LTE-M車地無線通信單雙漏纜敷設研究

張煥增

(濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250002)

1 各城市車地無線通信TD-LTE應用現狀

根據國內軌道交通運營現狀和發展趨勢，結合《關于重新發布1785 ～1805 MHz 頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》（工信部無[2015]65 號）和《工業和信息化部關于加強1447 ～1467 MHz和1785 ～1805 MHz 頻段無線電頻率使用管理的通知》（工信部無[2018]197 號）精神，各城市新建線路信號系統多采用TD-LTE 車地無線通信方式，部分線路采用TD-LTE 進行綜合承載，根據各地無委會頻率批復情況不同，采用的方案也有差異，采用TDLTE 車地無線通信方式的傳輸介質主要是漏纜。

如頻率批復15 ～20 M，根據目前的方案可進行綜合承載，主要承載列車自動控制（CBTC）、列車緊急文本下發、列車狀態監測、實時視頻監控、乘客信息服務及寬帶集群調度等業務。如批復10 M 及以下，只能單獨承載信號系統，其他系統采用WLAN 方案。

漏纜價格較為昂貴，以30 km 的線路計算，漏纜需要上下行雙向敷設，知名品牌的漏纜單價在每米100 元左右。在材料費方面，單漏纜方案比雙漏纜方案節約600 萬左右，施工相關費用按照定額40 元/米，共計240萬左右，總計節約投資840 萬左右。從造價上分析，單漏纜方案要比雙漏纜方案節約很多投資，因此深入研究采用LTE 方案時使用單漏纜還是雙漏纜是非常有意義的。

2 綜合承載情況下的漏纜使用情況

考慮到CBTC 業務高可靠傳輸的要求，車地無線綜合通信系統方案須采用A/B 雙網設計，A/B 網相互獨立，并行工作。信號系統CBTC 業務在兩套網絡上同時傳輸，由信號系統同時接收并判斷確定使用有用信息。而車載視頻監控（CCTV）業務和車載乘客信息系統（PIS）視頻業務以及列車運行狀態信息僅承載在A 網。綜合承載結構如圖1 所示。

LTE 采用基于IP 的扁平化網絡結構，由核心網子系統EPC、無線子系統eNB、網管子系統及終端設備組成，其中，eNB 包含基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）設備。綜合承載情況下因承載業務多，帶寬要求高，雙漏纜按照特定敷設要求可以產生多入多出效應（ MIMO），能增加系統傳輸帶寬，AB 雙網通過合路器整合后將信號灌入漏纜中，目前應用綜合承載的線路基本采用雙漏纜覆蓋，大大提高了系統的穩定性和可靠性。

3 單獨承載情況下的漏纜使用情況

針對單獨承載信號系統的情況，對單漏纜布置方案進行分析，并考慮各種故障情況下的通信狀態，分析如下。

圖1 綜合承載系統架構Fig.1 Architecture of comprehensive bearing system

漏纜的傳輸指標：以安佛施漏纜指標為例，如圖2 所示。

圖2 中標圈出的為1.8 G 頻率下的漏纜傳輸損耗，每100 m 損耗為4.6 dB，漏纜耦合損耗按照60 dB 考慮。

漏纜損耗計算常用信息如表1 所示。

表1 不同設備漏纜損耗計算表Tab.1 Loss calculation table of leaky cable

雙網單漏纜連接方式如圖3 所示。

圖2 安佛施漏纜指標Fig.2 Index of RFS leaky cable

圖3 雙網單漏纜網絡連接圖Fig.3 Network connection diagram of double network single leaky cable

場景1：漏纜中間斷開如圖4 所示。

圖4 雙網單漏纜連接方式中間漏纜斷開圖Fig.4 Middle leaky cable disconnect diagram of double network single leaky cable connection mode

列車在斷點前的信號強度：廣播信號強度－電橋損耗－接頭損耗－跳線損耗－漏纜傳輸損耗－漏纜耦合損耗－寬度因子－工程余量+終端天線增益=15 － 3.5 － 1 － 2（跳線損耗）－ 4.6×6 － 60（耦合損耗)－0（寬度因子）－5+3（天線等效增益）=-81 dBm。

終端切換的判決條件：目標小區比鄰區強3 dB，持續300 ms。

寬度因子是漏纜覆蓋衰落的原因，公式：20lg（D/2），D 是終端距離漏纜的距離。若車速為60 km/h（17 m/s），切換點原小區場強計算，列車跨過斷點3 m 后能夠滿足前方RRU 信號比后方RRU 信號強3 dB 的條件。但列車要距離前行300 ms（約5 m），才能觸發切換。切換時距離斷點8 m，信號強度=-81 dBm－20lg（8/2）dB=-93 dBm。兩個RRU 之間漏纜中斷，能正常切換。

場景2：RRU 附近漏纜中斷如圖5 所示。

圖5 雙網單漏纜連接方式中間RRU附近漏纜斷開圖Fig.5 Middle leaky cable disconnect (near RRU) diagram of double network single leaky cable connection mode

列車在故障點前的場強：15－3.5－1－2（跳線損耗）－4.6×12－60（耦合損耗）－0（寬度因子）－5+3（天線等效增益）=-108 dBm。

這個強度中斷切換失敗概率很高。

從場景2 分析，根據LTE-M 相關規范，列車在行駛過程中，場強大于-95 dBm 時無線通信能保持正常通信，小于-95 dBm 時信號會逐漸衰弱，但并非無線通信會立即斷掉。只是信號強度會變弱，無法保證能正常通信。按照-95 dBm 場強考慮，漏纜的單側長度大約在-95 dBm－（-108 dBm）=13 dB，13 dB/（4.6 dB/100 m）=282 m。 從 計 算 結 果來看，RRU 出線端至282 m 位置信號強度低于-95 dBm。也就是說單端RRU 可以有效的長度為1200 m－282 m=918 m。

根據常規的LTE 天線布置方案，車輛車頭車尾分別有A 網及B 網天線。以6 節編組B 型車為參考，兩端天線之間至少100 m 間距，RRU 終端附近有斷點時，當車頭位置到達斷點時，車尾距離另一側RRU 距離大約1100 m 位置，此時場強大約為15－3.5－1－2（跳線損耗）－4.6×11－60(耦合損耗)－0（寬度因子）－5+3（天線等效增益）=-103 dBm。

在這個強度下雖然無法保證正常通信，但從-95 dB 也就是282 m（自斷點）處至100 m（自斷點）-103 dB 的過程中，無線信號可能會出現斷斷續續的情況，結合信號系統車地無線通信普遍存在5 ～9 s 中斷后即緊急制動的情況。因此，在這一段距離范圍內，存在中斷并且產生緊急制動的情況還是存在的，但是也有一定概率是不會產生緊急制動。

4 總結與展望

通過本文分析，針對城市軌道交通車地無線系統，建議漏纜的配置方式如下。

1) 綜合承載的情況下，采用雙漏纜，確保網絡穩定可靠。

2) 單獨承載信號的情況下，通信系統采用WLAN 方式。信號系統采用單漏纜的覆蓋方式，根據各種漏纜中斷情況，只有在RRU 附近漏纜中斷的情況下，列車有一定概率產生緊急制動。

從工程實際應用角度來講，地下段隧道漏纜通常掛在4 m 高度，施工完成之后很少會進行漏纜施工，因此，漏纜斷開的概率較小。高架段通常安裝在U 梁下方，風吹日曬雨淋等環境較為惡劣，同時維護施工過程中可能會存在踩踏破壞等情況，損壞斷開的概率較大。從工程實際應用角度考慮，建議采用雙漏纜，提高整個車地無線系統的可靠性。