鐵路LTE-R寬帶無線通信頻段選擇的思考

陳昊星

鐵路LTE-R寬帶無線通信頻段選擇的思考

陳昊星

（中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京 100081）

針對鐵路發展LTE-R寬帶通信申請450 MHz頻率的計劃，結合以往的電磁環境檢測數據，提出了450 MHz頻段在高速鐵路承載LTE-R系統可能存在的一些潛在問題。在高速鐵路的接觸網下快速移動于450 MHz頻段會產生電磁干擾，造成該頻段通信系統底噪抬升，故需要進行全面試驗，慎重使用。同時還提出了使用900 MHz頻段建設LTE-R網絡的建議，或有助于鐵路寬帶通信系統的平滑過渡，加快鐵路LTE-R發展進度。

鐵路專用通信 LTE-R 450 MHz 電磁環境 頻段選擇

1 引言

目前，LTE已經成為無線通信發展的主流，鐵路專用通信領域也開始針對LTE系統進行實際應用研究。在2016年中國無線電大會上，中國鐵路總公司已明確向國家申請450 MHz作為下一步鐵路LTE-R的試驗頻點，并同時開展450 MHz頻點范圍的LTE-R鐵路應用研究，包括450 MHz用于鐵路LTE-R通信（本文所述的鐵路LTE-R通信主要涉及鐵路自身的業務，包括鐵路專用通信和輔助通信）的特性和相關規范標準。因此，接下來將基于對鐵路申請頻率及相關業務的理解，探討鐵路LTE-R寬帶通信所用頻點問題。

2 鐵路LTE-R使用頻段的選擇

對于鐵路專用通信網絡LTE-R頻點的確定，一些研究人員認為應該選擇較低的頻段，如450 MHz。低頻段的電波傳播損耗小，可以減小基站間距；選擇低頻段則可利用現有基站，即能減少鐵路發展LTE-R的成本，加快發展速度。但對于鐵路LTE-R頻點的選擇，還應考慮其他因素。比較鐵路應用選擇不同頻段的利弊，從而能有針對性地進行研究或采取必要的措施進行漏洞的彌補。

鐵路LTE-R頻點選擇不僅要關注電波的傳輸衰減特性，還應考慮鐵路沿線的特殊環境。高鐵線路都是電氣化鐵路，受電弓上的電壓高達25 kV。電力機車是一個高速的移動體，由于受電弓在電力接觸網上滑動，產生電磁干擾，干擾的頻譜范圍很寬，特別是在較低頻段干擾較強，而隨著頻率的提高干擾逐漸減弱。參考鐵路450 MHz無線列車調度模擬通信的覆蓋電平合格要求，電氣化與非電氣化線路的無線覆蓋標準在滿足通信質量的條件下，電平相差10 dB。接收機接收到的噪聲干擾與天線距離受電弓的位置有關。在動車組應用的無線列調通信標準中，由于受電弓通常在高鐵列車中部，距通信天線較遠，對鐵路無線通信覆蓋合格電平的要求比在電力機車環境下低4 dB。

鐵路電氣化干擾與列車運行速度也有很大關系，在高速運行時干擾幅度會加大。電氣化鐵路的干擾場強頻譜使用峰值檢波測試，根據鐵路多年的測試研究結果得知（如圖1所示），在距鐵路線30 m內測試的干擾場強在150 MHz頻率達到約67 dBμV/m，隨著頻率的提高，每倍頻程減少5～6 dB左右。到450 MHz時干擾場強大約達到58 dBμV/m，而在900 MHz頻段干擾大約是52 dBμV/m。因此如果鐵路選擇450 MHz作為LTE-R的應用頻點，還應考慮到電氣化干擾對無線通信質量的影響，900 MHz頻點處受到的干擾小于450 MHz。

目前在高鐵列車控制（C3）線路上，900 MHz頻率的GSM-R網絡系統基站間距平均為3 km，一些研究人員認為使用450 MHz頻點基站間距可能會在5 km內。考慮到電磁干擾和高速運行的情況，采用450 MHz頻點的鐵路LTE-R系統的基站間距不會太大。對于普速線鐵路，雖然列車運行速度降低了，但通信天線設置在受電弓下距干擾源更近了，450 MHz頻點的干擾強度也會比較大。

如果按照在900 MHz頻點滿足載干比要求的基站間距，使用450 MHz頻點后，在相同距離下盡管覆蓋電平比較高但底噪抬升，基站間距可能比900 MHz基站間距還要近。因此是否選擇450 MHz作為鐵路應用頻段還需要進行相關試驗來確認。雖然有公司宣傳LTE網絡在時速430 km/h的磁懸浮線路上得到了成功應用，但這兩種線路的電磁干擾特性是不一樣的，使用的也不是450 MHz頻段，因此在電磁干擾方面沒有可比性。

3 選擇合適頻段的優點

鑒于上述的450 MHz頻點在電氣化鐵路應用的干擾特點，使用900 MHz頻段應該是鐵路發展LTE-R的較好的選擇，其理由如下。

3.1 隧道內傳輸特性

圖1 距高速鐵路接觸網30 m的電磁環境測試曲線

鐵路應用環境與其他公網無線應用環境區別巨大，特別對于高速鐵路，其很多通信應用環境都處于山區、隧道中。公共無線網絡可以降低在這些特殊環境下的通信要求，但對于鐵路來說，對所有線路的安全要求都是一樣的，則對鐵路通信的要求也要保持一致。目前對于還在使用的450 MHz模擬通信系統以及900 MHz頻段的GSM-R系統，在隧道環境都使用了直放站技術，通過漏泄電纜覆蓋隧道內空間。例如在某高速鐵路無線列車控制的線路，GSM-R系統由于沒有很好使用光纖直放站造成了多徑干擾，引起列車控制降級。LTE-R系統在隧道內主要使用RRU或特殊的中繼技術加漏纜進行覆蓋，通常不會出現多徑干擾現象，但LTE的同頻特性會使這些區域的SINR降低，影響數據的傳輸帶寬。450 MHz頻點的傳播損耗小，繞射能力強，可能在很多山區環境電平覆蓋會更加變化多樣。即使使用RRU技術，對于LTE這樣的同頻系統產生干擾的可能性仍會較大，需要在建設中認真考慮。

根據對鐵路通信多年的研究實踐，在隧道內900 MHz頻點有波導效應，電波在隧道內傳播衰減為9 dB/km，而450 MHz頻點衰減為40 dBm/km以上。如果使用900 MHz的LTE-R系統，在中等長度隧道中可以采用天線直接覆蓋隧道，降低隧道內建設和施工的難度，在LTE-R試驗完成后可以以最快的速度在所有線路建設新網絡，方便在運營線路布置新的通信系統。對于長度較長的大隧道也可以通過在隧道內設置LTE-R基站，使用天線完成覆蓋。如使用450 MHz的LTE網絡，必須延續漏纜覆蓋方式，需要對已開通的幾萬公里高鐵線路實施長時間的技術改造，在既有鐵路通信系統的更新換代以及養護維修上將會出現很多困難。

3.2 加快鐵路LTE-R的應用進度

鐵路運營中安全是第一位的，高速鐵路目前采用的列車控制系統CTCS-3（以下簡稱“C3”）運行穩定，預計將在很長時間內保持在線路中使用，因此現在進行建設的LTE-R應用主要是用于輔助的方面。這些輔助應用包括運行監測、移動售票及調度語音通信。

目前在高速鐵路運行中開啟了很多類視頻監測業務，包括接觸網視頻監測、列車操作規范性監測、設備狀態監測、車內安全監測等。這些監測主要是為了在運行出現問題時，輔助進行原因查找和責任確認。視頻監測所需傳輸容量大也是鐵路發展寬帶業務的主要原因之一，但視頻監測不需要很高的實時性，允許有一定的延時。

還有很多鐵路應用如沿線維護、車站服務通信、車內服務人員的通信、沿線監測告警等，這些應用既有語音通信，也有很多是數據傳輸業務，其中包括視頻數據。目前很多語音通信都是使用450 MHz頻段進行對講，并且在短時間不能取消。若使用450 MHz頻點，在短時間內很難避免這些既有應用對LTE-R的干擾，影響LTE-R的正常應用。

另一方面，研究人員提出了很多鐵路應用LTE-R的迫切性，但如果按目前鐵路LTE-R的發展進度，要經過試驗、頻率確定、規范制定、工程申請、施工建設等過程，其發展速度可能會慢于預期。而且鐵路建設是按線路進行的，要在十年內在全路實現LTE-R應用是不現實的。如果使用900 MHz頻段并首先用于鐵路輔助運營通信可以把相關應用與試驗結合起來，加快實施進度。

如果鐵路LTE-R選用900 MHz頻段，將與目前使用的GSM-R在一個頻段范圍內，由于LTE采用的是子載波的通信方式，GSM-R采用的是FDD方式，兩個系統相對獨立，不會產生較大影響。在應用初期，LTE-R可以很快承載一些非安全數據，開展全面數據應用。

4 結束語

高鐵LTE-R的發展得到了通信行業各方的廣泛關注，鐵路部門需要收集各方建議，依靠各個技術單位的支持。對于上文提出的450 MHz頻段的一些電磁環境是否會影響鐵路LTE-R運用的問題，需要根據鐵路各線路自身特點進行實際的試驗分析，避免不必要的損失。

綜上所述，鐵路LTE-R寬帶應用建議使用900 MHz頻段更有利于鐵路寬帶通信平滑過渡。吸收鐵路GSM-R系統在隧道內的試驗經驗，中等長度隧道可以使用天線直接進行隧道內網絡覆蓋，降低布置LTE-R新系統的復雜性，減少維護工作量，提高運營安全性；另一方面，也可以從鐵路輔助通信起步，積累經驗，穩步發展。

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Thoughts on Frequency Band Selection of LTE-R Broadband Wireless Communications for China Railway

CHEN Haoxing
(Infrastructure Inspection Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

In view of the plan on the application for 450 MHz frequency band of LTE-R broadband wireless communications for China railway, some potential problems of 450 MHz frequency band in bearing the LTE-R system of the highspeed railway were presented according to the past test data of electromagnetic environment. The movement of the catenary of the high-speed railway in 450 MHz frequency band would result in the electromagnetic interference and the increase of noise level. The proposal on the construction of 900 MHz LTE-R network was presented. It would be beneficial for the smooth transition of the railway broadband communication system and the acceleration of LTE-R development.

railway special communication LTE-R 450 MHz electromagnetic environment frequency band selection

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.017

TN929.5

A

1006-1010(2017)15-0092-04

陳昊星. 鐵路LTE-R寬帶無線通信頻段選擇的思考[J]. 移動通信, 2017,41(15): 92-95.

2017-02-09

責任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

陳昊星：助理研究員，碩士畢業于紐約大學理工學院，現任職于中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，主要從事鐵路通信系統，尤其是鐵路無線通信系統的研究工作，對中國鐵路450 MHz及GSM-R通信系統動態檢測數據進行分析，研究基于鐵路高速行駛情況下的GSM-R系統GPRS數據傳輸特征，以及中國鐵路無線通信演進及無線頻譜使用和分布。