LTE-R系統應用初期在工程上的無線組網應用研究

王敬源

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 200071)

1 無線基本組網架構

LTE-R 沿鐵路的覆蓋是通過分布式基站設備來實現，分布式基站由基帶控制單元（BBU）與射頻拉遠單元（RRU）構成，BBU 與RRU 之間通過通用無線公共接口（CPRI）接口光纖進行通信，BBU與最遠的RRU 之間光纜長度可達10 km。根據目前鐵路無線覆蓋的要求，列出如下幾種覆蓋方式。

1) 跨BBU 冗余組網

跨BBU 冗余組網，主BBU 與輔BBU 同站址設置，同一個環上的RRU 可以共小區也可以獨立小區設置。當主BBU 故障時，輔BBU 仍能正常工作；當RRU 故障時，同站址RRU 仍能提供無線覆蓋。可適用于速度350 km/h 高速鐵路。

2) 單基站冗余組網

單基站冗余組網中，BBU 與RRU 同站址設置。當BBU 或RRU 故障時，相鄰基站仍能提供無線覆蓋。可適用于速度350 km/h 高速鐵路。

3) 單RRU 冗余組網

單RRU 交織冗余組網中，BBU 宜異址設置。BBU 與RRU 間宜采用環形組網方式。當BBU 或RRU 故障時，相鄰RRU 仍能提供無線覆蓋。可適用于速度350 km/h 高速鐵路。

4) 非冗余組網

非冗余組網，BBU 與RRU 間應采取環形組網方式，單套RRU 故障或BBU 與RRU、RRU 間任意一處光纖中斷，不影響其他RRU 設備正常工作。可適用于速度250 km/h 及以下的鐵路。

2 LTE-R同頻及異頻組網模式

2.1 同頻和異頻組網模式

同頻組網模式是指網絡中設置的所有小區都使用相同的頻率。這種組網方式，頻譜利用率最高，節約頻率資源，特別適合于頻譜資源緊張，通信系統帶寬比較寬的情況。在網絡設計、建設、擴容時頻率規劃非常簡單。

異頻組網模式是指相鄰小區間的頻率互不相同，可以實現頻率復用，有效避免同頻所帶來的干擾問題。異頻組網減小小區間干擾，提升小區載干比，在頻率資源相同的情況下，用戶傳輸速率高。

同頻組網模式和異頻組網模式均可分為普通單網、交織覆蓋和同站址雙網3 種方案。

1) 普通單網方案

普通單網方案是非冗余的網絡覆蓋方案。此種覆蓋方案網絡架設的結構簡單，在工程上實施起來相對容易，設備投資小，頻率資源利用率較高。但此種覆蓋方案網絡容災性能較差，系統可靠性低，單個基站出現故障時，故障區段網絡會中斷。同頻普通單網方案是指網絡架構中所有基站都采用相同的頻率，異頻普通單網方案是指相鄰基站采用不同的頻率。

2) 交織覆蓋方案

交織覆蓋方案是指兩個相鄰基站的場強覆蓋區域相互交疊，基站場強邊緣要覆蓋到相鄰基站的根部。沿線基站按照奇數與偶數進行區分，任意奇數或偶數基站故障時，網絡仍然能以普通單網的模式繼續運行。

同頻交織覆蓋是指奇數站和偶數站采用同一頻率。異頻交織覆蓋是指奇數站和偶數站采用不同頻率。

3) 同站址雙網覆蓋方案

同頻同站址雙網覆蓋是指在同一物理地點設置兩套獨立的基站設備，形成兩層網絡。同頻同站雙網覆蓋指兩層網絡都采用相同頻率。異頻同站雙網覆蓋指兩層網絡都采用不同頻率。

3 工程設計布設模擬

以京沈客專試驗段部分區段為藍本，模擬進行LTE-R 系統的設計。

模擬設計段落為新北民（DK633+125）至古城子（DK675+550），兩站相距42.425 km，線路沿線為開闊區域，無隧道。京沈客專設計速度為350 km/h，采用CTCS-3 信號系統，按照最小覆蓋電平-90 dBm 進行考慮，RRU 間距按照3 ～4 km進行布設，每個BBU 最多連接6 個RRU。

區間基站設備采用分布式基站設備，可以按照單基站冗余組網、單RRU 冗余組網和跨BBU 冗余組網3 種組網模式進行布設，具體基站布點如表1所示。

1) 單基站冗余組網

系統示意如圖1、2 所示。

a. 同頻組網模式：所有基站采用同一個頻點。

b. 異頻組網模式：奇數站與偶數站分別采用不同的兩個頻點。

若采用此種組網方式，需要BBU 設備13 套，RRU 設備13 套，鐵塔13 座，天線26 套。在土建施工方面需要沿線建設13 座基站設施放置相關通信設備，與采用GSM-R 系統時所需要的工程量基本相同。

2) 單RRU 冗余組網

系統示意如圖3、4 所示。

a. 同頻組網模式：所有基站采用同一個頻點。

b. 異頻組網模式：奇數站與偶數站分別采用不同的兩個頻點。

若采用此種組網方式，需要BBU 設備3 套，RRU 設備13 套，鐵塔13 座，天線26 套。在土建施工方面需要沿線建設3 座基站設施放置分布式基站BBU+RRU 設備，以及10 座直放站設施放置RRU 設備，與單基站冗余組網模式相比，土建規模大大減小，相關基站內配套的通信設備也相應大大減小。但此種模式BBU 故障時，會導致連接在故障BBU 上的所有RRU 全部掉線，使很長區段都需要降速行駛，降低系統可靠性。

表1 各組網模式基站布點表Tab.1 Table for arrangement of base station of each networking mode

圖1 同頻單基站冗余組網Fig.1 Redundant networking of single base station with the same frequency

圖2 異頻單基站冗余組網Fig.2 Redundant networking of single base station with different frequency

圖3 同頻單RRU冗余組網Fig.3 Redundant networking of single RRU with the same frequency

圖4 異頻單RRU冗余組網Fig.4 Redundant networking of single RRU with different frequency

3) 跨BBU 冗余組網

系統示意如圖5、6 所示。

同頻組網模式：所有基站采用同一個頻點。

異頻組網模式：A 層網基站與B 層網基站分別采用不同的兩個頻點

若采用此種組網方式需要BBU 設備6 套，RRU 設備26 套，鐵塔13 座，天線26 套。在土建施工方面需要沿線建設3 座基站設施放置分布式基站BBU+RRU 設備，以及10 座直放站設施放置RRU 設備。3 處基站需要放置雙套相應傳輸、基站及電源設備，直放站內需要放置雙套RRU 設備。此種方式的冗余能力最強，不論是BBU 設備還是RRU 設備單點故障時，都不會引起列車降速，大大增加系統的可靠性。

綜上所述，在GSM-R 向LTE-R 演變的初期，推薦采用同頻單基站冗余組網的方式，此方式能最大限度的利用現有的GSM-R 資源，和已有的設計、施工經驗。待后期設備成本減低后可采用跨BBU冗余組網模式，可以大大加強無線系統的可靠性，減小對土建工程的依賴。

4 LTE-R的干擾協調方案

4.1 LTE-R的外部干擾及解決措施

根據《鐵路寬帶移動通信（LTE-R）組網暫行技術要求》（鐵總科信[2019] 85 號）中的描述，國內鐵路擬采用450 MHz 頻段作為LTE-R 的使用頻段，但此頻段主要有兩個方面的外部干擾：業余無線電和廣電系統；鐵路LTE-R 系統與公網運營商LTE 系統間干擾。

圖5 同頻單基站冗余組網Fig.5 Redundant networking of single base station with different frequency

圖6 異頻單基站冗余組網Fig.6 Redundant networking of single base station with different frequency

對于與業余無線電和廣電系統間的干擾，ITU、3GPP 和CEPT 等國際通信機構已對相應問題展開研究。研究結果表明，LTE-R 系統可以實現與廣電系統和業余無線電的無干擾共存。

對于公網的LTE 系統，相關干擾防護措施尚不完全。假設LTE 的RRU 發射功率為20 W，天線增益為17 dBi，考慮3 dB 的連接損耗，12 dB 的C/I，LTE 雜散為-6.9 dB/100 kHz（LTE36.141 協議），計算公式為：RRU 發射功率+天線增益-路徑損耗+隔離帶寬損耗+載干比=最小接收電平，干擾測算如表2 所示。

表2 LTE-R與公網LTE系統干擾測算Tab.2 Interference calculation between LTE-R and public network LTE system

目前LTE 移動端的接收靈敏度為-105 dBm，通過上述計算可以看出通過設置濾波器和隔離帶寬等方式可以有效減小公網LTE 信號與鐵路LTE-R信號間的干擾，因此，在工程實施中可以參考下列措施來盡可能較少或消除外部系統對LTE-R 帶來的干擾。

1）事先協調，要求雙方對基站加濾波器

基站與基站間干擾，在整網都受到干擾的情況下，可以考慮安裝濾波器的方式解決問題。在存在一定保護帶的情況下，安裝合適的濾波器能夠解決各種干擾問題，其中在受擾系統上安裝濾波器可以解決阻塞與互調干擾，而在施擾系統上安裝濾波器則可以解決雜散干擾。同時，安裝濾波器也可以解決大多數基站與終端的干擾問題。根據調查，目前市場上25 dB濾波器是最容易生產安裝在基站上的配套設備，但從計算結果來看25 dB 的濾波器的效果并不理想，因此采用40 dB 左右的濾波器應是未來設備廠商需要進行研發的思路，以保證不影響鐵路LTE-R 網絡的同時，同樣能夠保證公網的覆蓋率。

2）增加系統間保護頻帶

增加保護帶將會使功放的雜散及接收機的阻塞性能變優，同時雙工器的抑制也會增加，如果需要外加濾波器，則濾波器的實現將會變得簡單，成本也會降低。保護帶的計算參考干擾系統的射頻實測指標，保護帶越大，雜散指標越優，被干擾的概率越低。上文計算可以看出，設置2 MHz 左右的隔離帶寬是減小公網LTE 與鐵路LTE-R 間的干擾最理想方式，但是由于頻率帶寬資源稀缺，再拿出2 MHz 的帶寬作為保護隔離實施非常困難；但是1 MHz 的隔離保護帶寬配合濾波器也可以達到一個不錯的干擾防護效果，同時設置1 MHz 的隔離保護帶寬在可行性上也強于2 MHz 帶寬。

4.2 LTE-R的內部干擾及解決措施

4.2.1 同頻組網模式下的干擾協調方案

在同頻組網模式下，LTE 系統干擾主要來自于同頻鄰區干擾，如果不采取抗同頻干擾的措施，小區邊緣的上下行干擾很嚴重，影響到鐵路業務的速率需求。

目前LTE 有以下技術消除小區間的同頻干擾。

1） 小區間干擾協調技術（ICIC）

通過協調本小區和相鄰小區選用不同的時頻資源，或者調節特定的時頻資源的發射功率大小來消除同頻干擾。例如功率控制技術。干擾協調核心思想是通過小區間的協調對一個小區的可用資源進行某種限制，以減少本小區對相鄰小區的干擾，提高相鄰小區在這些資源上的信噪比以及小區邊緣的數據速率和覆蓋。

2） 小區間干擾消除技術IC

此項技術是將本地小區和同頻鄰區的信號都進行解調和解碼，利用小區間干擾的相關性，將各自的干擾信號和有用信號進行分離。可以支持徹底的同頻組網。典型IC 技術為干擾抵消合并（Interference Rejection Combining, IRC）技術，通過IRC 基帶解調算法，可以將單小區來自列車方向相反方向的干擾去除。

4.2.2 異頻組網模式下的干擾協調方案

在異頻組網模式下，LTE 系統干擾主要來自于使用相同頻率的鄰小區。如果保證本地小區與最相鄰的小區之間保持不同頻率，則可以通過空間距離來隔離使用相同頻率的小區。由于鐵路無線覆蓋具有鏈狀覆蓋的特點，頻率可以通過交叉復用的方式進行分配，即本地小區需和其前一個相鄰小區和后一個相鄰小區保持使用不同的頻率。通過對可用頻率資源進行合理的頻率規劃，來減小的網絡干擾。

5 總結

本文通過京沈實驗部分區段進行模擬設計，對比分析同/異頻普通單網模式、同/異頻單基站冗余組網模式、同/異頻單RRU 冗余組網模式和同/異頻跨BBU 冗余組網模式這幾種組網模式的優勢及劣勢，得出結論：LTE-R 系統在鐵路工程應用初期可以采用同頻單基站冗余組網的方式，待到后期設備成本減低后，可采用跨BBU 冗余組網模式，從而加強無線系統的可靠性。

面對干擾時可以采用40 dB 濾波器和設置1 MHz 隔離帶寬來減少系統外部干擾，通過更加先進的算法，合理的頻率規劃來減少系統內部干擾。