LTE-M系統在同站臺平行換乘車站覆蓋方案的應用研究

張世銘

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

LTE-M 系統具有專用頻段、高帶寬、低延遲、廣域覆蓋、高速切換不中斷等優點，在軌道交通中已得到廣泛應用。在工程建設中，LTE-M 系統需解決多條線路共用場段、同站臺平行換乘、單洞/單橋雙軌等復雜應用場景的覆蓋問題。本文針對LTE-M 系統在同站臺平行換乘車站的覆蓋問題進行分析，并將推薦方案在工程中進行驗證。

1 LTE-M系統簡述

LTE-M 系統由核心網、基站、數據終端、運營與支撐子系統組成。系統采用A/B 雙網設計，雙網相互獨立，并行工作。A 網為綜合承載業務網絡，B 網為信號業務專用網絡。核心網、運營與支撐設備設置在控制中心和車輛段，BBU 設置在車站和場段，RRU 設置在區間和場段，車載終端設置在司機室，手持終端配發給工作人員。

2 同站臺平行換乘車站型式對覆蓋方案的影響

同站臺平行換乘車站型式有地下兩層雙島、地下兩層單島兩側、地下三層疊島同向、地下三層疊島反向、地下雙站雙向。車站型式直接決定RRU輸出功率、漏纜輻射角度、天線輻射角度，車站非站臺層區域應采用全向吸頂天線覆蓋，站臺層軌行區優先采用漏纜覆蓋，在不具備漏纜安裝條件的區域應采用高增益窄波束定向天線覆蓋。

3 綜合承載業務類型對覆蓋方案的影響

LTE-M 系統綜合承載業務包括：列車運行控制、列車緊急文本下發、列車運行狀態監測、車載視頻監控、車載PIS、集群調度業務。除集群調度業務須覆蓋全站外，其他業務僅需覆蓋軌行區。在工程建設中，在本站單獨設置RRU，將其對應覆蓋區域限定為本站及從本站起終點分別向區間延伸50 ～100 m，達到本小區內最多同時出現本線兩列車的目的。根據上述條件，系統帶寬需求如表1 所示。

表1 LTE-M系統綜合承載業務帶寬需求表Tab.1 Bandwidth demand table of integrated carrying services of LTE-M system

從LTE-M 系統帶寬速率表查表可知：

1）A 網在承載含集群調度業務的安全數據時至少需要1.4 MHz 頻寬，在承載所有數據時至少需要5 MHz 頻寬；

2）B 網至少需要1.4 MHz 頻寬。

4 覆蓋方案比選

LTE-M 系統在在同站臺平行換乘車站有以下5 類覆蓋方案。

1）頻率隔離

各線路在中心側分別建設本線核心網，在車站分別建設本線側無線接入網，各線路選用兩組相異頻段。

2）空間隔離

各線路在中心側分別建設本線核心網，在車站分別建設本線側無線接入網，各線路選用兩組相同或部分重疊頻段。

3）核心網共用

各線路在中心側共用核心網，在車站分別建設本線側無線接入網，各線路任意選用兩組頻段。

4）核心網互聯互通

各線路在中心側分別建設本線核心網，并做互聯互通。由先建線路完整建設本站無線接入網，后建線路在已建成無線接入網內進行跨網切換。

5）基站共享

基站共享有4 種類型。方案一為各線路在中心側分別建設本線核心網，先建線路建設本站所有基站，并虛擬為各線基站。基站通過S1 鏈路同時接入各線核心網，為各線服務，各線小區采用兩組相異頻段。方案二與方案一類似，但各線小區采用相同或部分重疊頻段，且配置為載波聚合模式。方案三、方案四為各線除共享本站基站外，還共享部分核心網設備，區別在于是否采用相異的頻段。因LTE-M 系統的頻段資源有限，且承載業務對帶寬有較高要求，在此類方案中推薦采用方案二。

上述覆蓋方案的對比如表2 所示。

表2 LTE-M系統在同站臺平行換乘車站覆蓋方案對比表Tab.2 Comparison table of LTE-M system coverage scheme of parallel transfer form with the same platform

在現階段應用中，LTE-M 系統較少承載集群調度業務，也極少存在列車跨線運營需求。因此覆蓋常采用頻率隔離或空間隔離方案，而頻率隔離的頻譜利用率低，在適用性和帶寬方面劣于空間隔離，因此，應優先采用空間隔離方案。

5 空間隔離方案分析

空間隔離方案的原理是通過合理的器件選型和天饋系統設計，利用站臺層公共區、屏蔽門、設備區隔墻、列車車體等障礙物因素減少系統間相互干擾。各線LTE-M 系統按獲批頻段進行配置，并采用相同的發射功率、傳輸模式、子幀配比和GPS時鐘，確保雙方系統的上下行時隙同步，本方系統下行信號不會影響對方系統上行信號，這樣僅需對下行信號的干擾裕量進行計算。

根據《城市軌道交通車地綜合通信系統(LTE-M)》的規范要求，當參考信號接收功率（RSRP）不小于-95 dBm 時，信號與干擾加噪聲比（SINR）應≥3 dB。結合工程實際經驗，宜將SINR 設定為≥9 dB。

vN是包含底噪和其他異系統的干擾信號以及來自對方線路的同頻干擾信號，則公式等價為：SINRdB=RSRP本線－20lg（V異系統+V底噪） 。

一般情況下，底噪為高斯白噪聲與現場環境中其他異頻段無線系統的綜合作用，其值常小于－115 dB，且遠小于來自同頻段對方線路的干擾，因此可設定V異系統=V底噪，并定義V異系統為來自對方線路的同頻干擾，則系統所需的隔離度為：SINRdB=RSRP本線－RSRP對方線路－6，代入SINR值，得RSRP本線＞RSRP對方線路+15，即在覆蓋范圍內，本線與他線RSRP 的差值不小于15 dB，則可認為滿足空間隔離的要求。

在站臺屏蔽門設置區域對應的軌行區范圍內，應在結構側墻或隔墻上安裝漏纜，若現場未設置墻體，則應通過在軌行區結構柱間加裝輔助掛架完成漏纜安裝。在站臺設備區對應的軌行區內，因現場不具備兩根漏纜并行敷設的空間，故在軌行區隔墻或結構柱起始端頭處加裝定向天線。典型車站覆蓋示意如圖1 所示。

6 測試方案

1）測試環境

圖1 同站臺平行換乘車站（地下兩層一島兩側四線）覆蓋平面示意圖Fig.1 Coverage plan sketch of the parallel transfer form (two underground floors and four lines on both sides of one island) with the same platform

西安地鐵4 號線與機場線在北客站形成同站臺平行換乘關系，車站型式為地下兩層一島兩側四線，兩線LTE-M 系統均為承載除集群調度業務以外的其他業務，因此在北客站采用空間隔離方案。4 號線與機場線分別建設各自的LTE-M 系統，并在北客站采用相同子幀配比、時隙、發射功率和GPS 時鐘。

2）測試步驟

a. 4 號線和機場線同時開啟LTE-M 系統。

b.測試設備在4 號線覆蓋區域接入4 號線，獲取4 號線SINR 值、丟包率和時延。

c.測試設備在機場線覆蓋區域接入機場線，獲取機場線SINR 值、丟包率和時延。

d.關閉機場線、維持開啟4 號線的LTE-M 系統。測試設備在機場線覆蓋區域接入4 號線，獲取的場強值為4 號線對機場線的干擾值。

e.關閉4 號線、維持開啟機場線的LTE-M 系統。測試設備在4 號線覆蓋區域接入機場線，獲取的場強值為機場線對4 號線的干擾值。

7 測試結果及分析

1）步驟a 的測試數據如表3 所示。

2）步驟b 測得4 號線系統場強為-100 dBm。

3）步驟c 測得機場線系統場強為-100 dBm。

4）干擾裕量分析

干擾裕量為有用信號強度與干擾信號強度差值。結合上述數據得出，4 號線系統干擾裕量為（-80 dBm）－（-100 dBm）=22 dB，機場線系統干擾裕量為（-79 dBm）－（-100 dBm）=21 dB，均大于預設的15 dB，滿足隔離要求。

表3 測試數據Tab.3 Test data

8 結語

從4 號線LTE-M 系統投入運行至今，系統運行平穩，實踐證明，當LTE-M 系統不承載集群調度業務時，空間隔離方案是解決同站臺平行換乘車站覆蓋問題的有效措施。對有其他需求的LTE-M系統而言，應統籌考慮承載業務類型、獲批頻段資源、跨線運營需求、招標模式等因素，對覆蓋方案進行合理選擇。