LTE-U在市域快線中綜合業務承載的應用研究

張 媛

（成都地鐵運營有限公司，成都 610058）

1 概述

國內城市化進程加快，軌道交通建設迎來快速發展時期，車地無線通信的數據量成倍增長，網絡帶寬不足的問題日益突出。

通信車地無線網絡主要承載乘客信息系統（Passenger Information System，PIS）、閉路電視監控系統（Closed-Circuit Television，CCTV）等業務，要求車地無線網絡吞吐量大，網絡帶寬大。目前在設計時速為80 km的市域軌道交通中大多采用基于IEEE 802.11協議族的無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN） 技 術搭建車地無線網絡，而WLAN技術并不適用于高速移動環境[1]，且切換機制和QoS機制較為簡單，系統的安全性沒有保障。

工作在1 785～1 805 MHz授權頻段的LTE-M技術，具有時延小、抗干擾能力強[2]的特點，在城市軌道交通行業主要用來承載安全等級要求較高的列車控制系統業務；而國內利用LTE-M技術做綜合承載的線路，多數能做到單列車同時提供每路圖像上傳1 Mbit/s的2路圖像。

工作在5 725～5 850MHz非授權頻段的LTE（LTE-Unlicensed，LTE-U） 采 用3GPP標 準 的TDD LTE技術，通過載波聚合(Carrier Aggregation，CA)技術聚合授權頻段和免授權頻段資源，補充LTE-M系統有限的頻譜資源，在授權頻段提供可靠穩定傳輸的同時，非授權頻段提供高吞吐量的傳輸[3]，滿足城市軌道交通未來的發展需求。

成都地鐵18號線是國內首條具備設計最高時速160 km的市域快線，通信車地無線網絡率先采用工作在5.8 GHz頻段的LTE-U技術，對車載PIS、車載CCTV、緊急文本信息等非安全業務進行綜合承載，解決列車高速運行在隧道和高架場景中，車地無線通信存在信道衰落大[4]、多普勒頻移明顯等問題[5]。滿足列車高速運營場景下對傳輸速率和實時性的要求，同時滿足帶寬資源匱乏的問題，實現復雜場景下安全性更高和環境適應性更強的全高速率數據傳輸[6-7]。

2 系統構成

成都地鐵18號線PIS車地無線網絡主要由核心網、軌旁基站、車載TAU及網管設備組成。控制中心（OCC）機房部署1套eCore核心網、中心交換機、時鐘服務器和網管，通過通信骨干光纜與車站PIS交換機進行連接。多種業務通過中心交換機將信息與列車設備進行交互。在區間和車輛段部署軌旁基站，各軌旁基站配置定向天線；在列車車頭、車尾司機室分別部署車載接入單元（TAU）、車載以太網交換機，并在列車每端駕駛室頂部設置車頂天線，接收區間AirNode發射的無線信號到TAU。系統架構如圖1所示。

圖1 LTE-U系統架構Fig.1 LTE-U system architecture diagram

3 實施方案

3.1 有線組網方案

為保障軌旁基站與核心網之間的有線傳輸，減少傳輸節點，提升系統可靠性，有線網絡采用核心層、匯聚層、接入層三級星型架構。核心層設備位于OCC，設置核心網設備、中心交換機。匯聚層設備選取線路中1個車站，為設置在火車南站的匯聚交換機。接入層設備為位于各車站、車輛段的接入交換機。為達到負載均衡和冗余的要求，系統中核心交換機和匯聚交換機均采用雙機部署，提高系統的可靠性。

3.2 業務優先級設置

根據綜合承載的各業務特性，利用LTE-U網絡的QoS保障機制設置業務的優先級，如表1所示。

表1 QoS保障機制Tab.1 QoS safeguard mechanism

LTE-U網絡定義的QoS保障是端到端的QoS過程，在無線網絡內部進行QoS保障的同時，系統也在無線網絡與有線網絡之間保持QoS映射，共同保障綜合承載業務的正常運行。

3.3 無線覆蓋方案

成都地鐵18號線LTE-U車地無線網絡使用5 725～5 850 MHz非授權頻段，共有6個20 MHz信道。在地下區間和高架區間均部署1個軌旁基站，每個軌旁基站支持2個扇區，設置2副定向天線，實現站點兩邊無線覆蓋。

3.3.1 切換規劃

LTE-U系統采用雙載波聚合方式，支持將不同頻帶的2個載波進行聚合來提供更多的帶寬，以提高系統的容量。LTE-U網絡采用異頻組網，異頻切換需要啟動GAP測量（Measurement GAP），測量周期為480 ms（1個異頻頻點），因此異頻切換重疊覆蓋距離為2×(切換電平遲滯對應距離+周期上報距離+時間遲滯距離+切換執行距離)，其中切換遲滯(2 dB)、切換時延(480 ms+128 ms+50 ms)，則異頻切換所需要的重疊區域大小為2×658 ms×160 km/h+2×0.067×260 m=93 m。

其中切換幅度遲滯距離約為小區覆蓋半徑的6.7%，鏈路預算小區半徑260 m，考慮切換帶，則正線區間（非高架）允許站間距=2×R–93 m=427 m。

為提升系統可靠性，在部署軌旁基站時，各基站的覆蓋范圍均設置有重疊區。當相鄰基站故障時，系統通過自動調節基站發射功率，對弱場強區實現冗余接力覆蓋。從實際應用出發，LTE-U制式覆蓋半徑大，軌旁基站及定向天線設置為430 m左右，如表2所示，相較WLAN技術，大大的減少工程施工量和后期的維護工作量，從而節約人力成本。

3.3.2 單洞單軌覆蓋方案

地下區間通常為單洞單軌區間，LTE-U網絡在軌旁部署1個基站，每個基站部署2副天線，單個扇區使用相同的20 MHz+20 MHz雙載波聚合。相鄰基站通過4個頻點的交織規劃，降低同頻干擾，如圖2所示。

圖2 單洞單軌頻率規劃（4個頻點）Fig.2 Frequency planning for single track of a single tunnel (4 frequency points)

3.3.3 高架及單洞雙軌覆蓋方案

當高架及單洞雙軌區間在會車時，單基站覆蓋范圍內存在兩列車的場景。為兼顧系統容量并滿足抗干擾要求，各基站部署的2個扇區使用相同的雙載波聚合頻點，并采用左、右線雙向“之”字型結構交替部署，相鄰基站通過6個頻點的交織規劃，實現頻率隔離，降低同頻干擾，如圖3所示。

圖3 高架及單洞雙軌頻率規劃（6個頻點）Fig.3 Frequency planning for viaduct sections and two tracks of a single tunnel (6 frequency points)

3.3.4 車輛段覆蓋方案

車輛段運用庫內存在列車數量多且列車多為靜止或低速移動狀態的場景，綜合考慮運用庫內有棚或有柱的情況，為保證系統容量和覆蓋指標，軌旁基站采用異頻組網，各基站部署的2個扇區使用不同的雙載波聚合頻點，并采用雙向“之”字型結構交替部署，相鄰基站通過6個頻點的交織規劃，降低小區域內的同頻干擾，如圖4所示。

圖4 車輛段運用庫頻率規劃（6個頻點）Fig.4 Frequency planning for metro depot (6 frequency points)

3.4 測試結果與分析

在車地無線網絡中，上行數據主要用來上傳車載視頻信息，下行數據主要用來播放直播或錄播的媒體信息，18號線車輛采用8節編組，上行數據帶寬的需求量遠超過下行數據帶寬，因此小區覆蓋測試的主要指標以上行帶寬做參考。測試方案為在雙載波情況下的靜態測試、低速動態測試（30 km/h以下）、高速動態測試（120 km/h以上）3種場景，車頭、車尾TAU工作在負荷分擔方式，測試數據如表3、4所示。

表3 靜態測試場景數據Tab.3 Static testing scenario data

表4 低速動態測試、高速動態場景數據Tab.4 Low and high speed dynamic testing scenario data

從性能測試來看，LTE-U系統在靜態和低速動態、高速動態場景下，速率能達到30 Mbit/s，其車地無線網絡帶寬基本滿足整列車38路車載攝像機，在每路1 Mbit/s碼流速率的情況下，圖像同時上傳OCC的需求。

4 結束語

成都地鐵18號線開通至今，通信車地無線網絡運行整體平穩，多業務承載方案能夠滿足運營需求，在降低維護成本、提升綜合效益方面顯示出優勢。在高架線路區段，由于受來自其他無線系統不可控的干擾和來自本系統可管可控的小區間干擾問題，進一步研究優化切換機制，是促進LTE-U系統的工程化應用重要方向。