軌道交通LTE車地?zé)o線綜合通信網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)與研究

鄭繼平 曹美閣 劉曉磊 范禮乾

1. 鄭州地鐵集團(tuán)有限公司 河南 鄭州 450000

2.洛陽(yáng)市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司 河南 洛陽(yáng) 471000

3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430063

1 建設(shè)車地?zé)o線綜合通信網(wǎng)的必要性

本工程擬采用FAO全自動(dòng)運(yùn)行模式，需要建設(shè)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸車地綜合業(yè)務(wù)信息，由于列車運(yùn)營(yíng)時(shí)車輛上沒(méi)有司機(jī)，車地?zé)o線通信系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。全國(guó)城市軌道交通前期既有運(yùn)營(yíng)線路CBTC業(yè)務(wù)承載及車地寬帶業(yè)務(wù)承載均采用了WLAN技術(shù)，由于工作在ISM開(kāi)放頻段，通過(guò)理論分析和工程實(shí)踐證明，這種技術(shù)存在一些局限性。

隨著城市軌道交通、市域鐵路的快速發(fā)展，列車將達(dá)到更高的運(yùn)行速度，傳統(tǒng)的WLAN技術(shù)不滿足高速和綜合承載的要求，不能適應(yīng)將來(lái)城市軌道交通、市域鐵路的發(fā)展需要。目前國(guó)內(nèi)已有十多個(gè)城市幾十條地鐵線路采用LTE技術(shù)進(jìn)行車地通信無(wú)線業(yè)務(wù)的承載，城市軌道交通建設(shè)LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已成為一種技術(shù)趨勢(shì)和發(fā)展方向。

2 綜合承載業(yè)務(wù)需求

本工程擬采用FAO全自動(dòng)運(yùn)行模式，車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要承擔(dān)GOA4下CBTC業(yè)務(wù)、PIS緊急文本業(yè)務(wù)、TCMS業(yè)務(wù)、IMS視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)（包括乘客緊急呼叫視頻、行車軌道路況視頻）、PIS視頻業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)的傳輸，其中CBTC業(yè)務(wù)、PIS緊急文本業(yè)務(wù)、TCMS業(yè)務(wù)、乘客緊急呼叫視頻、行車軌道路況視頻屬于生產(chǎn)安全信息網(wǎng)業(yè)務(wù)；其他業(yè)務(wù)可屬于非生產(chǎn)安全信息網(wǎng)業(yè)務(wù)。

根據(jù)LTE-M相關(guān)規(guī)范，F(xiàn)AO模式下LTE A網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)承載CBTC業(yè)務(wù)信息時(shí)就需要5MHz頻寬。對(duì)于B網(wǎng)最少需要LTE系統(tǒng)配置為15M小區(qū)。此時(shí)B網(wǎng)平均上行帶寬可以滿足相關(guān)要求，但其上行帶寬的最小值不能滿足，考慮到車載視頻監(jiān)控是非安全信息，可以通過(guò)短暫減少調(diào)看圖像的路數(shù)進(jìn)行讓步；對(duì)于B網(wǎng)最少需要LTE系統(tǒng)配置為5M小區(qū)，才能在小區(qū)邊緣滿足速率要求。當(dāng)LTE系統(tǒng)頻率配置15MHz寬帶SA0時(shí)隙配比下，下行平均吞吐率達(dá)到21Mbps,上行平均吞吐率達(dá)到13Mbps，因此當(dāng)LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)承載時(shí)需要15MHz頻譜寬帶才能滿足FAO模式下（全自動(dòng)運(yùn)行）車地業(yè)務(wù)的傳輸需求。

3 LTE車地?zé)o線綜合通信網(wǎng)絡(luò)方案

3.1 組網(wǎng)方案

CBTC系統(tǒng)的車地?zé)o線通信采用LTE技術(shù)的傳輸組網(wǎng)方案有以下兩種：

方案一是信號(hào)獨(dú)立組網(wǎng)，雙網(wǎng)冗余。該方案的優(yōu)點(diǎn)是車地通信網(wǎng)絡(luò)由信號(hào)獨(dú)立組建，帶寬為信號(hào)獨(dú)享，實(shí)時(shí)性、可靠性均可以滿足要求。缺點(diǎn)是信號(hào)專網(wǎng)占用的頻帶資源較寬，如果PIS同樣采用LTE技術(shù)，PIS的帶寬有限，同時(shí)申請(qǐng)2個(gè)專用頻段用于車地傳輸較為困難。且在狹窄的地鐵隧道里同時(shí)敷設(shè)信號(hào)和PIS傳輸漏泄電纜較為困難。

方案二是采用綜合承載網(wǎng)，即組建A、B雙網(wǎng)，其中A網(wǎng)承載信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)（CBTC業(yè)務(wù)信息和列車狀態(tài)信息），B網(wǎng)綜合承載信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)（CBTC業(yè)務(wù)信息、列車狀態(tài)信息）、車載CCTV監(jiān)控圖像信息和PIS圖像信息及緊急文本信息等業(yè)務(wù)。

推薦采用方案二，信號(hào)、PIS、CCTV采用基于LTE的共建綜合無(wú)線傳輸平臺(tái)，綜合承載信號(hào)、PIS、CCTV系統(tǒng)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)。

3.2 干擾分析

3.2.1 系統(tǒng)內(nèi)干擾

LTE系統(tǒng)內(nèi)的干擾主要是分析1800MHz A/B雙網(wǎng)間干擾及小區(qū)間同頻干擾。

1) A/B雙網(wǎng)間干擾分析 A/B雙網(wǎng)異頻組網(wǎng)，當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)頻段相鄰，如果兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收不同步，則會(huì)由于雜散和阻塞的原因互相產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。為了避免該類干擾的發(fā)生，A/B雙網(wǎng)必須采取嚴(yán)格保證時(shí)隙配比和特殊時(shí)隙配比保持一致的措施；同時(shí)，雙網(wǎng)必須嚴(yán)格保證時(shí)鐘同步。

2) 小區(qū)間同頻干擾 由于采用同頻組網(wǎng)，處于小區(qū)邊緣的用戶下行業(yè)務(wù)受到鄰區(qū)導(dǎo)頻和業(yè)務(wù)的干擾導(dǎo)致信噪比較低，從而影響下行吞吐量。可通過(guò)一些處理措施進(jìn)行優(yōu)化：通過(guò)參數(shù)優(yōu)化的方式提高業(yè)務(wù)信道的功率，以改善處于邊緣用戶的信噪比，從而提升數(shù)據(jù)吞吐量；通過(guò)修改切換參數(shù)的方式，使用戶及時(shí)切換目標(biāo)小區(qū)，以優(yōu)化邊緣用戶在切換時(shí)的吞吐量。

3.2.2 系統(tǒng)間干擾

1) LTE系統(tǒng)與專用、公安無(wú)線系統(tǒng)之間干擾分析

a) LTE系統(tǒng)干擾800MHz頻段TETRA和350MHz頻段公安無(wú)線系統(tǒng)：

LTE基站存在雜散和互調(diào)干擾，干擾信號(hào)協(xié)議規(guī)定由于頻率間隔達(dá)1GHz左右，落入800MHz、350MHz的UL帶內(nèi)的干擾電平可以忽略。

b) 800MHz頻段TETRA和350MHz頻段公安無(wú)線系統(tǒng)干擾LTE系統(tǒng)：

800MHz基站可能存在雜散干擾LTE基站接收的情況，800MHz基站下行發(fā)送，雜散信號(hào)落入LTE的頻帶內(nèi)，造成LTE基站的帶內(nèi)噪聲抬升。1.8GHz LTE與800MHz TETRA、350MHz PDT有較大的頻率隔離度，頻率間相差大約1.0GHz以上，有充足的頻率隔離，因此彼此不會(huì)產(chǎn)生干擾。

2) LTE系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)商無(wú)線通信系統(tǒng)之間干擾分析

為了規(guī)避和解決兩系統(tǒng)間的干擾，可以采用以下措施：

a) 考慮協(xié)議所要求的ACIR，可以根據(jù)公式計(jì)算得到兩個(gè)系統(tǒng)共存所需要的天線隔離距離。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和工程實(shí)施中保證兩者漏泄電纜之間的距離避免干擾。

b) 如果工程實(shí)施時(shí)，無(wú)法滿足天線隔離距離的話，則考慮額外的隔離度，比如提高濾波器的性能；在兩個(gè)系統(tǒng)之間增加保護(hù)帶寬等。

c) 同頻段與LTE網(wǎng)絡(luò)間的干擾

本工程LTE系統(tǒng)采用漏泄電纜覆蓋，1-5/8英寸漏泄電纜在1800MHz頻段距離20米處耦合損耗增加,無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度將≤-105dBm,不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了能夠滿足本工程運(yùn)營(yíng)需求的高帶寬、無(wú)縫漫游的多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的解決方案，可用于承載CBTC、PIS、CCTV等多種業(yè)務(wù)。同時(shí)采取必要措施，合理規(guī)劃技術(shù)方案，避免與信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線通信發(fā)生干擾。本文研究為軌道交通類似項(xiàng)目提供有效的技術(shù)支撐與參考。