統(tǒng)的干擾可采取相關措施規(guī)避。針對工程存在的地面高架線路，進行LTE系統(tǒng)設計時提高無線信號RSRP值有助于提高系統(tǒng)的整體抗干擾能力。

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作者簡介：謝紅霞、女、出生年月1972.01，1988年畢業(yè)于天津鐵路工程技術學校，2010年北京交通大學計算機科學與技術專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)就職于中移鐵通江蘇分公司從事技術管理工作崗位，聯(lián)系電話025-85836466。