軌道交通車地通信LTE技術應用

摘要：軌道交通列車自動化、智能化應用和信息服務離不開列車與地面之間的無線通信條件。當前軌交車地通信普遍采用的方案之一為LTE數字蜂窩移動通信網技術，基于應用需求、現場條件的獨特性，LTE數字蜂窩移動通信網方案也有覆蓋、網絡、系統接入等方面的獨特設計。本文針對軌交車地通信LTE數字蜂窩移動通信網應用的特點、技術方案設計特色進行分析歸納，以期反映LTE數字蜂窩移動通信網技術的這一特定應用的特點。

關鍵詞：車地通信、LTE數字蜂窩移動通信網、軌道交通無線通信系統

1車地通信需求分析

1.1業務分析

車地無線通信系統需要承擔GOA2下列車自動控制系統、乘客信息服務、列車信息業務、車載視頻監視、集群調度等業務數據的傳輸。其中車自動控制系統、緊急文本業務、列車信息業務、集群調度業務屬于生產安全信息網業務;其他業務可屬于非生產安全信息網業務。

由于本工程車地無線需要承載生產安全類業務，LTE車地無線通信系統應建設冗余的A/B網絡，并按照單小區同時6列車考慮LTE容量設計。

1）列車自動控制系統需要傳輸列車控制報文等，控制列車安全牽引，根據調度意圖進行車站作業，調節運行圖時間。

2）司機呼叫集群語音業務具有現有成熟技術，基于LTE寬帶可視集群業務也在推廣使用。

3）車載乘客信息系統可以為列車內的乘客提供各類服務信息，通過穩定無線帶寬可以實時組播視頻，以及單播信息報文。以每列車接收一路以圖像信息為主的下發信息計算，保證D1（720*576）的圖像質量，采用MPEG-2的編碼方式，下傳數據應達到6Mbps帶寬。

4）車載視頻監控系統實現對列車內情況的實時監控，并將列車車廂內的視頻監控圖像信息上傳至車站和中心。車載監控圖像采用MPEG-4或H.264的編碼方式，按每路約1M，每列車向地面上傳多路客室監控圖像信息。

新規范提出監控視頻保存90天要求，需要將視頻傳輸到地面存儲的需求。要實現車載視頻轉存，提出更高的帶寬要求。

5）車輛信息等其他需求。根據需要，可以將車輛運行狀態信息等上傳至相關的監控系統，暫按0.48Mb/s的帶寬計算。

1.2業務帶寬需求

業務帶寬需求滿足單小區6列車（視頻按4列車）的保證帶寬值（表1 ）：

表1 業務帶寬

根據上表可以看出，在GOA2模式下，LTE-M系統A網承載CBTC業務時，上下行業務帶寬各為1.5Mbps; B網進行綜合業務承載時，上行業務需要帶寬14.98Mbps、下行業務需要帶寬8.56Mbps，此時上行業務帶寬需求高于下行業務。

1.3頻率需求

考慮安全業務的系統冗余要求，建設A/B雙網，CBTC業務業務由兩個網絡同時傳輸，其他業務可由單網傳輸。

根據LTE-M相關規范，GOA2模式下LTE一張網絡承載CBTC業務信息時就需要5MHz頻寬;當另一張網絡進行綜合承載時，根據表1可以看出LTE網絡上行業務需要帶寬16.98Mbps、下行業務需要帶寬8.56Mbps。由南京地鐵前期工程測試數據來看，當LTE系統頻率配置15MHz寬帶SA0時隙配比下，上行平均吞吐率達到25Mbps， 下行平均吞吐率達到14Mbps，但小區邊緣區域的吞吐率約為平均吞吐率的60%，LTE網絡進行綜合業務承載時需要15MHz頻譜寬帶才能滿足CBTC模式下車地業務的傳輸需求。

因此，將1785-1805MHz頻段內的5MHz用于LTE A網，15MHz用于LTE B網，LTE系統A/B網絡共需要20MHz頻譜。兩個網絡獨立運行，可以共享資源包括漏纜和工程材料等。每個網絡采用同頻組網技術，使用小區間干擾協調技術，確保相鄰小區在小區邊緣使用不同的頻率資源，避免小區間干擾，提升小區邊緣吞吐率。

2網絡規劃方案

2.1網絡方案

LTE網絡按照A、B雙網設計。在控制中心設置兩套LTE無線核心網設備（EPC）包括MME、S-GW、P-GW、HSS等網元和網絡管理系統、數據存儲服務器;在車站、停車場、車輛基地設置BBU+RRU設備，線路區間根據需要設置RRU設備，所有A網BBU+RRU設備和B網BBU+RRU設備按照同址設置;在列車上設置TAU設備，每列車的車頭和車尾同時設置A網+B網TAU設備。

1）控制中心子系統：在控制中心設置2套LTE無線核心網及網管，各類應用業務的接口服務器等;核心網通過專用傳輸網與車站子系統的基站BBU設備連接，通過接口服務器與各應用業務系統連接。

2）車站、車輛基地子系統：主要提供無線接入服務。在每個車站設置2套無線基站（BBU+RRU）設備，并根據覆蓋需要在區間軌旁設置RRU設備，線路區間采用漏泄電纜覆蓋，站內采用室內分布系統進行覆蓋;在車輛基地（車輛段/停車場）各設置2套無線基站（BBU+RRU）設備實現場段內覆蓋。

3）車載子系統：主要實現各類業務。在每列車的首尾司機室內設置各業務子系統的通信單元及接口應用部分，在車體頂部設置通信天線。

2.2網絡優先級和服務質量

LTE-M系統以IP方式承載所有業務，對不同業務，分別定義不同的QCI的值來保障各個業務的應用。

將列控CBTC信號承載業務和集群調度業務的QCI設置為1，即系統中的最高等級;由于TCMS信息、緊急信息也要求有較高的優先級，其QCI設置為2;車廂監視視頻上傳、PIS視頻業務的QCI也在業務優先級和服務質量劃分為中級。

2.3覆蓋方案

2.3.1場強覆蓋指標要求

按照95%時間及地點概率下，無線覆蓋指標RSRP≥-95dBm 且SINR≥3dBm考慮。

2.3.2覆蓋方式

（1） 行車線路區間（含站屬區間及出入段線）覆蓋

LTE 系統A+B網在行車線路區間（含島式車站站屬區間及出入段線）采用左右隧道各新敷設1根漏纜進行場強覆蓋，同時接入專用無線通信系統的漏纜來提高場強覆蓋的冗余性。在較長區間軌旁設置RRU，以保證覆蓋質量。

（2）車輛基地/停車場內場強覆蓋

車輛基地/停車場內敞開部分室外空曠區域采用漏泄電纜+小天線的覆蓋方式，場內封閉單體，包括列檢庫、檢修庫采用室分小天線覆蓋;

試車線采用采用漏泄電纜覆蓋方式;

2.3.3覆蓋設備

本工程新設的RRU設備主要設置在沿線車站通信設備室內。同一個RRU經合路配置后需覆蓋4個不同區域線路方向。

根據漏纜及RRU無線技術指標及系統覆蓋要求，每一個RRU支持漏纜覆蓋的有效長度約為0.6km（最終的覆蓋距離需要根據所采用的漏纜計算）。即設置在相鄰通信設備室內的兩個RRU只能覆蓋1200米的隧道區間，超過1200米的區間需要配置軌旁RRU單元。

3、干擾分析

3.1系統內干擾

1）A/B雙網間干擾分析

A/B雙網異頻組網，可能存在鄰頻間干擾。

當兩個網絡頻段相鄰，如果兩個網絡發射和接收不同步，則會由于雜散和阻塞的原因互相產生干擾，導致網絡性能下降。為了避免該類干擾的發生，A/B雙網必須采取嚴格保證時隙配比一致，保證時鐘同步。

2）小區間同頻干擾

由于每個單頻網采用同頻組網，小區邊緣存在同頻干擾。

列車處于小區邊緣，頭尾移動端天線先后經過小區邊緣的重疊覆蓋區域，由于受到鄰區導頻和業務的干擾導致信噪比較低，從而影響下行吞吐量。為了緩解同頻干擾的影響，應考慮進行優化：

通過工作參數優化，提升業務信道的功率，使處于邊緣用戶的信噪比得到改善;

通過修改切換參數，使用戶及早切換的目標小區，避免頭尾移動端同時處于切換進程;

通過無線管理算法，使互為鄰區的兩個小區下行頻帶錯開。

3.2系統間干擾

1）LTE與運營商無線通信系統之間干擾分析

行業應用LTE系統使用的頻段為1785-1805 MHz，與運營商的頻段關系如圖1所示：

根據上述頻段關系可以看出主要是LTE系統的頻段下邊緣與電信4G-FDD系統上行頻率1755-1785MHz鄰頻，頻段上邊緣與移動DCS系統下行頻率1755-1785MHz鄰頻，因此主要考慮鄰頻之間的干擾。解決系統間的鄰頻干擾措施包括：

考慮協議所要求的ACIR，可以根據公式計算得到兩個系統共存所需要的天線隔離距離。在網絡規劃和工程實施中保證兩者漏纜之間的距離避免干擾。

如果工程現場無法滿足天線隔離距離時，則考慮額外的隔離度，比如提高濾波器的性能;在兩個系統之間增加保護帶寬等。

建議4G-FDD系統、DCS系統引入地鐵空間時，考慮分別與LTE系統的邊緣頻率間隔5MHz，以增加系統之間的保護帶寬。

2）其他行業同頻段LTE網絡間的干擾

采取場強限制空間隔離措施，規定在地鐵沿線1800MHz頻段無線場強標準。

本工程LTE系統采用1-5/8英寸漏泄電纜覆蓋，距離20米處耦合損耗增加，無線信號強度≤-105dBm，不會對其他系統產生干擾。

對于其他1800MHz LTE系統在地鐵地面線路附近設站時，可以要求該站址LTE基站信號強度在地鐵軌道上方時RSRP≤-105dBm（地鐵LTE的 RSRP≥-95dBm）。

3.3干擾測試

由于1785-1805 MHz頻段非城市軌道交通單一業務專用頻段，且該頻段與運營商移動通信頻段相鄰。為解決鄰頻干擾問題，應與鄰頻段運營商溝通協商，聘請國家權威無線檢測部門進行干擾和被干擾測試，爭取地方無線電管理機構的最大支持。

4總結及建議

南京地鐵寧高線車地通信采用LTE系統，測試結果顯示無線通信質量和穩定性有所提升，滿足乘客信息系統、視頻監控等一些業務的綜合承載應用。

本工程車地無線系統的可靠性和安全性至關重要，建設LTE系統進行車地綜合業務承載十分必要。在 GOA2模式下LTE車地無線網絡進行綜合業務承載時，需要在1785-1805MHz頻段內申請20MHz頻率。

沿線采用漏纜覆蓋，不會干擾其他系統，其他系統對本系統的干擾可采取相關措施規避。針對工程存在的地面高架線路，進行LTE系統設計時提高無線信號RSRP值有助于提高系統的整體抗干擾能力。

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作者簡介：謝紅霞、女、出生年月1972.01，1988年畢業于天津鐵路工程技術學校，2010年北京交通大學計算機科學與技術專業畢業，現就職于中移鐵通江蘇分公司從事技術管理工作崗位，聯系電話025-85836466。