TD-LTE承载地铁信号无线网络规划方案探究

李先河



TD-LTE承载地铁信号无线网络规划方案探究

李先河

中铁三局集团电务工程有限公司，山西 晋中 030600

LTE技术与传统无线局域网相比，具有延迟降低、分组传送、广域覆盖、高数据速率和移动支持能力强等诸多优势。WLAN仅有三个完全正交的信道，而LTE组网具有丰富的干扰避免技术；从基站的覆盖范围来看，LTE组网较传统WLAN范围更大，单个接入点支持更多的用户数，这对组网的复杂度起到降低作用。更为重要的是，对于不同等级的QoS保障，LTE也能支持，这样在承载多业务时，LTE对业务优先级进行划分，保证关键业务的优先。对于承载地铁多业务来说，这无疑具有很大的优势，而传统的无线局域网很难达到这一点。以武汉地铁7号线一期为实例，探讨基于LTE的地铁信号无线传输具体方案的设计。

TD-LTE；地铁信号；无线网络；规划方案

引言

作为关系列车运营体验和运行安全的特殊系统，CBTC 对可靠性、安全性要求极高。产品链和技术的成熟度是目前国内大部分城市采用WLAN技术承载CBTC 业务的主要出发点。

1 无线传输体设计

1.1 平台总体设计

TD-LTE作为下一代无线技术的主流标准，目前在商用领域已经获得较大规模的应用。TD-LTE的核心是正交频分多址/单载波频分多址（OFDMA/SC-FDMA）、多发多收（MIMO）等技术，可以明显提高无线通信的频谱效率和数据传输效率。目前已向无线电管理委员会申请1 785～1 805 MHz用于本次工程的基于时分双工（TDD）模式的宽带无线接入网络。依照TD-LTE的技术特点，已经申请的20 MHz带宽，可以实现下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的信息传输。

根据ATC业务系统传送车地信息的特点，LTE网络采用A/B独立双网的冗余设计承载业务。A/B独立双网包括A/B无线双网和A/B双核心网。

如图1所示，A/B无线双网确保在轨旁由2张无线网络实现无线信号冗余覆盖。A/B无线网络分别采用不同的频点F1和F2。A无线网络内采用同频组网，B无线网络内也采用同频组网。A/B双核心网即是2个单独的核心网。A无线网络和A核心网组成可以实现端到端通信的LTE A 网络，B无线网络和B核心网组成可以实现端到端通信的LTE B网络。

图1 双线双网的频率规划示例

TD-LTE车地无线通信系统采用A、B双网设计，双网同站址覆盖。通过POI设备与800 MHz专用通信系统共用一根泄漏同轴电缆，另一根泄漏电缆为信号专用泄漏电缆。

车地宽带无线网络覆盖包括正线、停车线、联络线。隧道轨旁主要部署RRU和泄漏同轴电缆（1.8 GHz）。BBU与RRU之间通过IR接口光缆连接。分别部署A、B网的核心网设备EPC，通过中心交换机实现信号系统业务的接入。在列车的车头和车尾，分别设置LTE网络车载设备，包括车载接入单元（TAU）天馈系统等。车头和车尾各安装一台TAU，车头的TAU工作在LTE A网；车尾的TAU工作在LTE B网。系统的整体架构如图2所示。

图2 车地无线宽带系统平台的架构

核心网包含MME，S/P-GW和eHSS逻辑网元。MME处理UE的移动性管理和会话管理，S/P-GW处理终端和组的媒体面数据路由和承载资源分配。MME和S/P-GW之间为S11接口，用于进行用户面承载的管理。核心网组成如图3所示。

1.2 正线覆盖方案

在全地下隧道内使用泄漏电缆进行TD-LTE的无线信号覆盖，由于隧道把地铁上行方向和下行方向物理隔离，将上行方向和下行方向分别划分为2个小区，在行车方向上配置小区邻区。RRU放置在车站信号机房，功分/合路器也放置在信号设备房，TETRA四功分后的信号经馈线接入信号设备房的功分/合路器输入端，合路器输出端接到区间漏缆上，实现隧道内覆盖[1]。

图3 核心网架构

1.3 站台区覆盖方案

岛式站台轨道间距离较大，轨道使用泄漏电缆覆盖，能够满足隔离度的要求。岛式站台的RRU连接如图4所示。

对于侧式站台，由于轨道间距离较小，不能满足隔离度要求，将站台的上下行轨道规划为一个小区，将覆盖上下行轨道的两个RRU进行小区合并，使用泄漏电缆进行无线信号覆盖。如果在侧式站台无法架设泄漏电缆，则采用天线方式覆盖。侧式站台RRU的连接如图5所示。

图5 侧式站台无线覆盖方案

距离天线10 m处的传播损耗为57 dB，漏缆的耦合损耗按63 dB，双极化定向天线增益按8 dBi考虑，则采用6 dB的耦合器来耦合功率给站台覆盖的天线，可以保证漏缆和天线之间的场强平滑过渡。天线只需在一侧漏缆安装。

1.4 漏缆覆盖切换区计算

终端在移动过程中，需要从一个基站移动到下一个基站，从而发生基站信号的切换，在两个基站之间就会形成一个切换区，漏缆切换示意如图6所示。

阿东当夜即往回赶。到家时，已近半夜。推门进屋，家里正一片狼藉。阿里被一根绳子捆着，蹲在墙角。医生给他打了安定，他垂着头，似乎已经睡着。他的脸上手上脏兮兮的，就像人们常见的流浪街头的疯子。阿东立即泪如泉涌。他大声吼道：“哪个混账捆的!爸爸你太过分了，爸爸你怎么能这样对他!”

图6 漏缆切换区示意图

切换区的计算：

切换区距离 = 2 dB/漏缆每米损耗 +2×（测量时长+切换时延）×车速 （1）

列车最大速度按120  km/h，测量时长和切换时延一般为300  ms以内，传播模型按漏缆每 100 m最小损耗3.8  dB（1.8  G）计算，车速按120 km/h计算，切换区长度计算如下：

2/3.8×100+2×0.3×80 000/3 600=61 m （2）

2 泄漏电缆共用方案

2.1 LTE与TETRA专用通信系统合路方案

如图7所示，全线各车站轨旁LTE和TETRA信号同时接入漏缆处，通过2个POI合路器，实现A、B网两通道RRU的接入和1路800  MHz专用通信无线信号的接入。

图7 LTE与TETRA专用通信合用示意图

POI合路器a为2入2出型合路器，用于LTE A/B网信号合路；POI合路器b为4入2出型合路器，用于LTE A/B网、TETRA信号合路，需要从TETRA系统的功分器引入射频馈线接入POI合路器b，覆盖隧道的双方向。

2.2 共用漏缆隔离度分析

2.2.1 TETRA系统对TD-LTE的干扰分析

（1）杂散干扰

TETRA基站带外离散杂散的辐射指标为 ﹣30 dBm（1 MHz的测量带宽），经过4功分器（按6  dB计算）后为﹣36 dBm。

TD-LTE的灵敏度按照﹣101.5 dB，信道带宽5 MHz，热噪声功率底为﹣107 dBm。如果允许TD-LTE基站灵敏度恶化3 dB，可接受的干扰电平为﹣107 dBm，则需要：

﹣30－（﹣107）+ 10l g（5/1）≈84 dB （3）

即POI的800 MHz通道滤波器在1.8 GHz处的抑制为84 dB。

（2）阻塞干扰

TETRA基站发射功率为25 W，44  dBm，经过4功分器（按6  dB计算）后为38 dBm。TD-LTE的带外阻塞指标按一般性要求为﹣15 dBm。因此，只要POI的1.8 G通道对800 MHz的隔离抑制度按照一般性要求需要达到53 dB，即可满足要求。

2.2.2 TD-LTE系统对TETRA的干扰分析

（1）杂散干扰

TD-LTE基站带外离散的辐射指标一般要求为﹣36 dBm（100 kHz的测量带宽）。

TETRA基站动态灵敏度为﹣113 dBm，信道带宽25 kHz，共道C/I门限为19 dB。如果允许TETRA基站灵敏度恶化2 dB，则可接受的干扰电平为﹣124 dBm/100 kHz（等效﹣130 dBm/25  kHz），同时计入4功分器插损（按6 dB计算），则需要：

﹣36 －6－（﹣124）= 82 dB （4）

即POI的1.8  GHz通道滤波器在800 MHz处的抑制按一般性要求为82 dB。

（2）阻塞干扰

TD-LTE基站发射功率为40  W（46  dBm）。TETRA阻塞指标为﹣40  dBm，同时计入4功分器插损（按6  dB计算）。可以计算得出：

46 －（﹣40）－ 6 = 80 dB （5）

即POI的800 MHz滤波通道对1.8  G的隔离抑制度需要达到80 dB。

根据以上计算要求，选择满足隔离度要求的POI合路器。

3 总结

首先，某地铁所用的1.8  GHz频段是国家给所有行业的行业专用频段，遵循先申请先得的原则，并不是轨道交通的专用频段，因此LTE如果要在轨道交通行业广泛推广，还需要国家无线电管理委员会明确轨道交通专用频段；其次，LTE还需要针对轨道交通做大量行业适配工作。在针对轨道交通车地无线CBTC和调度业务的承载上，需要继续和业界合作，进行对接测试和匹配的终端开发。在针对越来越复杂的各种覆盖场景上（隧道、高架、换乘站等），提供订制化的覆盖解决方案。

[1]李厚锴. TD-LTE承载地铁信号无线网络规划方案[J]. 铁路通信信号工程技术，2017（6）：66-70.

Research on TD-LTE-Bearing Metro Signal Wireless Network Planning Scheme

Li Xianhe

China Railway No.3 Engineering Group Co., Ltd., Shanxi Jinzhong 030600

Compared with traditional wireless LAN, LTE technology has many advantages such as delay reduction, packet transmission, wide-area coverage, high data rate and strong mobile support. The WLAN has only three completely orthogonal channels, and the LTE network has a rich interference avoidance technology. From the coverage of the base station, the LTE network is larger than the traditional WLAN, and a single access point supports more users. This reduces the complexity of the networking. More importantly, for different levels of QoS guarantee, LTE can also support, so when carrying multiple services, LTE divides the service priorities to ensure the priority of key services. This is undoubtedly a great advantage for carrying metro multi-services, which is difficult to achieve with traditional wireless LANs. Taking the first phase of Wuhan Metro Line 7 as an example, the design of the concrete scheme of wireless signal transmission based on LTE is discussed.

TD-LTE; subway signal; wireless network; planning scheme

TN929.5

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