上海轨道交通5号线LTE系统方案设计与部署

刘 建

(中铁上海设计院集团有限公司，200070，上海∥高级工程师)

近年来，基于1.8 GHz频段的无线通信的移动性、高性能、易部署等优点，LTE车地无线通信技术在轨道交通领域被广泛推广及应用。然而，上海轨道交通5号线是典型的高架线路，其CBTC(基于通信的列车控制)采用的是LTE(长期演进)车地无线通信技术。由于行业竞争激烈、监管严格，频段获取极为困难，上海轨道交通5号线仅申请到非常有限的5 MHz带宽资源(1 800～1 805 MHz)，车地无线通信子系统成为上海轨道交通5号线信号系统改造中最难搭建的系统之一。本文就上述5 MHz带宽资源阐述了LTE系统A网、B网(1.4 MHz+1.4 MHz)的设计与部署。

1 CBTC吞吐量计算

上海轨道交通5号线采用准全自动运行模式(DTO)，经上海电气泰雷兹公司(TST)CBTC系统测算，处于GoA4条件下的单列车的上行/下行吞吐量最大为59.7 kbit/s，如表1所示。

表1 TST CBTC系统车地无线数据吞吐量

2 LTE网络的信道规划及频段划分

根据信号系统供货商信道规划，5 MHz频宽仅能单独承载信号CBTC系统，考虑到网络的冗余覆盖，按A网、B网双网1.4 MHz部署：A网(1.4 MHz)具体工作频段为1 801.4～1 802.8 MHz，B网(1.4 MHz)具体工作频段为1 802.9～1 804.3 MHz，A网、B网间隔100 kHz，如图1所示。

注:FDD——频分双工;GSM——全球移动通信

图1 上海轨道交通5号线LTE系统网络的工作频段划分示意图

LTE系统带宽与子载波数、测量带宽的对应关系如表2所示。

表2 LTE系统带宽与子载波、测量带宽的对应关系

由于LTE空口采用OFDM(正交频分复用)技术，采用了子载波间相互重叠正交的方式来消除干扰，子载波的间隔为15 kHz。而1.4 MHz信道实际占用频宽1.08 MHz，A网、B网间隔100 kHz，A网、B网实际间距420 kHz，如图2所示。因此，A网、B网的子载波都是正交(15 kHz的整数倍)。

图2 上海轨道交通5号线 LTE系统双网信道规划

3 LTE系统漫游切换分析

1)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，整个切换过程分为切换测量区、切换过渡区和切换执行区，如图3所示。

2)漫游切换重叠区的计算。根据漫游切换过程可知，重叠覆盖区域=2(切换区域+切换余量)。其中：切换区域=车速·(测量上报周期+切换迟滞时间+切换执行时延)；切换余量一般为50 m左右。

图3 LTE系统漫游切换示意图

不同的列车运行速度对应的重叠区距离需求如表3所示。

表3 不同列车运行速度对应的漫游切换重叠区距离表

3)LTE系统小区覆盖半径计算。根据测算，一般单个RRU(射频拉远单元)可实现1.2～1.6 km的无线覆盖。上海轨道交通5号线单网只有1.4 MHz带宽，考虑到小区间的切换重叠区域设计和RRU基于漏缆的覆盖能力，经链路覆盖预算，单个RRU的覆盖半径按850 m左右进行设计。

为了达到无线信号无缝覆盖的效果，上海轨道交通5号线采用无线同站址冗余覆盖提高系统可靠性，并通过LTE的快速切换算法保证切换平滑且切换时间小于100 ms，以确保在任意时刻、任意地点，列车都能够接收到高质量的射频信号。

4 LTE系统的设计与部署

4.1 LTE系统架构

上海轨道交通5号线正线高架区段占比达80%以上，漏缆敷设的条件较差，全线A网、B网双网合用1根漏缆，同时车载LTE无线天线设于列车底部，每端设4个。

上海轨道交通5号线的LTE系统采用的BBU(基带处理单元)均设置在设备集中站，RRU双网设备采用同站址方式布设，并尽可能设置在便于安装和维护的轨旁，有效减少馈线路径损耗。当车站间距大于相邻车站RRU的覆盖能力时，将RRU拉远到区间中，通过合路器馈入漏缆的方式进行覆盖，如图4所示。

注:EPC——4G核心网络;TAU——列车接入单元

图4 上海轨道交通5号线LTE系统架构示意图

4.2 典型场景的设计与部署

1)高架区间的设计与部署。在高架区间，为避免上下行RRU之间的同频干扰，采用上下行共享RRU的方式，RRU分别连接线路两侧的2条漏缆，使上行和下行位于同一小区，统一覆盖，预防乒乓切换。

(1)站间距小于1.6 km区间的设计与部署。在站间距小于1.6 km的区间，LTE系统的轨旁RRU尽量布置于站台，如图5所示。

注:ZC——区域控制器

图5 站间距小于1.6 km区间的LTE系统的设计与部署

(2)站间距大于1.6 km区间的设计与部署。在站间距大于1.6 km区间，为保证车地通信传输可靠性，除在站台部署外，将在站间部署1处RRU，如图6所示。

2)隧道区间的设计与部署。在隧道区间，由于均采用单圆盾构，上下行线路间有墙体隔离，设计时采用上行、下行独立布设RRU的方式，RRU各自连接线路侧的漏缆。

3)车场的设计与部署。相对于正线而言，停车场和车辆段主要面临的问题是：区域开阔，泄漏电缆安装不便；咽喉区的道岔较多，泄漏电缆跳接难度高，衰减大，维护不便；车库内的停车线股数较多，泄漏电缆分路多，维护不便等困难。因此，在停车场、车辆段(含试车线)的LTE无线系统采用自由波天线进行覆盖。

4)试车线的设计与部署。在试车线独立部署EPC，车载TAU(列车接入单元)设备采用双SIM(用户身份识别)卡，试车线与正线完全隔离。

5 结语

本文从仅有的5 MHz带宽资源入手，通过吞吐量计算、LTE网络信道规划、频段划分、系统漫游切换、小区覆盖半径计算和针对性场景设计等，介绍了上海轨道交通5号线LTE 系统A网、B网(1.4 MHz+1.4 MHz)的设计与部署情况。虽然5 MHz的带宽资源紧缺，但通过合理的设计和资源分配，LTE系统功能达到了设计预期，为CBTC系统提供了优良的车地无线通信服务。该成果可为今后类似的工程设计提供了借鉴。