铁路LTE-R宽带无线通信频段选择的思考

陈昊星

铁路LTE-R宽带无线通信频段选择的思考

陈昊星

（中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081）

针对铁路发展LTE-R宽带通信申请450 MHz频率的计划，结合以往的电磁环境检测数据，提出了450 MHz频段在高速铁路承载LTE-R系统可能存在的一些潜在问题。在高速铁路的接触网下快速移动于450 MHz频段会产生电磁干扰，造成该频段通信系统底噪抬升，故需要进行全面试验，慎重使用。同时还提出了使用900 MHz频段建设LTE-R网络的建议，或有助于铁路宽带通信系统的平滑过渡，加快铁路LTE-R发展进度。

铁路专用通信 LTE-R 450 MHz 电磁环境 频段选择

1 引言

目前，LTE已经成为无线通信发展的主流，铁路专用通信领域也开始针对LTE系统进行实际应用研究。在2016年中国无线电大会上，中国铁路总公司已明确向国家申请450 MHz作为下一步铁路LTE-R的试验频点，并同时开展450 MHz频点范围的LTE-R铁路应用研究，包括450 MHz用于铁路LTE-R通信（本文所述的铁路LTE-R通信主要涉及铁路自身的业务，包括铁路专用通信和辅助通信）的特性和相关规范标准。因此，接下来将基于对铁路申请频率及相关业务的理解，探讨铁路LTE-R宽带通信所用频点问题。

2 铁路LTE-R使用频段的选择

对于铁路专用通信网络LTE-R频点的确定，一些研究人员认为应该选择较低的频段，如450 MHz。低频段的电波传播损耗小，可以减小基站间距；选择低频段则可利用现有基站，即能减少铁路发展LTE-R的成本，加快发展速度。但对于铁路LTE-R频点的选择，还应考虑其他因素。比较铁路应用选择不同频段的利弊，从而能有针对性地进行研究或采取必要的措施进行漏洞的弥补。

铁路LTE-R频点选择不仅要关注电波的传输衰减特性，还应考虑铁路沿线的特殊环境。高铁线路都是电气化铁路，受电弓上的电压高达25 kV。电力机车是一个高速的移动体，由于受电弓在电力接触网上滑动，产生电磁干扰，干扰的频谱范围很宽，特别是在较低频段干扰较强，而随着频率的提高干扰逐渐减弱。参考铁路450 MHz无线列车调度模拟通信的覆盖电平合格要求，电气化与非电气化线路的无线覆盖标准在满足通信质量的条件下，电平相差10 dB。接收机接收到的噪声干扰与天线距离受电弓的位置有关。在动车组应用的无线列调通信标准中，由于受电弓通常在高铁列车中部，距通信天线较远，对铁路无线通信覆盖合格电平的要求比在电力机车环境下低4 dB。

铁路电气化干扰与列车运行速度也有很大关系，在高速运行时干扰幅度会加大。电气化铁路的干扰场强频谱使用峰值检波测试，根据铁路多年的测试研究结果得知（如图1所示），在距铁路线30 m内测试的干扰场强在150 MHz频率达到约67 dBμV/m，随着频率的提高，每倍频程减少5～6 dB左右。到450 MHz时干扰场强大约达到58 dBμV/m，而在900 MHz频段干扰大约是52 dBμV/m。因此如果铁路选择450 MHz作为LTE-R的应用频点，还应考虑到电气化干扰对无线通信质量的影响，900 MHz频点处受到的干扰小于450 MHz。

目前在高铁列车控制（C3）线路上，900 MHz频率的GSM-R网络系统基站间距平均为3 km，一些研究人员认为使用450 MHz频点基站间距可能会在5 km内。考虑到电磁干扰和高速运行的情况，采用450 MHz频点的铁路LTE-R系统的基站间距不会太大。对于普速线铁路，虽然列车运行速度降低了，但通信天线设置在受电弓下距干扰源更近了，450 MHz频点的干扰强度也会比较大。

如果按照在900 MHz频点满足载干比要求的基站间距，使用450 MHz频点后，在相同距离下尽管覆盖电平比较高但底噪抬升，基站间距可能比900 MHz基站间距还要近。因此是否选择450 MHz作为铁路应用频段还需要进行相关试验来确认。虽然有公司宣传LTE网络在时速430 km/h的磁悬浮线路上得到了成功应用，但这两种线路的电磁干扰特性是不一样的，使用的也不是450 MHz频段，因此在电磁干扰方面没有可比性。

3 选择合适频段的优点

鉴于上述的450 MHz频点在电气化铁路应用的干扰特点，使用900 MHz频段应该是铁路发展LTE-R的较好的选择，其理由如下。

3.1 隧道内传输特性

图1 距高速铁路接触网30 m的电磁环境测试曲线

铁路应用环境与其他公网无线应用环境区别巨大，特别对于高速铁路，其很多通信应用环境都处于山区、隧道中。公共无线网络可以降低在这些特殊环境下的通信要求，但对于铁路来说，对所有线路的安全要求都是一样的，则对铁路通信的要求也要保持一致。目前对于还在使用的450 MHz模拟通信系统以及900 MHz频段的GSM-R系统，在隧道环境都使用了直放站技术，通过漏泄电缆覆盖隧道内空间。例如在某高速铁路无线列车控制的线路，GSM-R系统由于没有很好使用光纤直放站造成了多径干扰，引起列车控制降级。LTE-R系统在隧道内主要使用RRU或特殊的中继技术加漏缆进行覆盖，通常不会出现多径干扰现象，但LTE的同频特性会使这些区域的SINR降低，影响数据的传输带宽。450 MHz频点的传播损耗小，绕射能力强，可能在很多山区环境电平覆盖会更加变化多样。即使使用RRU技术，对于LTE这样的同频系统产生干扰的可能性仍会较大，需要在建设中认真考虑。

根据对铁路通信多年的研究实践，在隧道内900 MHz频点有波导效应，电波在隧道内传播衰减为9 dB/km，而450 MHz频点衰减为40 dBm/km以上。如果使用900 MHz的LTE-R系统，在中等长度隧道中可以采用天线直接覆盖隧道，降低隧道内建设和施工的难度，在LTE-R试验完成后可以以最快的速度在所有线路建设新网络，方便在运营线路布置新的通信系统。对于长度较长的大隧道也可以通过在隧道内设置LTE-R基站，使用天线完成覆盖。如使用450 MHz的LTE网络，必须延续漏缆覆盖方式，需要对已开通的几万公里高铁线路实施长时间的技术改造，在既有铁路通信系统的更新换代以及养护维修上将会出现很多困难。

3.2 加快铁路LTE-R的应用进度

铁路运营中安全是第一位的，高速铁路目前采用的列车控制系统CTCS-3（以下简称“C3”）运行稳定，预计将在很长时间内保持在线路中使用，因此现在进行建设的LTE-R应用主要是用于辅助的方面。这些辅助应用包括运行监测、移动售票及调度语音通信。

目前在高速铁路运行中开启了很多类视频监测业务，包括接触网视频监测、列车操作规范性监测、设备状态监测、车内安全监测等。这些监测主要是为了在运行出现问题时，辅助进行原因查找和责任确认。视频监测所需传输容量大也是铁路发展宽带业务的主要原因之一，但视频监测不需要很高的实时性，允许有一定的延时。

还有很多铁路应用如沿线维护、车站服务通信、车内服务人员的通信、沿线监测告警等，这些应用既有语音通信，也有很多是数据传输业务，其中包括视频数据。目前很多语音通信都是使用450 MHz频段进行对讲，并且在短时间不能取消。若使用450 MHz频点，在短时间内很难避免这些既有应用对LTE-R的干扰，影响LTE-R的正常应用。

另一方面，研究人员提出了很多铁路应用LTE-R的迫切性，但如果按目前铁路LTE-R的发展进度，要经过试验、频率确定、规范制定、工程申请、施工建设等过程，其发展速度可能会慢于预期。而且铁路建设是按线路进行的，要在十年内在全路实现LTE-R应用是不现实的。如果使用900 MHz频段并首先用于铁路辅助运营通信可以把相关应用与试验结合起来，加快实施进度。

如果铁路LTE-R选用900 MHz频段，将与目前使用的GSM-R在一个频段范围内，由于LTE采用的是子载波的通信方式，GSM-R采用的是FDD方式，两个系统相对独立，不会产生较大影响。在应用初期，LTE-R可以很快承载一些非安全数据，开展全面数据应用。

4 结束语

高铁LTE-R的发展得到了通信行业各方的广泛关注，铁路部门需要收集各方建议，依靠各个技术单位的支持。对于上文提出的450 MHz频段的一些电磁环境是否会影响铁路LTE-R运用的问题，需要根据铁路各线路自身特点进行实际的试验分析，避免不必要的损失。

综上所述，铁路LTE-R宽带应用建议使用900 MHz频段更有利于铁路宽带通信平滑过渡。吸收铁路GSM-R系统在隧道内的试验经验，中等长度隧道可以使用天线直接进行隧道内网络覆盖，降低布置LTE-R新系统的复杂性，减少维护工作量，提高运营安全性；另一方面，也可以从铁路辅助通信起步，积累经验，稳步发展。

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Thoughts on Frequency Band Selection of LTE-R Broadband Wireless Communications for China Railway

CHEN Haoxing
(Infrastructure Inspection Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

In view of the plan on the application for 450 MHz frequency band of LTE-R broadband wireless communications for China railway, some potential problems of 450 MHz frequency band in bearing the LTE-R system of the highspeed railway were presented according to the past test data of electromagnetic environment. The movement of the catenary of the high-speed railway in 450 MHz frequency band would result in the electromagnetic interference and the increase of noise level. The proposal on the construction of 900 MHz LTE-R network was presented. It would be beneficial for the smooth transition of the railway broadband communication system and the acceleration of LTE-R development.

railway special communication LTE-R 450 MHz electromagnetic environment frequency band selection

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.017

TN929.5

A

1006-1010(2017)15-0092-04

陈昊星. 铁路LTE-R宽带无线通信频段选择的思考[J]. 移动通信, 2017,41(15): 92-95.

2017-02-09

责任编辑：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

陈昊星：助理研究员，硕士毕业于纽约大学理工学院，现任职于中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，主要从事铁路通信系统，尤其是铁路无线通信系统的研究工作，对中国铁路450 MHz及GSM-R通信系统动态检测数据进行分析，研究基于铁路高速行驶情况下的GSM-R系统GPRS数据传输特征，以及中国铁路无线通信演进及无线频谱使用和分布。