基于LTE的车地无线通信技术在地铁信号系统中的运用浅析

余适 谢尚意 杨同喜

摘要 新时期发展背景下，地铁工程已经成为人们日常生活中非常重要的组成部分。文章主要将TD-LTE技术与WLAN技术进行了对比分析，在此基础上探究了将LTE应用于城市轨道交通车地无线通信系统中的重要性，从业务承载需求角度上进行分析，结合实际情况提出了一些有效的运用方案，为相关人员提供合理的参考依据。

关键词 LTE;车地无线通信技术;地铁信号系统

中图分类号 U284.48;U285.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）03-0010-03

0 引言

针对轨道交通数据通信系统而言，主要是通过对有线网络与无线网络的合理应用，从而在各个设备之间实现双向通信作用。通常情况下，在子系统设备当中，可以在对有线网络应用的基础上，完成对信息的传输工作，而地面设备与车载设备在对信息进行传输时，需要应用到无线网络才能实现。结合目前的实际情况进行分析，在我国现有的车地通信系统当中，主要应用到了2.4G开放频段的WLAN技术。

1 LTE技术概述

我国各大运营商在经营发展中，逐渐对LTE4G网络高度重视，并实现了对LTE4G网络的充分利用，现在已经成为比较成熟的商用网络。而LTE技术在应用过程中不但速度非常快，同时还能体现出非常明显的实时性，具有非常好的移动传输性能，将其应用到地铁车地无线通信系统中，属于一项可行的技术方案。关于LTE技术，主要是通过3GPP组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，结合双工方式之间存在的差异，可以将LTE系统划分为FDD-LTE与TDD-LTE两种形式。

首先，针对FDD-LTE而言，FDD可以完成对上下行数据之间的传输工作，并保证数据传输同时间进行，与双车道运行相似，上行与下载之间可以在同一时间内开展，具体如图1所示。

其次，对于TDD-LTE，其中TDD上下行数据采取分时的形式进行传输，与单车道运行相似，其中主要是通过信号灯进行引导，也即是分设计控制通道对上传与下载进行明确，具体如图2所示。

2 案例分析

该文结合TD-LTE技术，应用于某地铁3号线中，在此基础上构建出了车地无线通信系统，在具体的应用过程中，主要承载了信号CBTC业务。

2.1 系统架构

如图3所示，地铁3号线车地无线通信LTE系统中，主要是应用了A/B红蓝双网冗余架构，在A/B红蓝双网当中，分别设置了一套核心网与一套基站系统，从而可以对周边行车范围内所产生的信号进行全面覆盖。

2.2 A、B网无线资源分配方案

结合目前的实际情况进行分析，关于轨道交通专用频率资源，主要是在1 785～1 805 MHz之间，一般包含20 MHz宽带。在地铁3号线中，申请使用了8～10 MHz频率资源，其中5 M主要被应用到A网当中，其余的5 M/3 M主要是被应用到B网中，都承载信号CBTC列车控制信息。如果在后面阶段中出现了综合承载现象，那么是由5 M带宽资源的A网承载[1]。

2.3 无线网络覆盖分析

地铁3号线项目在施工中，信号系统正线无线网络使用了漏缆覆盖，体现出了非常强的抗干扰性。但是，因为线路曲线高度超出了相應的标准要求，受到这一因素的影响，最终没有得到较好的无线信号覆盖效果。所以在专用通信与CBTC-B系统当中，一共使用到一根漏缆，从而可以达到漏缆敷设设计高度要求，同时也能满足信号覆盖强度方面的要求。

在正线A/B红蓝双网当中，分别设置了一套核心网以及网管，同时在试车线与培训中心的A/B红蓝双网当中，分别设置了一套小型核心网，一共涉及四套小型核心网。在对基站进行划分时，每一个基站是在一个基带处理单元和不超过6个射频拉远单元中，BBU在经过以太网之后，与骨干网之间进行连接，并通过光纤与RRU之间进行连接。因为RRU站之间的距离非常大，最大可以达到1 300多m，在对设计余量进行深度分析之后，地铁3号线参照单个RRU覆盖不超出1 200 m的设置原则，来完成对BBU以及RRU的布置工作。

2.4 车载网络设计

车载网络主要由驾驶室网络与车尾驾驶室网络两个部分共同组合而成。具体如图4所示，车顶鲨鱼鳍天线、车载TAU以及交换机等，共同组合形成一套单端驾驶室网络系统。针对这些所涉及的车载设备而言，可以利用两个彼此独立存在的以太网，从而实现有效连接，在此基础上形成CBTC数据通信子系统。当完成以上操作之后，如果车载设备出现了单端故障问题，车地无线通信依然可以顺利完成各项工作，并满足一定的可靠性，不会对列车正常运行产生影响。

2.5 时钟同步

关于TDD双工方式，主要是通过时分设计控制通道来完成上传与下载等工作，从而对时钟同步有着非常高的要求。地铁3号线项目在进行中，LTE网络主要将GPS作为第一时钟方案，将IEEE1588V2作为备选时钟方案。如果是在主时钟源与辅时钟源出现故障的情况下，eNodeB可以将内部时钟作为同步时钟源，从而可以保证一天之内时钟的同步进行[2]。

3 LTE系统优化方案

3.1 漏缆合设优化方案

地铁3号线项目，受到部分区域线路曲线较高因素的影响，造成CBTC-B网与800 M专用无线通信系统同时使用一根漏缆。

在具体的优化过程中，首先可以将目标放在频率硬隔离上，但是，在同一漏缆当中，两种信号在物理层面上不能很好地隔离，另外，受到漏缆合设的影响，在一定程度上增加故障排查工作难度，进而降低实际的工作效率。针对这种现象，后期施工过程中，在土建阶段就需要对漏缆敷设需求进行全面了解，才能对LTE系统A/B双网信号传输与其他网络传输漏缆的辐射留出相应的安装空间。

另外，因为受到漏缆合设的影响，导致合路器数量以及种类不断增加，引发出更多的断点故障问题。针对这种现象，在具体的优化过程中，应该选择使用品牌以及型号一致的合路器，为后期备件管理以及维护等工作开展奠定良好的基础条件，在面对容易出现断点故障的设备时，及时将相应的维护管理工作进行全面落实。

3.2 同层换乘抗干扰优化方案

当两条线路共同使用LTE技术时，其使用频率也是一致的，针对这种现象，在同层换乘的情况下，经常会面临同频干扰问题的产生，要想解决这一问题，主要可以通过以下两种方式来进行：

第一，空间隔离。结合该市地铁2号线同层换乘抗干扰解决方案进行分析，在最初的设计阶段中，将抗干扰列入考量范围当中，同时在站台预留出足够的宽度与空间，基于物理层面进行考虑，可以防止换乘的两条线路同频传输信号之间出现干扰问题，具体如图5所示。

地铁4号线LTE信号在达到2号线轨道时，其信号会逐渐衰减，信号发射功率最大的基础上，两层屏蔽门穿透损耗+13 m传播功率。

1.8 GHz电磁波在面对1 cm玻璃时，相当于一层屏蔽门的厚度，其穿透损耗一般是在5 dB左右[3]。

13 m传播损耗=20 log（13 m/2 m）=17.5 dB

如果是在比较特殊的情况下，当两个屏蔽门同时处于打开状态时，载干比下降到17.5 dB，在此基础上也能达到LTE同频共存信噪比要求。

第二，频率隔离。另外，在实际的测试过程中，如果出现干扰现象，可以在站台区域對频率进行充分利用，在此基础上形成一定的隔离效果。具体如图6所示，如果在F1处设置10 MHz频率，那么在F2与F3处可以设置两个5 MHz异频，F2与F3所覆盖的半径要超出站台长度，F1属于正常半径的小区域。

4 结语

该文主要对某市地铁3号线的TD-LTE车地无线通信系统进行分析，针对车地无线通信的承载业务需求、组网架构以及抗干扰对策等进行了深入分析，将LTE车地无线通信技术应用于地铁信号系统中，可以发挥出非常明显的优势，不但具有非常强的抗干扰性，同时还具有非常强的移动适应性，其覆盖面积非常广泛，受到相关行业的高度重视。

参考文献

[1]吕兴瑞，赵莹莹.CBTC系统车地无线通信技术研究[J].郑州铁路职业技术学院学报，2021（3）：4-6+10.

[2]薛灏勣.关于无线通信干扰和抗干扰技术分析[J].数字通信世界，2021（9）：137-138+150.

[3]李强，贺燎燎.基于LTE的车地无线通信技术在地铁信号系统中的应用[J].内燃机与配件，2019（16）：240-242.