基于LTE-M的中低速磁浮信號系統車-地無線網絡規劃設計

王海明，呂浩炯，鐘虞全，蔣 俊，唐 韜

（湖南中車時代通信信號有限公司，1、工程師，2、教授級高級工程師，4、助理工程師，5、助理工程師，湖南 410000；3.湖南磁浮技術研究中心有限公司，工程師，湖南 410000）

1 背景

相對于傳統的輪軌列車和高速磁浮列車，中低速磁浮列車具有安全低噪、綠色節能、零排放、造價低廉、轉彎半徑小、爬坡能力強等獨特優勢，且不需要大規模挖建隧道，特別適用于客流量中等的城市。

2016年5月，長沙磁浮快線作為全球最長的中低速磁浮列車運營線正式開通試運營，車地無線通信是城市軌道交通安全運營的重中之重，為保障安全運營主要承載了：基于通信的列車自動運行控制（CBTC）業務，用于控制車輛的安全可靠行駛；列車運行狀態監測業務，用于保障列車運行期間關鍵設備的安全運轉；CCTV列車視頻監控業務，用于實時上傳車內視頻監控圖像；乘客信息系統（PIS）業務，用于發布路網異常情況下的乘客通知及運營服務信息。

2 WLAN技術和LTE-M技術對比

目前，磁浮軌道交通的車地無線通信都是基于WLAN（WirelessLocalAreaNetwork），相關設備工作在ISM（IndustrialScientificMedical）頻段，獨立設置無線網絡。實踐證明基于WLAN的專用車地無線通信系統能保證當前磁浮軌道交通的安全高效運營，但仍有一定的局限性。

LTE-M是基于LTE標準根據城市軌道交通生產業務需求定制的專用LTE通信系統。在軌道交通應用方面較WLAN有較明顯的優勢。對比如表1。

表1 LTE-M與WLAN區別

3 城市軌道綜合業務的需求分析

根據對當前國內已運營的城軌線路進行業務分析，生產業務的車地無線通信需求見表2。

表2 城市軌道交通車地無線通信需求（單車）

4 LTE-M承載綜合業務可行性分析

4.1 LTE-M頻段劃分

1785MHz～1805MHz是行業專用頻段，該頻段設備發射功率大，覆蓋良好，傳輸損耗小，可節省成本。CBTC列控信息的安全可靠承載需兩張獨立且并行工作的A/B雙網。根據磁浮1.8GHz頻率申請情況及不同優先級業務需求，A/B兩網信道帶寬及業務承載可按表3分配。

表3 頻段資源分配表

4.2 LTE-M傳輸性能

LTE-M系統業務端到端傳輸時延小于100ms。丟包率在合理參數配置下遠低于0.5%。在配置為MIMO1*1時隙配比1的情形下，當SINR控制在0dB時，無線鏈路能提供下行5Mbps上行2Mbps的吞吐量。SINR為15dB時，可提供下行27Mbps上行11Mbps的吞吐量。通過采用AFC（Automatic FrequencyControl）技術，加強無線鏈路的穩定性。

4.3 LTE-M服務質量（QoS）保障

按不同業務需求劃分優先級，使CBTC業務傳輸的低延時、低丟包率等指標得到保障，在此基礎上調度其它業務。業務優先級和服務質量定義如表4。

表4 LTE-M業務優先級和服務質量劃分

5 基于LTE-M的車地無線通信方案

5.1 LTE-M網絡邏輯架構

LTE-M網絡的整體邏輯架構如圖1：

圖1 LTE-M邏輯架構

5.2 LTE-M網絡物理架構

LTE-M網絡由核心網、軌旁接入網、車載無線終端三部分組成。磁浮系統需無線覆蓋的區域包括沿線車站、上下行正線、折返線、車輛段、停車場、試車線。圖2為磁浮線路LTE-M網絡物理架構。

圖2 LTE-M網絡物理架構

5.3 5MHz+10MHz組網覆蓋規劃和鏈路預算

5.3.1 覆蓋方式和基站部署 考慮到增強抗干擾能力，對于正線上下行采用漏泄同軸電纜進行無線覆蓋。以單根漏泄電纜方案為例，單分區連接示意圖如圖3所示：

圖3 漏纜連接示意圖

通過BBU交叉部署，RRU交疊覆蓋的方式確保網絡傳輸的可靠性，具體實現方式如圖4所示：

圖4 無線交織覆蓋

5.3.2 漏纜鏈路預算 根據業務需求，如果采用5M+10M的方式進行承載，則A網5M承載CBTC+車輛維護信息上行帶寬需求為512k+256k=768kbps，下行帶寬需求為512kbps；B網10M承載CBTC+車載視頻監控上行帶寬需求為512k+4M=4.5Mbps，下行CBTC帶寬需求為512kbps。由此可見B網綜合承載為網絡瓶頸，以B網為鏈路預算作為小區半徑規劃依據。如表5：

表5 單漏纜鏈路預算

接收端天線增益（dBi）接收端饋線損耗（dB）目標負載干擾余量（dB）最小信號接收電平（dBm）路徑損耗&小區半徑慢衰落標準差（dB）區域覆蓋概率慢衰落余量（dB）寬度因子余量（dB）路徑損耗（dB）傳播模型頻率（MHz）泄露電纜耦合損耗（dB）泄露電纜百米損耗（dB）小區半徑（km）室外RSRP（dBm）每子載波發射功率（dBm）室外RSRP（dBm）0.00 0.50 75.00%6.00-109.47 6.00 90.00%4.00 12 101.11漏纜1800 65.00 5.5 656.09 18.23-101.79 1.00 0.00 50.00%6.00-115.42 6.00 90.00%4.00 12 112.77 1800 65.00 5.5 768.55

根據單漏纜鏈路預算的計算結果，預留80米的切換帶，單小區覆蓋距離為656*2-80=1232米。

6 結語

中低速磁浮軌道交通車地無線通信系統需要同時承載CBTC、列車狀態監測、CCTV、PIS等多種業務，為了保證磁浮軌道交通安全高效運營，且為了減少無線干擾，應采用不同于ISM頻段的專用頻段來建設專用通信網絡。相對WLAN，LTE系統具有抗干擾能力強、綜合承載能力強、頻譜利用率高等優點。通過分析可以得出結論：采用LTE系統承載軌道交通綜合業務，能保障多種業務的不同傳輸需求，為未來業務擴展提供有效的傳輸通道。