基于LTE的車地無線通信技術在地鐵信號系統中的運用淺析

余適 謝尚意 楊同喜

摘要 新時期發展背景下，地鐵工程已經成為人們日常生活中非常重要的組成部分。文章主要將TD-LTE技術與WLAN技術進行了對比分析，在此基礎上探究了將LTE應用于城市軌道交通車地無線通信系統中的重要性，從業務承載需求角度上進行分析，結合實際情況提出了一些有效的運用方案，為相關人員提供合理的參考依據。

關鍵詞 LTE;車地無線通信技術;地鐵信號系統

中圖分類號 U284.48;U285.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0010-03

0 引言

針對軌道交通數據通信系統而言，主要是通過對有線網絡與無線網絡的合理應用，從而在各個設備之間實現雙向通信作用。通常情況下，在子系統設備當中，可以在對有線網絡應用的基礎上，完成對信息的傳輸工作，而地面設備與車載設備在對信息進行傳輸時，需要應用到無線網絡才能實現。結合目前的實際情況進行分析，在我國現有的車地通信系統當中，主要應用到了2.4G開放頻段的WLAN技術。

1 LTE技術概述

我國各大運營商在經營發展中，逐漸對LTE4G網絡高度重視，并實現了對LTE4G網絡的充分利用，現在已經成為比較成熟的商用網絡。而LTE技術在應用過程中不但速度非常快，同時還能體現出非常明顯的實時性，具有非常好的移動傳輸性能，將其應用到地鐵車地無線通信系統中，屬于一項可行的技術方案。關于LTE技術，主要是通過3GPP組織制定的通用移動通信系統技術標準的長期演進，結合雙工方式之間存在的差異，可以將LTE系統劃分為FDD-LTE與TDD-LTE兩種形式。

首先，針對FDD-LTE而言，FDD可以完成對上下行數據之間的傳輸工作，并保證數據傳輸同時間進行，與雙車道運行相似，上行與下載之間可以在同一時間內開展，具體如圖1所示。

其次，對于TDD-LTE，其中TDD上下行數據采取分時的形式進行傳輸，與單車道運行相似，其中主要是通過信號燈進行引導，也即是分設計控制通道對上傳與下載進行明確，具體如圖2所示。

2 案例分析

該文結合TD-LTE技術，應用于某地鐵3號線中，在此基礎上構建出了車地無線通信系統，在具體的應用過程中，主要承載了信號CBTC業務。

2.1 系統架構

如圖3所示，地鐵3號線車地無線通信LTE系統中，主要是應用了A/B紅藍雙網冗余架構，在A/B紅藍雙網當中，分別設置了一套核心網與一套基站系統，從而可以對周邊行車范圍內所產生的信號進行全面覆蓋。

2.2 A、B網無線資源分配方案

結合目前的實際情況進行分析，關于軌道交通專用頻率資源，主要是在1 785～1 805 MHz之間，一般包含20 MHz寬帶。在地鐵3號線中，申請使用了8～10 MHz頻率資源，其中5 M主要被應用到A網當中，其余的5 M/3 M主要是被應用到B網中，都承載信號CBTC列車控制信息。如果在后面階段中出現了綜合承載現象，那么是由5 M帶寬資源的A網承載[1]。

2.3 無線網絡覆蓋分析

地鐵3號線項目在施工中，信號系統正線無線網絡使用了漏纜覆蓋，體現出了非常強的抗干擾性。但是，因為線路曲線高度超出了相應的標準要求，受到這一因素的影響，最終沒有得到較好的無線信號覆蓋效果。所以在專用通信與CBTC-B系統當中，一共使用到一根漏纜，從而可以達到漏纜敷設設計高度要求，同時也能滿足信號覆蓋強度方面的要求。

在正線A/B紅藍雙網當中，分別設置了一套核心網以及網管，同時在試車線與培訓中心的A/B紅藍雙網當中，分別設置了一套小型核心網，一共涉及四套小型核心網。在對基站進行劃分時，每一個基站是在一個基帶處理單元和不超過6個射頻拉遠單元中，BBU在經過以太網之后，與骨干網之間進行連接，并通過光纖與RRU之間進行連接。因為RRU站之間的距離非常大，最大可以達到1 300多m，在對設計余量進行深度分析之后，地鐵3號線參照單個RRU覆蓋不超出1 200 m的設置原則，來完成對BBU以及RRU的布置工作。

2.4 車載網絡設計

車載網絡主要由駕駛室網絡與車尾駕駛室網絡兩個部分共同組合而成。具體如圖4所示，車頂鯊魚鰭天線、車載TAU以及交換機等，共同組合形成一套單端駕駛室網絡系統。針對這些所涉及的車載設備而言，可以利用兩個彼此獨立存在的以太網，從而實現有效連接，在此基礎上形成CBTC數據通信子系統。當完成以上操作之后，如果車載設備出現了單端故障問題，車地無線通信依然可以順利完成各項工作，并滿足一定的可靠性，不會對列車正常運行產生影響。

2.5 時鐘同步

關于TDD雙工方式，主要是通過時分設計控制通道來完成上傳與下載等工作，從而對時鐘同步有著非常高的要求。地鐵3號線項目在進行中，LTE網絡主要將GPS作為第一時鐘方案，將IEEE1588V2作為備選時鐘方案。如果是在主時鐘源與輔時鐘源出現故障的情況下，eNodeB可以將內部時鐘作為同步時鐘源，從而可以保證一天之內時鐘的同步進行[2]。

3 LTE系統優化方案

3.1 漏纜合設優化方案

地鐵3號線項目，受到部分區域線路曲線較高因素的影響，造成CBTC-B網與800 M專用無線通信系統同時使用一根漏纜。

在具體的優化過程中，首先可以將目標放在頻率硬隔離上，但是，在同一漏纜當中，兩種信號在物理層面上不能很好地隔離，另外，受到漏纜合設的影響，在一定程度上增加故障排查工作難度，進而降低實際的工作效率。針對這種現象，后期施工過程中，在土建階段就需要對漏纜敷設需求進行全面了解，才能對LTE系統A/B雙網信號傳輸與其他網絡傳輸漏纜的輻射留出相應的安裝空間。

另外，因為受到漏纜合設的影響，導致合路器數量以及種類不斷增加，引發出更多的斷點故障問題。針對這種現象，在具體的優化過程中，應該選擇使用品牌以及型號一致的合路器，為后期備件管理以及維護等工作開展奠定良好的基礎條件，在面對容易出現斷點故障的設備時，及時將相應的維護管理工作進行全面落實。

3.2 同層換乘抗干擾優化方案

當兩條線路共同使用LTE技術時，其使用頻率也是一致的，針對這種現象，在同層換乘的情況下，經常會面臨同頻干擾問題的產生，要想解決這一問題，主要可以通過以下兩種方式來進行：

第一，空間隔離。結合該市地鐵2號線同層換乘抗干擾解決方案進行分析，在最初的設計階段中，將抗干擾列入考量范圍當中，同時在站臺預留出足夠的寬度與空間，基于物理層面進行考慮，可以防止換乘的兩條線路同頻傳輸信號之間出現干擾問題，具體如圖5所示。

地鐵4號線LTE信號在達到2號線軌道時，其信號會逐漸衰減，信號發射功率最大的基礎上，兩層屏蔽門穿透損耗+13 m傳播功率。

1.8 GHz電磁波在面對1 cm玻璃時，相當于一層屏蔽門的厚度，其穿透損耗一般是在5 dB左右[3]。

13 m傳播損耗=20 log（13 m/2 m）=17.5 dB

如果是在比較特殊的情況下，當兩個屏蔽門同時處于打開狀態時，載干比下降到17.5 dB，在此基礎上也能達到LTE同頻共存信噪比要求。

第二，頻率隔離。另外，在實際的測試過程中，如果出現干擾現象，可以在站臺區域對頻率進行充分利用，在此基礎上形成一定的隔離效果。具體如圖6所示，如果在F1處設置10 MHz頻率，那么在F2與F3處可以設置兩個5 MHz異頻，F2與F3所覆蓋的半徑要超出站臺長度，F1屬于正常半徑的小區域。

4 結語

該文主要對某市地鐵3號線的TD-LTE車地無線通信系統進行分析，針對車地無線通信的承載業務需求、組網架構以及抗干擾對策等進行了深入分析，將LTE車地無線通信技術應用于地鐵信號系統中，可以發揮出非常明顯的優勢，不但具有非常強的抗干擾性，同時還具有非常強的移動適應性，其覆蓋面積非常廣泛，受到相關行業的高度重視。

參考文獻

[1]呂興瑞，趙瑩瑩.CBTC系統車地無線通信技術研究[J].鄭州鐵路職業技術學院學報，2021（3）：4-6+10.

[2]薛灝勣.關于無線通信干擾和抗干擾技術分析[J].數字通信世界，2021（9）：137-138+150.

[3]李強，賀燎燎.基于LTE的車地無線通信技術在地鐵信號系統中的應用[J].內燃機與配件，2019（16）：240-242.