轨道交通车地通信LTE技术应用

摘要：轨道交通列车自动化、智能化应用和信息服务离不开列车与地面之间的无线通信条件。当前轨交车地通信普遍采用的方案之一为LTE数字蜂窝移动通信网技术，基于应用需求、现场条件的独特性，LTE数字蜂窝移动通信网方案也有覆盖、网络、系统接入等方面的独特设计。本文针对轨交车地通信LTE数字蜂窝移动通信网应用的特点、技术方案设计特色进行分析归纳，以期反映LTE数字蜂窝移动通信网技术的这一特定应用的特点。

关键词：车地通信、LTE数字蜂窝移动通信网、轨道交通无线通信系统

1车地通信需求分析

1.1业务分析

车地无线通信系统需要承担GOA2下列车自动控制系统、乘客信息服务、列车信息业务、车载视频监视、集群调度等业务数据的传输。其中车自动控制系统、紧急文本业务、列车信息业务、集群调度业务属于生产安全信息网业务;其他业务可属于非生产安全信息网业务。

由于本工程车地无线需要承载生产安全类业务，LTE车地无线通信系统应建设冗余的A/B网络，并按照單小区同时6列车考虑LTE容量设计。

1）列车自动控制系统需要传输列车控制报文等，控制列车安全牵引，根据调度意图进行车站作业，调节运行图时间。

2）司机呼叫集群语音业务具有现有成熟技术，基于LTE宽带可视集群业务也在推广使用。

3）车载乘客信息系统可以为列车内的乘客提供各类服务信息，通过稳定无线带宽可以实时组播视频，以及单播信息报文。以每列车接收一路以图像信息为主的下发信息计算，保证D1（720*576）的图像质量，采用MPEG-2的编码方式，下传数据应达到6Mbps带宽。

4）车载视频监控系统实现对列车内情况的实时监控，并将列车车厢内的视频监控图像信息上传至车站和中心。车载监控图像采用MPEG-4或H.264的编码方式，按每路约1M，每列车向地面上传多路客室监控图像信息。

新规范提出监控视频保存90天要求，需要将视频传输到地面存储的需求。要实现车载视频转存，提出更高的带宽要求。

5）车辆信息等其他需求。根据需要，可以将车辆运行状态信息等上传至相关的监控系统，暂按0.48Mb/s的带宽计算。

1.2业务带宽需求

业务带宽需求满足单小区6列车（视频按4列车）的保证带宽值（表1 ）：

表1 业务带宽

根据上表可以看出，在GOA2模式下，LTE-M系统A网承载CBTC业务时，上下行业务带宽各为1.5Mbps; B网进行综合业务承载时，上行业务需要带宽14.98Mbps、下行业务需要带宽8.56Mbps，此时上行业务带宽需求高于下行业务。

1.3频率需求

考虑安全业务的系统冗余要求，建设A/B双网，CBTC业务业务由两个网络同时传输，其他业务可由单网传输。

根据LTE-M相关规范，GOA2模式下LTE一张网络承载CBTC业务信息时就需要5MHz频宽;当另一张网络进行综合承载时，根据表1可以看出LTE网络上行业务需要带宽16.98Mbps、下行业务需要带宽8.56Mbps。由南京地铁前期工程测试数据来看，当LTE系统频率配置15MHz宽带SA0时隙配比下，上行平均吞吐率达到25Mbps， 下行平均吞吐率达到14Mbps，但小区边缘区域的吞吐率约为平均吞吐率的60%，LTE网络进行综合业务承载时需要15MHz频谱宽带才能满足CBTC模式下车地业务的传输需求。

因此，将1785-1805MHz频段内的5MHz用于LTE A网，15MHz用于LTE B网，LTE系统A/B网络共需要20MHz频谱。两个网络独立运行，可以共享资源包括漏缆和工程材料等。每个网络采用同频组网技术，使用小区间干扰协调技术，确保相邻小区在小区边缘使用不同的频率资源，避免小区间干扰，提升小区边缘吞吐率。

2网络规划方案

2.1网络方案

LTE网络按照A、B双网设计。在控制中心设置两套LTE无线核心网设备（EPC）包括MME、S-GW、P-GW、HSS等网元和网络管理系统、数据存储服务器;在车站、停车场、车辆基地设置BBU+RRU设备，线路区间根据需要设置RRU设备，所有A网BBU+RRU设备和B网BBU+RRU设备按照同址设置;在列车上设置TAU设备，每列车的车头和车尾同时设置A网+B网TAU设备。

1）控制中心子系统：在控制中心设置2套LTE无线核心网及网管，各类应用业务的接口服务器等;核心网通过专用传输网与车站子系统的基站BBU设备连接，通过接口服务器与各应用业务系统连接。

2）车站、车辆基地子系统：主要提供无线接入服务。在每个车站设置2套无线基站（BBU+RRU）设备，并根据覆盖需要在区间轨旁设置RRU设备，线路区间采用漏泄电缆覆盖，站内采用室内分布系统进行覆盖;在车辆基地（车辆段/停车场）各设置2套无线基站（BBU+RRU）设备实现场段内覆盖。

3）车载子系统：主要实现各类业务。在每列车的首尾司机室内设置各业务子系统的通信单元及接口应用部分，在车体顶部设置通信天线。

2.2网络优先级和服务质量

LTE-M系统以IP方式承载所有业务，对不同业务，分别定义不同的QCI的值来保障各个业务的应用。

将列控CBTC信号承载业务和集群调度业务的QCI设置为1，即系统中的最高等级;由于TCMS信息、紧急信息也要求有较高的优先级，其QCI设置为2;车厢监视视频上传、PIS视频业务的QCI也在业务优先级和服务质量划分为中级。

2.3覆盖方案

2.3.1场强覆盖指标要求

按照95%时间及地点概率下，无线覆盖指标RSRP≥-95dBm 且SINR≥3dBm考虑。

2.3.2覆盖方式

（1） 行车线路区间（含站属区间及出入段线）覆盖

LTE 系统A+B网在行车线路区间（含岛式车站站属区间及出入段线）采用左右隧道各新敷设1根漏缆进行场强覆盖，同时接入专用无线通信系统的漏缆来提高场强覆盖的冗余性。在较长区间轨旁设置RRU，以保证覆盖质量。

（2）车辆基地/停车场内场强覆盖

车辆基地/停车场内敞开部分室外空旷区域采用漏泄电缆+小天线的覆盖方式，场内封闭单体，包括列检库、检修库采用室分小天线覆盖;

试车线采用采用漏泄电缆覆盖方式;

2.3.3覆盖设备

本工程新设的RRU设备主要设置在沿线车站通信设备室内。同一个RRU经合路配置后需覆盖4个不同区域线路方向。

根据漏缆及RRU无线技术指标及系统覆盖要求，每一个RRU支持漏缆覆盖的有效长度约为0.6km（最终的覆盖距离需要根据所采用的漏缆计算）。即设置在相邻通信设备室内的两个RRU只能覆盖1200米的隧道区间，超过1200米的区间需要配置轨旁RRU单元。

3、干扰分析

3.1系统内干扰

1）A/B双网间干扰分析

A/B双网异频组网，可能存在邻频间干扰。

当两个网络频段相邻，如果两个网络发射和接收不同步，则会由于杂散和阻塞的原因互相产生干扰，导致网络性能下降。为了避免该类干扰的发生，A/B双网必须采取严格保证时隙配比一致，保证时钟同步。

2）小区间同频干扰

由于每个单频网采用同频组网，小区边缘存在同频干扰。

列车处于小区边缘，头尾移动端天线先后经过小区边缘的重叠覆盖区域，由于受到邻区导频和业务的干扰导致信噪比较低，从而影响下行吞吐量。為了缓解同频干扰的影响，应考虑进行优化：

通过工作参数优化，提升业务信道的功率，使处于边缘用户的信噪比得到改善;

通过修改切换参数，使用户及早切换的目标小区，避免头尾移动端同时处于切换进程;

通过无线管理算法，使互为邻区的两个小区下行频带错开。

3.2系统间干扰

1）LTE与运营商无线通信系统之间干扰分析

行业应用LTE系统使用的频段为1785-1805 MHz，与运营商的频段关系如图1所示：

根据上述频段关系可以看出主要是LTE系统的频段下边缘与电信4G-FDD系统上行频率1755-1785MHz邻频，频段上边缘与移动DCS系统下行频率1755-1785MHz邻频，因此主要考虑邻频之间的干扰。解决系统间的邻频干扰措施包括：

考虑协议所要求的ACIR，可以根据公式计算得到两个系统共存所需要的天线隔离距离。在网络规划和工程实施中保证两者漏缆之间的距离避免干扰。

如果工程现场无法满足天线隔离距离时，则考虑额外的隔离度，比如提高滤波器的性能;在两个系统之间增加保护带宽等。

建议4G-FDD系统、DCS系统引入地铁空间时，考虑分别与LTE系统的边缘频率间隔5MHz，以增加系统之间的保护带宽。

2）其他行业同频段LTE网络间的干扰

采取场强限制空间隔离措施，规定在地铁沿线1800MHz频段无线场强标准。

本工程LTE系统采用1-5/8英寸漏泄电缆覆盖，距离20米处耦合损耗增加，无线信号强度≤-105dBm，不会对其他系统产生干扰。

对于其他1800MHz LTE系统在地铁地面线路附近设站时，可以要求该站址LTE基站信号强度在地铁轨道上方时RSRP≤-105dBm（地铁LTE的 RSRP≥-95dBm）。

3.3干扰测试

由于1785-1805 MHz频段非城市轨道交通单一业务专用频段，且该频段与运营商移动通信频段相邻。为解决邻频干扰问题，应与邻频段运营商沟通协商，聘请国家权威无线检测部门进行干扰和被干扰测试，争取地方无线电管理机构的最大支持。

4总结及建议

南京地铁宁高线车地通信采用LTE系统，测试结果显示无线通信质量和稳定性有所提升，满足乘客信息系统、视频监控等一些业务的综合承载应用。

本工程车地无线系统的可靠性和安全性至关重要，建设LTE系统进行车地综合业务承载十分必要。在 GOA2模式下LTE车地无线网络进行综合业务承载时，需要在1785-1805MHz频段内申请20MHz频率。

沿线采用漏缆覆盖，不会干扰其他系统，其他系统对本系统的干扰可采取相关措施规避。针对工程存在的地面高架线路，进行LTE系统设计时提高无线信号RSRP值有助于提高系统的整体抗干扰能力。

参考文献：

[1] 王岩，陈序.地铁行业车地无线（TD-LTE） 技术应用[J].河南科技，2014（21）.38-40

[2] 沈嘉，索士强，全海洋，等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[3] 尹福康.TD-LTE无线通信系统在铁路上的应用[J].铁路通信信号工程技术，2013（3）：1-5.

作者简介：谢红霞、女、出生年月1972.01，1988年毕业于天津铁路工程技术学校，2010年北京交通大学计算机科学与技术专业毕业，现就职于中移铁通江苏分公司从事技术管理工作岗位，联系电话025-85836466。