城市轨道交通与政务网1.4 GHz LTE网络共存分析

葛淑云戴克平尹尚国

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073；2．北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；3．深圳市中兴高达技术有限公司，深圳 518000)



城市轨道交通与政务网1.4 GHz LTE网络共存分析

葛淑云1戴克平2尹尚国3

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073；
2．北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；
3．深圳市中兴高达技术有限公司，深圳 518000)

摘要：针对北京轨道交通LTE车地通信建网的必要性和网间干扰进行分析，提出城市轨道交通与政务网1.4GHz LTE网络共存措施和建议。

关键词：LTE；1.4GHz；共存；方案

Abstract:The paper analyzes the necessity of constructing a LTE train-ground commission network for Beijing urban rail transit and the interference between the network with other networks, and puts forward the solution and suggestion that the urban rail transit network can coexist with 1.4GHz LTE government affairs network.

Keywords:LTE; 1.4GHz network; coexisting; solution

1　概述

随着我国城市化进程大大加快，城市人口急剧增加，大量流动人口涌进城市，使城市交通面临着严峻的局势。截至到2014年底，北京已开通轨道交通线路527.2 km、单日最高客流量1 156万人次、日均客流量约1 000万人次。到2020年，北京将建成轨道交通线路1 000 km，运营车辆2 000列。国内多个城市的轨道交通网络化运营已初具规模，在城市运行中发挥着越来越重要的作用。在当前形势下，城市轨道交通运营安全也成为各方关注的重点。

北京市委、市政府一直十分重视城市轨道交通的运营安全，专门成立轨道交通运营安全领导小组，统一协调解决涉及轨道交通运营安全的突出问题。2014年初召开会议，支持市交通委利用1.4 GHz专网频率（北京市政务网专用频率）建设轨道交通运营和安全防范的地下无线专网，并与已建成的地面网络实现互联互通，保证轨道交通运营安全。

国家无线电管理局将1 447～1 467 MHz共20 MHz频带宽度分配给政务网使用，北京无线政务网技术实验城市之一，采用TD-LTE技术组建政务物联数据专网（简称政务网）。截止2014年底，政务网已经覆盖了北京市五环以内90%以上的区域，以20 MHz同频蜂窝连续组网，主要承载视频监控服务。

2　轨道交通LTE独立建网必要性分析

城市轨道交通车地无线通信是保障城市轨道交通安全运营的重要环节，提供列车和地面控制中心的通信。

北京市轨道交通LTE车地综合无线通信系统主要考虑传输以下4类业务的数据，并预留其他生产业务的接入条件。

1）基于通信的列车运行控制（Communications Based Train Control System，CBTC）系统，完成对车辆安全行驶的控制功能。

2）列车运行状态监测系统，用于保障车辆运行期间关键设备系统的安全运转。

3）车辆视频监控系统（Closed Circuit Television，CCTV)，用于车内视频图像实时上传。

4）轨道交通乘客信息（Passenger Information System，PIS）系统，用于路网异常情况下的乘客通知及运营服务信息发布。

城市轨道交通的车地无线通信包括地下隧道、高架区段、地面路段和车辆段等不同的车地通信传播环境，业务带宽需求在车辆运行区域基本是恒定的需求。

如果城市轨道交通与政务网共网，即地下由地铁公司承载一张独立的1.4 G网络，出地面时使用1.4 G的北京政务网，则存在以下问题。

1）CBTC业务的双网冗余无法保证。CBTC在地面需要部署红蓝双网，与政务网现有网络结构冲突。

2）政务网LTE在轨道交通沿线的覆盖无法满足轨道交通生产业务的需求。

3）20MHz频谱带宽下，热点地区无法同时满足轨道交通生产业务和政务网业务的传输带宽需求，两者业务均会受到影响。

4）为保证车地带宽需求，地面沿轨道线的信号覆盖强度在-82 dBm以上，因此LTE系统采用漏缆进行覆盖，与政务网铁塔天线覆盖方式不同。

5）若地下线路由地铁公司建设LTE网络，地面使用1.4 G的北京政务网，由于是两个不同的LTE核心网管理的网络，存在设备和业务的互联互通问题；车载接入终端需要在两个核心网下进行用户的开户，存在用户管理问题。

因此，通过以上分析，建议基于LTE的轨道交通生产业务综合承载网络应该和政务网独立建网,即在北京城市轨道交通运行区域，由地铁单位建设独立的轨道交通LTE专用网络，采用“5 MHz+15 MHz”双网组网方案。5 MHz网络作为CBTC专用承载网络，15 MHz网络作为CBTC、CCTV/PIS的综合承载网络。

表1　用Okumura-Hata模型对链路损耗进行预算表

3　同频干扰分析

3.1政务网LTE系统对城市轨道交通LTE的影响

由于政务网LTE系统采用的频段与城市轨道交通LTE系统采用相同的频段，针对政务网的干扰问题，用Okumura-Hata模型对链路损耗进行预算，如表1所示，根据无线自由波模型的路损计算公式由

其中：

a（h2）为天线高度增益校正因子。

K为在郊区和开阔区域中应用小城市的校正因子。

针对北京政务网LTE系统，进行基本的参数界定，政务网基站天线高度选取30 m，车载TAU终端天线高度取值3 m，按郊区计算，RS取值18 dBm，TAU终端天线增益8 dBi，终端发射功率23 dBm，基站发射功率49 dBm，带宽20 MHz，中心频率1 457 MHz，如此的信号对城市轨道交通的切换中点（也就是小区边缘）进行干扰，如表2所示。

如果TAU终端天线放置到1 m及以下，相应的距离如表3所示。

表2　政务网干扰大小计算（终端高度3 m）

表3　政务网干扰大小计算（终端高度1 m）

从表3中可以看出，在正常情况下，为了使城市轨道交通LTE系统接收信干噪比（SINR）大于-2 dB，即使在终端天线高度为1 m时，仍然需要政务网的天线口与轨道的距离大于4 km。

3.2城市轨道交通LTE系统对政务网LTE系统的影响

在保证政务网和城市轨道交通LTE系统同步且时隙配比一致的前提下，需要考虑城市轨道交通LTE下行链路干扰政务网终端下行和城市轨道交通LTE终端上行干扰政务网上行两个方面。

城市轨道交通LTE下行链路干扰政务网终端下行属于带内同频干扰，距离城市轨道交通RRU越近，政务网终端受到的干扰越大，政务网终端接收SINR按照-2～10 dB考虑，则政务网终端定点时接收到城市轨道交通LTE网络和政务网基站的RSRP差距为-2和10 dB。按照漏泄电缆55 dB的耦合损耗，再加上合路器5 dB损耗以及老化损耗，城市轨道交通LTE下行网络最大出口功率为11.2-65=-53.8（dBm），如果政务网设计的边缘电平为-115 dBm，在不考虑其他干扰的前提下，终端距离城市轨道交通LTE网络的空间隔离要求为

-53.8+115+SNIR[-2，10]=61.2+[-2，10]=[59.2，71.2]（dB）。

城市轨道交通LTE终端上行干扰政务网上行也属于带内干扰，由于政务网速率要求低于城市轨道交通LTE网络，隔离度要求应小于城市轨道交通LTE下行链路干扰政务网终端下行的情况。

因此，分析城市轨道交通LTE网络下行干扰政务网终端下行链路的情况，终端距离城市轨道交通LTE网络的空间隔离要求为 [59.2，71.2]dB，直视场景下的距离如表4所示。

表4　城市轨道交通LTE网络下行干扰政务网终端下行的距离

由于城市轨道交通LTE网络与政务网终端间存在一定的遮挡，假设城市轨道交通LTE网络与政务网终端间存在20 dB遮挡损耗，则计算结果如表5所示。

从上述分析来看，在工程上做一定的隔离措施，例如漏缆地面敷设或者距离地面较低敷设，与政务网终端处于非直视状态，则对于政务网终端影响范围很小。

表5　城市轨道交通LTE网络下行干扰政务网终端下行的距离（20 dB遮挡损耗）

4　城市轨道交通与政务网1.4 GHz LTE网络共存的工程化措施

为了满足接收信号SINR（信干噪比）的要求，可采取如下措施优化城市轨道交通LTE系统，实现政务网和城市轨道交通LTE共存。

4.1采用漏缆进行覆盖

为能与政务网共用1.4 GHz频段，提高信号强度和抗干扰能力，并降低对政务网LTE系统影响，轨道交通LTE系统无论地面还是地下在轨行区均采用辐射型漏泄电缆进行定向覆盖，在停车场/车辆段的边界区段也采用漏缆进行1.4 GHz频段的无线信号覆盖，弱场区采用自由波天线方式或室内分布系统进行覆盖。

4.2增强无线信号接收强度

为了增强覆盖区域信号强度，工程中采用高增益定向天线。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益决定蜂窝边缘的信号电平，增加定向增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量,提升网络信噪比。

基于天线增益的重要性，车载天线采用室外型双极化平板天线，天线增益为8～13 dBi，能提高TAU的接收信号电平，车载TAU的最大输出功率建议不小于33 dBm。

4.3降低车载天线安装位置

降低终端天线的高度，通过车体或其他隔离物防止多径的政务网信号直射；将车载天线设置为车体底部，漏缆开槽正对车载平板天线，减小城市轨道交通LTE系统和政务网的相互干扰。如图1所示。

4.4轨道交通LTE系统无线参数优化

对LTE设备切换参数、无线参数进行优化，主要采用ICIC(小区间干扰协调技术)进行小区间的干扰协调优化。

ICIC小区间干扰消除技术是降低TD-LTE小区间干扰的重要手段。ICIC通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理功能。具体而言，ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制时频资源，或者在一定的时频资源上限制其发射功率。

同时还可进行终端锁频等优化性操作，以达到最佳的优化效果。

4.5轨道交通轨行区降低政务网LTE覆盖

政务网的在城市轨道交通的覆盖信号不能过强（按9 Mbit/s下行保证带宽计算，车载天线处接收到的政务网RS电平不超过-87 dBm）；政务网手持终端（23 dBm）尽可能远离城市轨道交通漏缆。在距离城市轨道交通漏缆20 m范围之内，政务网手持终端理论上不会影响CBTC业务，但可能会影响上行视频监控业务。

政务网在轨道交通地面线路的网络规划要充分考虑对轨道交通线路影响，保持500 m以上的距离。

4.6共存时频率规划

建议政务网在轨道交通周边采用15 MHz组网，载波频率和轨道交通的15 MHz载波频率配置相同，这样，在一定区域内，轨道交通的5 MHz专网将不会与政务网出现干扰问题，保证了CBTC信号专网的可靠性，保障行车安全。轨道交通的15 MHz综合业务承载网络，允许政务网的任务关键型业务漫游接入。

轨道交通业务和政务网业务统一进行QoS 的设置，优先保障轨道交通关键业务的优先级。对政务网来说，未来支持的关键性业务，比如公安、反恐等可以覆盖到轨道交通的公共区域，有利地保障人民群众的出行安全。

5　结论

总之，轨道交通LTE系统采用1.4 GHz频段（1 447 MHz～1 467 MHz），通过采取与政务网LTE系统时隙配比保持一致、漏缆定向覆盖、合理布设车载天线、降低轨行区政务网LTE覆盖以及网络优化等措施，理论上能够与1.4 GHz政务网共存。2014年8月份，在环形道进行了轨道交通LTE综合承载和与政务网LTE系统共存的测试，测试结果验证了轨道交通LTE综合承载的可行性和与政务网LTE系统共存措施的有效性。但为了保证轨道交通行车安全，仍建议采用专用频段构建传输生产指挥业务的LTE通信系统。

参考文献

[1]戴源,朱晨鸣,王强,等. TD-LTE无线网络规划与设计[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[2] Matthias Patzold.移动衰落信道[M].陈伟，译.北京：电子工业出版社，2009.

收稿日期：（2015-01-29）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.016