全自动运行车辆段运用库库内LTE系统网络布署方案研究

2022-07-06王子毅

城市轨道交通研究 2022年5期

刘斌王子毅

(苏州市轨道交通集团有限公司，215004，苏州∥第一作者，工程师)

随着城市轨道有市郊线郊的发展，列车的运行速度也在不断提高。在列车高速运行过程中，基于WLAN(无线局域网)技术的信号数据传输错误会大大增多。另外，由于WLAN 的覆盖距离较小，需要安装很多AP(无线访问接入点)设备，人工维护成本很高，故障发生概率也相应增多。因此必须要进一步探索出更加安全稳定的无线通信技术。

LTE(长期演进技术)是基于OFDMA(正交频分复用多址接入)技术，由3GPP(第三代合作伙伴计划)组织制定的全球通用标准。DCS(数据通信系统)的车地无线通信协议采用的是3GPP LTE Rel9标准。作为一种先进的无线通信技术，LTE技术在设计时就考虑了满足高吞吐率的需求，在20 MHz带宽组网情况下，峰值传输数据速率下行可达100 Mbit/s，上行可达50 Mbit/s。同时，LTE系统采用的是扁平化架构，可降低时延。LTE系统工作在 1.8 GHz频段 (1 785～1 805 MHz)，使用这一频段设备需获得无线型号核准证，需要遵守一定的核准指标。

全自动运行系统采用LTE安全通信协议，车载无线单元与地面网络需要进行认证授权，通过后才能进行关联，并且对传输的数据进行加密，加密密钥不少于128位。

1 全自动运行车辆段LTE系统网络布署方案分析

根据LTE-M(城市轨道交通车地综合通信系统)系统需求规范，GoA4(无人干预列车运行)列车综合承载业务(包括CBTC(基于通信的列车控制)、PIS(乘客信息系统)、TCMS(列车控制管理系统))需要周期性发送数据，列车的上行传输速率不小于512 kbit/s，下行传输速率不小于512 kbit/s。以A网、B网5 MHz+15 MHz小区配置为例，其中A网5 MHz为CTBC专用，B网15 MHz为列车综合承载业务专用。全自动运行车辆段车库数据传输容量将会受A网上行数据传输容量限制。因此，在全自动车辆段运用库的设计初期就需考虑LTE的数据传输容量上限以及与运用库库内各RRU分区物理分割的问题。

1.1 单小区容量评估

运用库库内建立一个RRU(远端射频单元)小区，容量受限于A网的5 MHz小区。A网和B网单网状态下的数据传输速率如表1所示(B网中按照MIMO(多输入多输出)方式计算)。

表1 LTE系统A网和B网单网状态下的数据传输速率

由表1可见，受A网上行容量限制，单小区理想情况下最大容量只能支撑11列列车并发数据传输。

在运用库库内建立一个RRU小区(见图1)，A网和B网合路共用天馈系统(采用双漏缆覆盖，漏缆挂于股道旁立柱上(两根漏缆需略高于车顶，分别挂于立柱两侧)，辐射方向如图1中箭头所示。单小区信号覆盖不存在同频干扰，因此采用单小区布署方案，A网和B网的数据传输速率可以达到理论峰值。

图1 全自动运行车辆段运用库LTE系统单小区布署方案

1.2 双小区容量评估

由于小区带宽资源有限，单小区容量有限，因此可以通过增加小区的方式实现扩容。在运用库库内建立RRU1与RRU2两个小区，同时考虑两个小区之间是否需要进行物理分隔以及小区容量上限的问题。

1.2.1 无物理分隔的双小区容量评估

运用库库内建立RRU1与RRU2两个小区，在没有做物理隔离的情况下会出现两个小区间的同频干扰问题，因此两个小区的容量仅为峰值容量的60%～70%。双小区A网和B网双网状态下的数据传输速率如表2所示。

表2 LTE系统A网和B网双网状态下的数据传输速率(双小区规划)

由表2可见，在没有做物理隔离的情况下，双小区容量依然受A网的上行容量限制，双小区理想情况下最大容量只能支撑13～15列列车并发数据传输，且这些列车需在两个小区内均匀分布。

在运用库库内建立RRU1和RRU2两个小区(见图2)，每个小区采用双漏缆+全向天线覆盖，漏缆挂于股道旁立柱上(两根漏缆需略高于车顶，分别挂于立柱两侧)，辐射方向如图2中箭头所示。采用从漏缆引信号接全向天线方式覆盖，降低同一股道上左右两个小区之间的干扰，同时保证可正常切换。A网和B网RRU位置放置于库头库尾同一位置，A网和B网合路共用天馈。

图2 全自动运行车辆段运用库LTE系统双小区(无物理分隔)布署方案

以苏州轨道交通5号线全自动运行车辆段——胥口车辆段运用库中LTE网络布署方案为例。胥口车辆段运用库库内设有22股道(每股道停车2列)，满负载下同时可容纳44列列车。该运用库长约288 m，宽约147 m。在不改变目前车路(列车股道)场景的前提下，可以将该库按股道方向划分为两个小区。考虑相互之间的同频干扰问题，在没有做物理隔离的前提下，每个小区容量可达峰值容量的60%～70%。

车库容量受A网上行限制，MIMO方式无法有效提升小区上行容量。按照信号厂家提供的资料，列车CBTC系统的最大实际上下行速率按210 kit/s计算，则单小区理想情况最大容量只能支撑26列列车并发数据传输；双小区理想情况最大容量只能支撑31～36列列车并发数据传输，且需要这些列车在两个小区内均匀分布。胥口车辆段运用库前期布署方案中没有考虑物理分隔，由于LTE技术存在同频干扰问题，在既有的带宽下无法达到44列列车并发数据传输，只能通过规章制度对列车并发数据传输进行限制。

1.2.2 物理分隔的双小区容量评估

在有物理隔离的情况下，信号覆盖同频干扰较小， A网和B网双网状态下的数据传输速率可以接近理论峰值，最大容量可支撑22列列车并发数据传输，但这些列车需在两个小区内均匀分布。

有物理分割情况下，运用库库内RRU1与RRU2布署方案如图3所示，采用双漏缆覆盖全库，漏缆挂于股道旁立柱上(两根漏缆需略高于车顶，分别挂于立柱两侧)，辐射方向如图3中箭头所示。在运用库库内中间设置物理分隔，可降低上下两个小区之间的干扰，提高小区容量。A网和B网的RRU放置于库头库尾同一位置，A网和B网合路共用天馈系统。

图3 全自动运行车辆段运用库LTE系统双小区(有物理分隔)布署方案

1.3 四小区容量评估

由于小区带宽资源有限，因此可以通过增加小区的方式实现扩容。在运用库库内将RRU1与RRU2分别拆分成两个小区，在没有做物理隔离的情况下会出现两个小区间的同频干扰问题，因此四个小区的容量仅为峰值容量的60%～70%。按照四小区规划的A网和B网双网状态下的数据传输如表3所示。

表3 LTE系统A网和B网双网状态下的数据传输速率(四小区规划)

由表3可见，在没有做物理隔离的情况下，四小区容量依然受A网的上行容量限制，四小区理想情况下最大容量只能支撑26～30列列车并发数据传输，且这些列车需在四个小区内均匀分布。

在有物理隔离的情况下，信号覆盖降低了同频干扰，因此该小区布署方案A网和B网双网状态下的速率可以接近理论峰值，最大容量可支撑44列列车并发数据传输，但这些列车需在两个小区内均匀分布。

对运用库库内的RRU进行小区拆分，每台RRU拆分成2个小区(见图4)，采用双漏缆+全向天线覆盖，漏缆挂于股道旁立柱上(两根漏缆需略高于车顶，分别挂于立柱两侧)，辐射方向如图4中箭头所示。同一股道切换带区域采用从漏缆引信号接全向天线方式覆盖，降低同一股道上左右两个小区之间的干扰，同时保证可正常切换。因需要预留消防通道和列车进出库，所以图4中间的双竖线处无法设置物理隔离。在运用库库内中间设置物理分隔，降低上下两个小区之间的干扰，提高小区容量。A网和B网的RRU放置于库头库尾同一位置，A网和B网合路共用天馈系统。