全自動運行車輛段運用庫庫內LTE系統網絡布署方案研究

劉 斌 王子毅

(蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州∥第一作者，工程師)

隨著城市軌道有市郊線郊的發展，列車的運行速度也在不斷提高。在列車高速運行過程中，基于WLAN(無線局域網)技術的信號數據傳輸錯誤會大大增多。另外，由于WLAN 的覆蓋距離較小，需要安裝很多AP(無線訪問接入點)設備，人工維護成本很高，故障發生概率也相應增多。因此必須要進一步探索出更加安全穩定的無線通信技術。

LTE(長期演進技術)是基于OFDMA(正交頻分復用多址接入)技術，由3GPP(第三代合作伙伴計劃)組織制定的全球通用標準。DCS(數據通信系統)的車地無線通信協議采用的是3GPP LTE Rel9標準。作為一種先進的無線通信技術，LTE技術在設計時就考慮了滿足高吞吐率的需求，在20 MHz帶寬組網情況下，峰值傳輸數據速率下行可達100 Mbit/s，上行可達50 Mbit/s。同時，LTE系統采用的是扁平化架構，可降低時延。LTE系統工作在 1.8 GHz頻段 (1 785～1 805 MHz)，使用這一頻段設備需獲得無線型號核準證，需要遵守一定的核準指標。

全自動運行系統采用LTE安全通信協議，車載無線單元與地面網絡需要進行認證授權，通過后才能進行關聯，并且對傳輸的數據進行加密，加密密鑰不少于128位。

1 全自動運行車輛段LTE系統網絡布署方案分析

根據LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統)系統需求規范，GoA4(無人干預列車運行)列車綜合承載業務(包括CBTC(基于通信的列車控制)、PIS(乘客信息系統)、TCMS(列車控制管理系統))需要周期性發送數據，列車的上行傳輸速率不小于512 kbit/s，下行傳輸速率不小于512 kbit/s。以A網、B網5 MHz+15 MHz小區配置為例，其中A網5 MHz為CTBC專用，B網15 MHz為列車綜合承載業務專用。全自動運行車輛段車庫數據傳輸容量將會受A網上行數據傳輸容量限制。因此，在全自動車輛段運用庫的設計初期就需考慮LTE的數據傳輸容量上限以及與運用庫庫內各RRU分區物理分割的問題。

1.1 單小區容量評估

運用庫庫內建立一個RRU(遠端射頻單元)小區，容量受限于A網的5 MHz小區。A網和B網單網狀態下的數據傳輸速率如表1所示(B網中按照MIMO(多輸入多輸出)方式計算)。

表1 LTE系統A網和B網單網狀態下的數據傳輸速率

由表1可見，受A網上行容量限制，單小區理想情況下最大容量只能支撐11列列車并發數據傳輸。

在運用庫庫內建立一個RRU小區(見圖1)，A網和B網合路共用天饋系統(采用雙漏纜覆蓋，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側)，輻射方向如圖1中箭頭所示。單小區信號覆蓋不存在同頻干擾，因此采用單小區布署方案，A網和B網的數據傳輸速率可以達到理論峰值。

圖1 全自動運行車輛段運用庫LTE系統單小區布署方案

1.2 雙小區容量評估

由于小區帶寬資源有限，單小區容量有限，因此可以通過增加小區的方式實現擴容。在運用庫庫內建立RRU1與RRU2兩個小區，同時考慮兩個小區之間是否需要進行物理分隔以及小區容量上限的問題。

1.2.1 無物理分隔的雙小區容量評估

運用庫庫內建立RRU1與RRU2兩個小區，在沒有做物理隔離的情況下會出現兩個小區間的同頻干擾問題，因此兩個小區的容量僅為峰值容量的60%～70%。雙小區A網和B網雙網狀態下的數據傳輸速率如表2所示。

表2 LTE系統A網和B網雙網狀態下的數據傳輸速率(雙小區規劃)

由表2可見，在沒有做物理隔離的情況下，雙小區容量依然受A網的上行容量限制，雙小區理想情況下最大容量只能支撐13～15列列車并發數據傳輸，且這些列車需在兩個小區內均勻分布。

在運用庫庫內建立RRU1和RRU2兩個小區(見圖2)，每個小區采用雙漏纜+全向天線覆蓋，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側)，輻射方向如圖2中箭頭所示。采用從漏纜引信號接全向天線方式覆蓋，降低同一股道上左右兩個小區之間的干擾，同時保證可正常切換。A網和B網RRU位置放置于庫頭庫尾同一位置，A網和B網合路共用天饋。

圖2 全自動運行車輛段運用庫LTE系統雙小區(無物理分隔)布署方案

以蘇州軌道交通5號線全自動運行車輛段——胥口車輛段運用庫中LTE網絡布署方案為例。胥口車輛段運用庫庫內設有22股道(每股道停車2列)，滿負載下同時可容納44列列車。該運用庫長約288 m，寬約147 m。在不改變目前車路(列車股道)場景的前提下，可以將該庫按股道方向劃分為兩個小區。考慮相互之間的同頻干擾問題，在沒有做物理隔離的前提下，每個小區容量可達峰值容量的60%～70%。

車庫容量受A網上行限制，MIMO方式無法有效提升小區上行容量。按照信號廠家提供的資料，列車CBTC系統的最大實際上下行速率按210 kit/s計算，則單小區理想情況最大容量只能支撐26列列車并發數據傳輸；雙小區理想情況最大容量只能支撐31～36列列車并發數據傳輸，且需要這些列車在兩個小區內均勻分布。胥口車輛段運用庫前期布署方案中沒有考慮物理分隔，由于LTE技術存在同頻干擾問題，在既有的帶寬下無法達到44列列車并發數據傳輸，只能通過規章制度對列車并發數據傳輸進行限制。

1.2.2 物理分隔的雙小區容量評估

在有物理隔離的情況下，信號覆蓋同頻干擾較小， A網和B網雙網狀態下的數據傳輸速率可以接近理論峰值，最大容量可支撐22列列車并發數據傳輸，但這些列車需在兩個小區內均勻分布。

有物理分割情況下，運用庫庫內RRU1與RRU2布署方案如圖3所示，采用雙漏纜覆蓋全庫，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側)，輻射方向如圖3中箭頭所示。在運用庫庫內中間設置物理分隔，可降低上下兩個小區之間的干擾，提高小區容量。A網和B網的RRU放置于庫頭庫尾同一位置，A網和B網合路共用天饋系統。

圖3 全自動運行車輛段運用庫LTE系統雙小區(有物理分隔)布署方案

1.3 四小區容量評估

由于小區帶寬資源有限，因此可以通過增加小區的方式實現擴容。在運用庫庫內將RRU1與RRU2分別拆分成兩個小區，在沒有做物理隔離的情況下會出現兩個小區間的同頻干擾問題，因此四個小區的容量僅為峰值容量的60%～70%。按照四小區規劃的A網和B網雙網狀態下的數據傳輸如表3所示。

表3 LTE系統A網和B網雙網狀態下的數據傳輸速率(四小區規劃)

由表3可見，在沒有做物理隔離的情況下，四小區容量依然受A網的上行容量限制，四小區理想情況下最大容量只能支撐26～30列列車并發數據傳輸，且這些列車需在四個小區內均勻分布。

在有物理隔離的情況下，信號覆蓋降低了同頻干擾，因此該小區布署方案A網和B網雙網狀態下的速率可以接近理論峰值，最大容量可支撐44列列車并發數據傳輸，但這些列車需在兩個小區內均勻分布。

對運用庫庫內的RRU進行小區拆分，每臺RRU拆分成2個小區(見圖4)，采用雙漏纜+全向天線覆蓋，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側)，輻射方向如圖4中箭頭所示。同一股道切換帶區域采用從漏纜引信號接全向天線方式覆蓋，降低同一股道上左右兩個小區之間的干擾，同時保證可正常切換。因需要預留消防通道和列車進出庫，所以圖4中間的雙豎線處無法設置物理隔離。在運用庫庫內中間設置物理分隔，降低上下兩個小區之間的干擾，提高小區容量。A網和B網的RRU放置于庫頭庫尾同一位置，A網和B網合路共用天饋系統。

圖4 全自動運行車輛段運用庫LTE系統四小區(有物理分隔)布署方案圖

由前文分析可知，在沒有物理分隔的運用庫庫內及帶寬限制條件下，雙小區和四小區布署方案均不能顯著的提升庫內列車并發數據傳輸的容量；但在有物理分隔的情況下，雙小區和四小區布署方案與單小區布署方案相比，容量有顯著提升，在帶寬有限的情況下仍可滿足更多的列車同時并發數據傳輸。

2 結語

基于本文分析，建議在全自動運行車輛段運用庫車庫LTE系統設計初期，應設計一定的物理分隔。在一些沒有條件進行物理分隔的區域，建議使用漏纜與全向天線來配合使用，通過控制信號覆蓋范圍來降低多小區交界處的干擾。

根據全自動運行車輛段、停車場運用庫滿負載情況下可容納列車數量，同時依照庫內物理分隔條件選擇合適的RRU小區布署方案。在沒有條件進行物理分隔的情況下，建議建立相應的規章制度，通過規章制度限制同時接收遠程指令的列車數量，以保證列車能正常接受到各項指令。