城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)1.4 GHz LTE網(wǎng)絡(luò)共存分析

葛淑云戴克平尹尚國

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100073；2．北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；3．深圳市中興高達技術(shù)有限公司，深圳 518000)

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城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)1.4 GHz LTE網(wǎng)絡(luò)共存分析

葛淑云1戴克平2尹尚國3

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100073；
2．北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；
3．深圳市中興高達技術(shù)有限公司，深圳 518000)

摘要：針對北京軌道交通LTE車地通信建網(wǎng)的必要性和網(wǎng)間干擾進行分析，提出城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)1.4GHz LTE網(wǎng)絡(luò)共存措施和建議。

關(guān)鍵詞：LTE；1.4GHz；共存；方案

Abstract:The paper analyzes the necessity of constructing a LTE train-ground commission network for Beijing urban rail transit and the interference between the network with other networks, and puts forward the solution and suggestion that the urban rail transit network can coexist with 1.4GHz LTE government affairs network.

Keywords:LTE; 1.4GHz network; coexisting; solution

1　概述

隨著我國城市化進程大大加快，城市人口急劇增加，大量流動人口涌進城市，使城市交通面臨著嚴峻的局勢。截至到2014年底，北京已開通軌道交通線路527.2 km、單日最高客流量1 156萬人次、日均客流量約1 000萬人次。到2020年，北京將建成軌道交通線路1 000 km，運營車輛2 000列。國內(nèi)多個城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營已初具規(guī)模，在城市運行中發(fā)揮著越來越重要的作用。在當前形勢下，城市軌道交通運營安全也成為各方關(guān)注的重點。

北京市委、市政府一直十分重視城市軌道交通的運營安全，專門成立軌道交通運營安全領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一協(xié)調(diào)解決涉及軌道交通運營安全的突出問題。2014年初召開會議，支持市交通委利用1.4 GHz專網(wǎng)頻率（北京市政務(wù)網(wǎng)專用頻率）建設(shè)軌道交通運營和安全防范的地下無線專網(wǎng)，并與已建成的地面網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通，保證軌道交通運營安全。

國家無線電管理局將1 447～1 467 MHz共20 MHz頻帶寬度分配給政務(wù)網(wǎng)使用，北京無線政務(wù)網(wǎng)技術(shù)實驗城市之一，采用TD-LTE技術(shù)組建政務(wù)物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)（簡稱政務(wù)網(wǎng)）。截止2014年底，政務(wù)網(wǎng)已經(jīng)覆蓋了北京市五環(huán)以內(nèi)90%以上的區(qū)域，以20 MHz同頻蜂窩連續(xù)組網(wǎng)，主要承載視頻監(jiān)控服務(wù)。

2　軌道交通LTE獨立建網(wǎng)必要性分析

城市軌道交通車地無線通信是保障城市軌道交通安全運營的重要環(huán)節(jié)，提供列車和地面控制中心的通信。

北京市軌道交通LTE車地綜合無線通信系統(tǒng)主要考慮傳輸以下4類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)，并預(yù)留其他生產(chǎn)業(yè)務(wù)的接入條件。

1）基于通信的列車運行控制（Communications Based Train Control System，CBTC）系統(tǒng)，完成對車輛安全行駛的控制功能。

2）列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于保障車輛運行期間關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)。

3）車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)（Closed Circuit Television，CCTV)，用于車內(nèi)視頻圖像實時上傳。

4）軌道交通乘客信息（Passenger Information System，PIS）系統(tǒng)，用于路網(wǎng)異常情況下的乘客通知及運營服務(wù)信息發(fā)布。

城市軌道交通的車地無線通信包括地下隧道、高架區(qū)段、地面路段和車輛段等不同的車地通信傳播環(huán)境，業(yè)務(wù)帶寬需求在車輛運行區(qū)域基本是恒定的需求。

如果城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)共網(wǎng)，即地下由地鐵公司承載一張獨立的1.4 G網(wǎng)絡(luò)，出地面時使用1.4 G的北京政務(wù)網(wǎng)，則存在以下問題。

1）CBTC業(yè)務(wù)的雙網(wǎng)冗余無法保證。CBTC在地面需要部署紅藍雙網(wǎng)，與政務(wù)網(wǎng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沖突。

2）政務(wù)網(wǎng)LTE在軌道交通沿線的覆蓋無法滿足軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需求。

3）20MHz頻譜帶寬下，熱點地區(qū)無法同時滿足軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)和政務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳輸帶寬需求，兩者業(yè)務(wù)均會受到影響。

4）為保證車地帶寬需求，地面沿軌道線的信號覆蓋強度在-82 dBm以上，因此LTE系統(tǒng)采用漏纜進行覆蓋，與政務(wù)網(wǎng)鐵塔天線覆蓋方式不同。

5）若地下線路由地鐵公司建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)，地面使用1.4 G的北京政務(wù)網(wǎng)，由于是兩個不同的LTE核心網(wǎng)管理的網(wǎng)絡(luò)，存在設(shè)備和業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通問題；車載接入終端需要在兩個核心網(wǎng)下進行用戶的開戶，存在用戶管理問題。

因此，通過以上分析，建議基于LTE的軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該和政務(wù)網(wǎng)獨立建網(wǎng),即在北京城市軌道交通運行區(qū)域，由地鐵單位建設(shè)獨立的軌道交通LTE專用網(wǎng)絡(luò)，采用“5 MHz+15 MHz”雙網(wǎng)組網(wǎng)方案。5 MHz網(wǎng)絡(luò)作為CBTC專用承載網(wǎng)絡(luò)，15 MHz網(wǎng)絡(luò)作為CBTC、CCTV/PIS的綜合承載網(wǎng)絡(luò)。

表1　用Okumura-Hata模型對鏈路損耗進行預(yù)算表

3　同頻干擾分析

3.1政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)對城市軌道交通LTE的影響

由于政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)采用的頻段與城市軌道交通LTE系統(tǒng)采用相同的頻段，針對政務(wù)網(wǎng)的干擾問題，用Okumura-Hata模型對鏈路損耗進行預(yù)算，如表1所示，根據(jù)無線自由波模型的路損計算公式由

其中：

a（h2）為天線高度增益校正因子。

K為在郊區(qū)和開闊區(qū)域中應(yīng)用小城市的校正因子。

針對北京政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)，進行基本的參數(shù)界定，政務(wù)網(wǎng)基站天線高度選取30 m，車載TAU終端天線高度取值3 m，按郊區(qū)計算，RS取值18 dBm，TAU終端天線增益8 dBi，終端發(fā)射功率23 dBm，基站發(fā)射功率49 dBm，帶寬20 MHz，中心頻率1 457 MHz，如此的信號對城市軌道交通的切換中點（也就是小區(qū)邊緣）進行干擾，如表2所示。

如果TAU終端天線放置到1 m及以下，相應(yīng)的距離如表3所示。

表2　政務(wù)網(wǎng)干擾大小計算（終端高度3 m）

表3　政務(wù)網(wǎng)干擾大小計算（終端高度1 m）

從表3中可以看出，在正常情況下，為了使城市軌道交通LTE系統(tǒng)接收信干噪比（SINR）大于-2 dB，即使在終端天線高度為1 m時，仍然需要政務(wù)網(wǎng)的天線口與軌道的距離大于4 km。

3.2城市軌道交通LTE系統(tǒng)對政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)的影響

在保證政務(wù)網(wǎng)和城市軌道交通LTE系統(tǒng)同步且時隙配比一致的前提下，需要考慮城市軌道交通LTE下行鏈路干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行和城市軌道交通LTE終端上行干擾政務(wù)網(wǎng)上行兩個方面。

城市軌道交通LTE下行鏈路干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行屬于帶內(nèi)同頻干擾，距離城市軌道交通RRU越近，政務(wù)網(wǎng)終端受到的干擾越大，政務(wù)網(wǎng)終端接收SINR按照-2～10 dB考慮，則政務(wù)網(wǎng)終端定點時接收到城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)和政務(wù)網(wǎng)基站的RSRP差距為-2和10 dB。按照漏泄電纜55 dB的耦合損耗，再加上合路器5 dB損耗以及老化損耗，城市軌道交通LTE下行網(wǎng)絡(luò)最大出口功率為11.2-65=-53.8（dBm），如果政務(wù)網(wǎng)設(shè)計的邊緣電平為-115 dBm，在不考慮其他干擾的前提下，終端距離城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)的空間隔離要求為

-53.8+115+SNIR[-2，10]=61.2+[-2，10]=[59.2，71.2]（dB）。

城市軌道交通LTE終端上行干擾政務(wù)網(wǎng)上行也屬于帶內(nèi)干擾，由于政務(wù)網(wǎng)速率要求低于城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)，隔離度要求應(yīng)小于城市軌道交通LTE下行鏈路干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行的情況。

因此，分析城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)下行干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行鏈路的情況，終端距離城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)的空間隔離要求為 [59.2，71.2]dB，直視場景下的距離如表4所示。

表4　城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)下行干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行的距離

由于城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)與政務(wù)網(wǎng)終端間存在一定的遮擋，假設(shè)城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)與政務(wù)網(wǎng)終端間存在20 dB遮擋損耗，則計算結(jié)果如表5所示。

從上述分析來看，在工程上做一定的隔離措施，例如漏纜地面敷設(shè)或者距離地面較低敷設(shè)，與政務(wù)網(wǎng)終端處于非直視狀態(tài)，則對于政務(wù)網(wǎng)終端影響范圍很小。

表5　城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)下行干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行的距離（20 dB遮擋損耗）

4　城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)1.4 GHz LTE網(wǎng)絡(luò)共存的工程化措施

為了滿足接收信號SINR（信干噪比）的要求，可采取如下措施優(yōu)化城市軌道交通LTE系統(tǒng)，實現(xiàn)政務(wù)網(wǎng)和城市軌道交通LTE共存。

4.1采用漏纜進行覆蓋

為能與政務(wù)網(wǎng)共用1.4 GHz頻段，提高信號強度和抗干擾能力，并降低對政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)影響，軌道交通LTE系統(tǒng)無論地面還是地下在軌行區(qū)均采用輻射型漏泄電纜進行定向覆蓋，在停車場/車輛段的邊界區(qū)段也采用漏纜進行1.4 GHz頻段的無線信號覆蓋，弱場區(qū)采用自由波天線方式或室內(nèi)分布系統(tǒng)進行覆蓋。

4.2增強無線信號接收強度

為了增強覆蓋區(qū)域信號強度，工程中采用高增益定向天線。增益與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線增益決定蜂窩邊緣的信號電平，增加定向增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量,提升網(wǎng)絡(luò)信噪比。

基于天線增益的重要性，車載天線采用室外型雙極化平板天線，天線增益為8～13 dBi，能提高TAU的接收信號電平，車載TAU的最大輸出功率建議不小于33 dBm。

4.3降低車載天線安裝位置

降低終端天線的高度，通過車體或其他隔離物防止多徑的政務(wù)網(wǎng)信號直射；將車載天線設(shè)置為車體底部，漏纜開槽正對車載平板天線，減小城市軌道交通LTE系統(tǒng)和政務(wù)網(wǎng)的相互干擾。如圖1所示。

4.4軌道交通LTE系統(tǒng)無線參數(shù)優(yōu)化

對LTE設(shè)備切換參數(shù)、無線參數(shù)進行優(yōu)化，主要采用ICIC(小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù))進行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化。

ICIC小區(qū)間干擾消除技術(shù)是降低TD-LTE小區(qū)間干擾的重要手段。ICIC通過管理無線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個小區(qū)中資源使用和負載等情況而進行的多小區(qū)無線資源管理功能。具體而言，ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個小區(qū)中無線資源的使用進行限制，包括限制時頻資源，或者在一定的時頻資源上限制其發(fā)射功率。

同時還可進行終端鎖頻等優(yōu)化性操作，以達到最佳的優(yōu)化效果。

4.5軌道交通軌行區(qū)降低政務(wù)網(wǎng)LTE覆蓋

政務(wù)網(wǎng)的在城市軌道交通的覆蓋信號不能過強（按9 Mbit/s下行保證帶寬計算，車載天線處接收到的政務(wù)網(wǎng)RS電平不超過-87 dBm）；政務(wù)網(wǎng)手持終端（23 dBm）盡可能遠離城市軌道交通漏纜。在距離城市軌道交通漏纜20 m范圍之內(nèi)，政務(wù)網(wǎng)手持終端理論上不會影響CBTC業(yè)務(wù)，但可能會影響上行視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。

政務(wù)網(wǎng)在軌道交通地面線路的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要充分考慮對軌道交通線路影響，保持500 m以上的距離。

4.6共存時頻率規(guī)劃

建議政務(wù)網(wǎng)在軌道交通周邊采用15 MHz組網(wǎng)，載波頻率和軌道交通的15 MHz載波頻率配置相同，這樣，在一定區(qū)域內(nèi)，軌道交通的5 MHz專網(wǎng)將不會與政務(wù)網(wǎng)出現(xiàn)干擾問題，保證了CBTC信號專網(wǎng)的可靠性，保障行車安全。軌道交通的15 MHz綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)，允許政務(wù)網(wǎng)的任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)漫游接入。

軌道交通業(yè)務(wù)和政務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)統(tǒng)一進行QoS 的設(shè)置，優(yōu)先保障軌道交通關(guān)鍵業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。對政務(wù)網(wǎng)來說，未來支持的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)，比如公安、反恐等可以覆蓋到軌道交通的公共區(qū)域，有利地保障人民群眾的出行安全。

5　結(jié)論

總之，軌道交通LTE系統(tǒng)采用1.4 GHz頻段（1 447 MHz～1 467 MHz），通過采取與政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)時隙配比保持一致、漏纜定向覆蓋、合理布設(shè)車載天線、降低軌行區(qū)政務(wù)網(wǎng)LTE覆蓋以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等措施，理論上能夠與1.4 GHz政務(wù)網(wǎng)共存。2014年8月份，在環(huán)形道進行了軌道交通LTE綜合承載和與政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)共存的測試，測試結(jié)果驗證了軌道交通LTE綜合承載的可行性和與政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)共存措施的有效性。但為了保證軌道交通行車安全，仍建議采用專用頻段構(gòu)建傳輸生產(chǎn)指揮業(yè)務(wù)的LTE通信系統(tǒng)。

參考文獻

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收稿日期：（2015-01-29）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.016