地鐵車地無線通信技術與案例分析

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【摘要】城軌列控系統車地無線通信方式是目前研究和應用的熱點，為保證城市軌道交通列控系統的正常運行，車地無線通信至關 重要，之前地鐵系統采用 WLan 的無線接入方式，隨著移動技術的發展，TD-LTE 技術越來越多地應用在城軌 CBTC 系統中。基于此， 本研究在簡述 LTE 車地無線通信技術的基礎上，從信號覆蓋角度和抗干擾角度進行了案例分析，并提出了相應的建議，以希望能夠為 城市軌道交通的安全可靠運行提供借鑒。

【關鍵詞】LTE網絡技術；城市軌道交通CBTC；無線通信網絡

前言：

LTE技術作為城市軌道交通列車車地無線通信的主要技術越來越廣泛地應用在城軌CBTC系統上，與以往的WLAN技術相比具有抗干擾性強、安全可靠的優點。LTE無線系統除了符合一般電磁抗擾限值和測量標準外，還考慮了與其他系統電磁兼容，同時，還考慮了對無線系統的惡意干擾采取相應的防范措施，LTE無線網絡的物理層/數據鏈路層/IP網絡應用層基于3GPP標準，在物理層采用1.8GHz頻段，應用層協議與IP承載協議兼容，車載通過IEEE802.3標準定義的以太網協議接口同車載各個設備進行有線連接。

一、LTE網絡架構和功能

采用LTE獨立雙網架構—A網和B網，為了保證城軌CBTC車地信息的可靠傳送，CBTC業務系統對相同的信息在發端采用發送2份數據的方式，在接收端同樣獲取2份數據，并且只要接收到其中的1份正確數據后就可以正確獲取車地信息。A/B無線雙網確保在軌旁由雙網絡實現無線信號冗余覆蓋，網內采用同步組網，A/B網分別采用不同的頻段f1和f2，僅需要2個頻點。A無線網絡和A核心網組成可以實現端到端通信的LTE-A網絡，B無線網絡和B核心網組成可以實現端到端通信的LTE-B網絡，無線網絡共用漏纜進行無線信號覆蓋，如下圖所示：

1.1QoS保障

利用LTE網絡的QoS保障機制，可以為CTBC業務分配了最所需要的優先級，采用E2E的QoS方案（空口，傳輸等）在準入、擁塞等各場景充分保證CTBC業務的時延、丟包率和速率要求，為后續的業務擴展建立基礎。在網絡分段上，LTE網絡分為無線、核心網和業務網絡，各網段保證各自的QoS所對應QoS的分段控制。

1.2可靠性保障

在LTEforRail網絡建設中，最為關注的就是網絡整體的可靠性，需要確保單點故障不能影響整個網絡通信業務。單網元故障包括服務小區或者eNB、或者服務核心網EPC、或者傳輸鏈路故障。為此，設計出LTE系統的可靠性增強解決方案，在組網架構可靠性、傳輸可靠性和設備可靠性等3個層次，分別采用冗余備份等機制提高LTE系統的整體可靠性。（1）網絡可靠性采用A、B兩套完全獨立的網絡，包括物理鏈路與設備。A/B核心網設備分別部署在控制中心和備用控制中心。CBTC業務前后端車載設備的無線裝置同時各接入A、B網絡，CBTC消息通過A、B網絡同時冗余發送到地面業務中心。基站設備冗余配置，部署在各個設備集中站，通過不同交換機接入A、B網絡。在每列車的車頭、車尾各設置1套車載LTE設備。從上述描述可以看出，在單網故障狀態下，由于CBTC數據傳輸業務采用雙網冗余傳輸，所以CBTC由正常工作的網絡完成，單網故障狀態下不影響CBTC業務正常工作。（2）設備可靠性城軌車地無線傳輸平臺，無論從網絡覆蓋、簽約用戶數，還是吞吐量，都遠遠小于電信運營商的無線網絡規模，因此在實際部署中，采用高可靠性的緊湊型核心網即可滿足城軌車地無線傳輸平臺的需求。例如：eCore就是一款通過集成MME、S-GW、P-GW、HSS、PCRF功能單元實現緊湊型的LTE核心網設備，部署相對靈活方便。

1.3豐富的告警管理

在LTE基站、核心網和傳輸鏈路等異常時，網管可以提供豐富的故障告警種類和多種通知手段，通知維護人員采取有效措施，恢復網絡的正常運行。

二、無線網絡規劃

車地通信網絡主要承載CBTC業務，CBTC對于網絡的可靠性以及抗干擾能力要求高，因為CBTC業務安全運行至關重要。為了減少干擾，LTE網絡選擇專用頻段，同時利用專有抗干擾技術降低其他無線信號的對車地通信網絡的影響，進而降低對地鐵業務的影響。整個網絡采用雙網冗余設計方案，A/B網從核心網、接入網到終端都用兩套獨立設備，用來提高系統的可靠性。

2.1無線頻點的選擇

TD-LTE可按1.8G頻段（1790MHz～1800MHz）考慮，A網可按5MHz（1790MHz～1795MHz）載頻帶寬同頻組網，B網可按5MHz（1795MHz～1800MHz）載頻帶寬同頻組網。

2.2無線覆蓋設計

城市軌道交通所有正線、折返線、渡線、停車線、出入段/場線、車輛段/停車場自動化區域及試車線等處均安裝軌旁設備、實現無線網絡覆蓋、滿足車地雙向連續通信的要求。隧道覆蓋基于TD-LTE技術方案在車站應設置基站（BBU）設備和射頻單元（RRU），BBU設置于車站弱電綜合設備室，RRU設置于隧道壁靠近漏纜位置，將無線信號送入漏纜中，實現隧道內覆蓋；RRU通過射頻線纜分別連接到左右兩側的漏纜上，如果車站間距大于相鄰車站RRU的覆蓋能力，在隧道中間采用將RRU拉遠到隧道中進行覆蓋。地面覆蓋地面采用漏纜覆蓋，如果沒有漏纜布設條件，也可采用基站加定向天線進行定向覆蓋。基站的兩個端口輸出經過合路，分別連接到雙極化天線的兩個端口，不同網絡經過合路后采用同一個天線。如果是需要覆蓋基站兩側的情況，則每端口功分后，連接兩個方向天線的端口。折返線覆蓋多條軌道在一個大的隧道中，列車可能距離漏纜較遠，這時信號強度會變弱。這個場景在鏈路預算上需要增加考慮隧道的寬度因子。型槽覆蓋U型槽是隧道車輛段中間的過渡區段，該方案既有隧道覆蓋又有地面覆蓋。如果使用漏纜覆蓋，從隧道到地面覆蓋沒有影響。車輛段和停車場覆蓋車輛段和停車場均有雨棚，主要有運用庫和列檢庫，采用室內定向天線方式進行覆蓋。

2.3抗干擾設計

TD-LTE系統內干擾主要來自于同頻鄰區干擾，需考慮同向隧道中前后同頻鄰區間的干擾及位于車站兩側雙隧道的兩個小區的相互干擾。同頻干擾分析及對策系統內小區間的同頻干擾會對小區吞吐量、覆蓋產生影響。需要考慮同向隧道中前后同頻鄰區間的干擾及位于車站兩側雙隧道的兩個小區的相互干擾。下面分析兩類同頻干擾的嚴重性及抗干擾方案。（1）車站兩側雙隧道的兩個小區的相互干擾按照Keenan－Motley傳播模型估算車站兩側小區的同頻隔離度：（f為工作頻率；D為手機到天線距離；P為墻壁損耗參考值，W為墻壁數目）位于車站兩側小區信號隔離度＝PL2與PL1之差必須滿足上下行的隔離度需求。（2）同向隧道中前后同頻鄰區間的干擾前后鄰區同頻，在小區邊緣信噪比最差可達到0db，所以如果不采取抗同頻干擾的措施，小區邊緣的上下行干擾很嚴重，SINR很低，不能滿足業務的速率需求。 電磁干擾分析及對策LTE車地數據傳輸設備的工作頻率的選擇和分配能防護牽引電流的干擾，不受車輛載波器、變流器、接觸網在無岔和有岔區受流發生變化所產生的電磁干擾以及鋼軌回流不平衡等產生的諧波影響，保證信息可靠地傳送。

三、案例分析

例如某城軌場段目前存在的問題——同場共址場段，針對此類問題按照傳統的LTE頻段劃分，承載CBTC業務的A/B網采用5M+5M的雙網方案，但是在多線共址場段，由于各條線路車庫、咽喉區、出入段線、試車線相隔過近，存在較多兩線相鄰、交匯的區域，如果三條線路都采用相同頻率的5M+5M雙網方案，不可避免將存在嚴重的同頻干擾，影響信號系統車地無線網絡正常運行。同場共址段/場無線覆蓋解決方案同場共址段/場、同站臺換乘車站，特別是兩線共線段距離近，都會存在LTE同頻干擾的問題，需要提高網絡之間隔離度來達成多個網絡和諧共存。從技術上來講，可以通過空間隔離、頻率隔離、互聯互通三種方案，來解決LTE同頻干擾的問題。（1）空間隔離方案。在兩條線路相鄰/交匯區域，無線頻率完全復用，假設申請到10MHz頻率，線路1和線路2都采用相同的5MHz+5MHz的A/B網組網方案。兩線相鄰/交匯區域之間如果相隔很近，將存在較強同頻干擾，需要采用一定的工程措施（如墻體隔離、空間距離）來保證兩條線路的無線網絡隔離度滿足要求。（2）頻率隔離。線路1和線路2在相鄰/交匯區域頻率錯開，單條線路采用1.4M+1.4M或3M+3M小帶寬雙網方案。（3）互聯互通。交匯/相鄰區域僅由線路1的無線基站覆蓋，線路1和線路2的LTE核心網互聯互通。線路2的車輛進出此區域進行2次跨核心網的漫游切換，切換時間在500ms以內，滿足CBTC數據中斷時延要求。

四、總結：

針對目前應用在城軌CBTC系統車地無線通信TD-LTE技術的先進性和優勢，仍然需要在實際網絡規劃設計過程中對于出現的這樣或那樣的問題進行分析研判，制定相應的解決方案，確保列車控制信號進行有效傳輸的可靠性和安全性，隨著LTE技術越來越多地應用在城軌車地無線通信系統中，相對技術也會越來越成熟，高可靠性和高安全性的優點能夠充分發揮出來，確保城軌的安全可靠運行。

參考文獻

[1]《TD-LTE數字蜂窩移動通信網Uu接口物理層技術要求（第一階段）》（YD/T2560/2561/2562—2013）

作者：尹萬晨 單位：北京現代通號工程咨詢有限公司