基于LTE-M技術的城市軌道交通車地通信應用

張 衡 侯筱巖 辛 鑫

(1.北京市地鐵運營有限公司技術創新研究院分公司，100044，北京；2.地鐵運營安全保障技術北京市重點實驗室，102208，北京; 3.北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司，100082，北京∥第一作者，高級工程師)

車地通信是城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統中行車信息上傳與下發的重要傳輸橋梁，是PIS(乘客信息系統)車載視頻直播、緊急文本下發，以及CCTV(閉路電視)和TCMS(列車控制與管理系統)信息上傳的關鍵環節，其移動性能、抗干擾性和傳輸速率等指標直接影響整個系統的傳輸效果。

北京市地鐵運營有限公司所轄線路受建設時的技術條件限制，其車地通信在線路運營中陸續暴露出了易受干擾、硬件易損、設備老化、覆蓋距離短、切換頻繁、丟包率高及傳輸速率局限等問題。LTE-M(地鐵長期演進)技術具有抗干擾能力更強、移動性更高、穩定性更好、QoS(服務質量)更有保證的特點[1-3]；因此，逐步在鄭州地鐵1號線、深圳地鐵11號線、杭州地鐵4號線、武漢地鐵6號線等線路的車地通信中得以應用。

1 車地通信業務需求

結合文獻[4]，北京地鐵車地通信系統每列列車無線業務指標最低需求如表1所示。

表1 每列列車無線業務指標最低需求

2 LTE-M系統應用測試試驗

2.1 測試環境

本研究選擇北京地鐵15號線馬泉營站至孫河站下行區間為試驗段(如圖1所示)，進行改造試驗測試。試驗段共長3.3 km，涵蓋了隧道、高架、直道、彎道等典型線路環境，具有代表意義。試驗列車以正常運行速度(最高90 km/h)通過測試區間，并進行往返動態測試，以驗證LTE-M系統在運營線的傳輸性能和業務承載能力。

圖1 區間試驗段

2.2 LTE-M系統結構設計

LTE-M系統由地面控制中心核心網、軌旁無線接入網和車載單元共同組成，其網絡拓撲如圖2所示。控制中心主要由GPS(全球定位系統)、EPC(核心網)和網絡管理系統組成，負責整個試驗系統的控制與管理。軌旁無線接入網主要由BBU(基帶處理單元)、RRU(射頻拉遠單元)以及2根分別為垂直極化與水平極化的漏纜組成。車載單元主要包含TAU(列車接入單元)、車載交換機、車載POI(合路器)和分別接收隧道壁和高架橋漏纜信號的2×2 MIMO(雙輸入雙輸出)雙極化天線組成。地面和車載的模擬測試終端、PIS及CCTV設備主要負責傳輸性能和業務模擬承載測試。

圖2 LTE-M網絡拓撲圖

2.3 無線網絡規劃

2.3.1 頻率規劃

本次試驗頻率分別采用1 795～1 805 MHz、1 785～1 805 MHz同頻組網，來驗證2種不同頻寬下的傳輸性能。

2.3.2 小區規劃與切換

為了在測試過程中增加切換次數，獲得更多的切換數據，本次試驗部署的2臺BBU交叉組網分別連接到4臺RRU，形成2個邏輯小區，列車在2個邏輯小區的邊緣發生切換，如圖2所示。

2.3.3 鏈路預算

無線覆蓋鏈路預算是信號覆蓋范圍的量值依據，其目的是在工程實施前，確定每一個信號源最大可能的覆蓋范圍。

LTE-M一般是上行覆蓋距離受限，故本文以上行覆蓋距離為估算的最大覆蓋距離。如圖3所示，從RRU至車載終端的整個信號收發鏈路損耗包括：RRU與合路器之間的接頭與饋線損耗La=1 dB；合路器的插入損耗Lb=1 dB；合路器與漏纜之間饋線損耗Lc=1 dB；漏纜的插入損耗Ld；根據工程需要計算可得,漏纜與車載天線之間的耦合損耗Le，2 m范圍95%覆蓋概率的耦合損耗為66 dB；車載天線的增益G1=6 dB；車載平板天線與TAU之間的饋線損耗Lg=2 dB；RRU接收機靈敏度Pt=-82 dB；車載TAU發射功率級Pr=20 dB。此外，在工程中還應考慮衰落余量Lo1和干擾余量Lo2，分別取10 dB、8 dB；漏纜傳輸單位損耗β=40 dB/km。

圖3 漏纜覆蓋鏈路損耗構成

Pt+La+Lb+Lc+Ld+Le+Lg+Lo1+Lo2=

G1+Pr

(1)

則：

Ld=(G1+Pr)-(Pt+La+Lb+Lc+Le+

Lg+Lo1+Lo2)

(2)

每個RRU單向覆蓋距離d為：

(3)

由式(1)—式(3)可得，d=475 m。在實際工程中，為滿足現場線路情況、系統結構設計和考慮到小區規劃與切換所需的重疊區域，最終確定整個試驗段共設置4臺RRU，且RRU單向覆蓋距離最小值取400 m、最大值取450 m。

2.4 抗干擾措施

本次試驗采用了以下抗干擾措施：① 采用專用頻段，規避頻段干擾;② 采取垂直極化與水平極化雙漏纜，規避傳統2根同極化漏纜覆蓋時因信號相互干擾而導致的邊緣信號無法實現MIMO，以保證邊緣信號的傳輸速率;③ 在射頻饋線端增設帶通濾波器，減小了雜散干擾。

3 測試結果與分析

3.1 信號覆蓋率

信號覆蓋率直接關系到通信系統傳輸性能。根據LTE-M需求規范，無線覆蓋指標應滿足在98%統計概率下RSRP(參考信號接收功率)不低于-95 dBm，SINR(信噪比)不低于3 dB。測試結果為：RSRP最小值為-85 dBm，SINR最小值為2.6 dB；RSRP>-95 dBm的概率為100%，SINR>3.0 dB的概率高于98%。測試結果滿足LTE-M信號覆蓋率要求。

3.2 傳輸性能

傳輸性能測試包括傳輸速率、傳輸時延、丟包率和越區切換測試。傳輸速率按單漏纜和雙漏纜傳輸時不同時隙配比(SA0為1∶3,SA1為2∶2)的傳輸速率分別測試，結果如表2及表3所示。

表2 單漏纜傳輸速率測試

表3 雙漏纜傳輸速率測試

測試結果表明，無論是20 MHz還是10 MHz在不同時隙配比下的上下行傳輸速率都遠大于表1中車地通信各業務傳輸速率之和7.2 Mbit/s的最低需求。

各業務單向傳輸時延如圖4所示。單向傳輸時延均滿足表1中需求。

圖4 各業務單向傳輸時延

在試驗中共發生了100次以上越區切換，成功率為100%，最大切換時延為74.4 ms，滿足LTE-M 通信延時不超過150 ms的概率不小于98%、單設備切換成功率應不小于99.92%的要求。

各業務丟包率均為0，滿足表1需求。

4 應用建議

1)無線環境方面：地面環境具有多樣性、發展性和不確定性；在工程改造設計前，需對沿線電磁環境進行掃描，為頻率規劃提供重要參考依據。

2)業務需求方面：業務需求直接關系到車地通信技術的選擇，因此明確業務需求，尤其是傳輸速率需求是技術選擇的根本要求。

3)信號覆蓋方面：在工程改造實施時，做好無線網絡優化，特別是在彎道區域，確保無線信號覆蓋良好，杜絕傳輸速率下降。采用水平和垂直雙極化漏纜覆蓋，可縮短漏纜的安裝距離，提高小區邊緣傳輸速率。

4)抗干擾方面：射頻口建議采用優質濾波器，以減小相互之間的阻塞干擾和雜散干擾。當非軌道交通行業的LTE系統也分配了1.8 GHz頻段時，還需考慮提高二者之間的空間隔離度，盡量減少干擾。在高架段的上下行區間采用共小區規劃，以規避上、下行同頻干擾。

5)信息安全方面：LTE-M系統支持高級加密標準加密算法(AES)、第三代移動通信字節流密碼加密算法(SNOW 3G)和祖沖之加密算法；但是只有祖沖之加密算法是我國提出的，符合國家密碼管理局的要求，應優先采用。

5 結語

本文從北京地鐵運營實際情況和需求出發，設計了基于LTE-M技術的車地無線通信系統，并在運營線典型試驗段進行了實地動態試驗測試，驗證了在10 MHz和20 MHz頻寬時，LTE-M系統的基本性能和承載能力，結論如下：

1)雙極化漏纜能夠很好地實現LTE-M系統信號覆蓋，且能夠提高系統傳輸速率。

2)滿足車地通信切換時延小于150 ms的要求。

3)無論是10 MHz還是20 MHz頻寬在不同時隙配比下的上下行傳輸速率和都遠大于車地通信總傳輸速率7.2 Mbit/s的最低需求。

4)滿足承載CBTC、緊急文本、TCMS、PIS和CCTV視頻業務時丟包率小于1%和傳輸時延分別不大于150 ms、300 ms、300 ms、500 ms、500 ms的傳輸要求。

5)滿足列車90 km/h時的越區切換時延小于150 ms的要求。