LTE-R系統(tǒng)應(yīng)用初期在工程上的無線組網(wǎng)應(yīng)用研究

王敬源

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 200071)

1 無線基本組網(wǎng)架構(gòu)

LTE-R 沿鐵路的覆蓋是通過分布式基站設(shè)備來實現(xiàn)，分布式基站由基帶控制單元（BBU）與射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）構(gòu)成，BBU 與RRU 之間通過通用無線公共接口（CPRI）接口光纖進(jìn)行通信，BBU與最遠(yuǎn)的RRU 之間光纜長度可達(dá)10 km。根據(jù)目前鐵路無線覆蓋的要求，列出如下幾種覆蓋方式。

1) 跨BBU 冗余組網(wǎng)

跨BBU 冗余組網(wǎng)，主BBU 與輔BBU 同站址設(shè)置，同一個環(huán)上的RRU 可以共小區(qū)也可以獨立小區(qū)設(shè)置。當(dāng)主BBU 故障時，輔BBU 仍能正常工作；當(dāng)RRU 故障時，同站址RRU 仍能提供無線覆蓋?？蛇m用于速度350 km/h 高速鐵路。

2) 單基站冗余組網(wǎng)

單基站冗余組網(wǎng)中，BBU 與RRU 同站址設(shè)置。當(dāng)BBU 或RRU 故障時，相鄰基站仍能提供無線覆蓋?？蛇m用于速度350 km/h 高速鐵路。

3) 單RRU 冗余組網(wǎng)

單RRU 交織冗余組網(wǎng)中，BBU 宜異址設(shè)置。BBU 與RRU 間宜采用環(huán)形組網(wǎng)方式。當(dāng)BBU 或RRU 故障時，相鄰RRU 仍能提供無線覆蓋。可適用于速度350 km/h 高速鐵路。

4) 非冗余組網(wǎng)

非冗余組網(wǎng)，BBU 與RRU 間應(yīng)采取環(huán)形組網(wǎng)方式，單套RRU 故障或BBU 與RRU、RRU 間任意一處光纖中斷，不影響其他RRU 設(shè)備正常工作?？蛇m用于速度250 km/h 及以下的鐵路。

2 LTE-R同頻及異頻組網(wǎng)模式

2.1 同頻和異頻組網(wǎng)模式

同頻組網(wǎng)模式是指網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的所有小區(qū)都使用相同的頻率。這種組網(wǎng)方式，頻譜利用率最高，節(jié)約頻率資源，特別適合于頻譜資源緊張，通信系統(tǒng)帶寬比較寬的情況。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、建設(shè)、擴(kuò)容時頻率規(guī)劃非常簡單。

異頻組網(wǎng)模式是指相鄰小區(qū)間的頻率互不相同，可以實現(xiàn)頻率復(fù)用，有效避免同頻所帶來的干擾問題。異頻組網(wǎng)減小小區(qū)間干擾，提升小區(qū)載干比，在頻率資源相同的情況下，用戶傳輸速率高。

同頻組網(wǎng)模式和異頻組網(wǎng)模式均可分為普通單網(wǎng)、交織覆蓋和同站址雙網(wǎng)3 種方案。

1) 普通單網(wǎng)方案

普通單網(wǎng)方案是非冗余的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案。此種覆蓋方案網(wǎng)絡(luò)架設(shè)的結(jié)構(gòu)簡單，在工程上實施起來相對容易，設(shè)備投資小，頻率資源利用率較高。但此種覆蓋方案網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)性能較差，系統(tǒng)可靠性低，單個基站出現(xiàn)故障時，故障區(qū)段網(wǎng)絡(luò)會中斷。同頻普通單網(wǎng)方案是指網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中所有基站都采用相同的頻率，異頻普通單網(wǎng)方案是指相鄰基站采用不同的頻率。

2) 交織覆蓋方案

交織覆蓋方案是指兩個相鄰基站的場強(qiáng)覆蓋區(qū)域相互交疊，基站場強(qiáng)邊緣要覆蓋到相鄰基站的根部。沿線基站按照奇數(shù)與偶數(shù)進(jìn)行區(qū)分，任意奇數(shù)或偶數(shù)基站故障時，網(wǎng)絡(luò)仍然能以普通單網(wǎng)的模式繼續(xù)運(yùn)行。

同頻交織覆蓋是指奇數(shù)站和偶數(shù)站采用同一頻率。異頻交織覆蓋是指奇數(shù)站和偶數(shù)站采用不同頻率。

3) 同站址雙網(wǎng)覆蓋方案

同頻同站址雙網(wǎng)覆蓋是指在同一物理地點設(shè)置兩套獨立的基站設(shè)備，形成兩層網(wǎng)絡(luò)。同頻同站雙網(wǎng)覆蓋指兩層網(wǎng)絡(luò)都采用相同頻率。異頻同站雙網(wǎng)覆蓋指兩層網(wǎng)絡(luò)都采用不同頻率。

3 工程設(shè)計布設(shè)模擬

以京沈客專試驗段部分區(qū)段為藍(lán)本，模擬進(jìn)行LTE-R 系統(tǒng)的設(shè)計。

模擬設(shè)計段落為新北民（DK633+125）至古城子（DK675+550），兩站相距42.425 km，線路沿線為開闊區(qū)域，無隧道。京沈客專設(shè)計速度為350 km/h，采用CTCS-3 信號系統(tǒng)，按照最小覆蓋電平-90 dBm 進(jìn)行考慮，RRU 間距按照3 ～4 km進(jìn)行布設(shè)，每個BBU 最多連接6 個RRU。

區(qū)間基站設(shè)備采用分布式基站設(shè)備，可以按照單基站冗余組網(wǎng)、單RRU 冗余組網(wǎng)和跨BBU 冗余組網(wǎng)3 種組網(wǎng)模式進(jìn)行布設(shè)，具體基站布點如表1所示。

1) 單基站冗余組網(wǎng)

系統(tǒng)示意如圖1、2 所示。

a. 同頻組網(wǎng)模式：所有基站采用同一個頻點。

b. 異頻組網(wǎng)模式：奇數(shù)站與偶數(shù)站分別采用不同的兩個頻點。

若采用此種組網(wǎng)方式，需要BBU 設(shè)備13 套，RRU 設(shè)備13 套，鐵塔13 座，天線26 套。在土建施工方面需要沿線建設(shè)13 座基站設(shè)施放置相關(guān)通信設(shè)備，與采用GSM-R 系統(tǒng)時所需要的工程量基本相同。

2) 單RRU 冗余組網(wǎng)

系統(tǒng)示意如圖3、4 所示。

a. 同頻組網(wǎng)模式：所有基站采用同一個頻點。

b. 異頻組網(wǎng)模式：奇數(shù)站與偶數(shù)站分別采用不同的兩個頻點。

若采用此種組網(wǎng)方式，需要BBU 設(shè)備3 套，RRU 設(shè)備13 套，鐵塔13 座，天線26 套。在土建施工方面需要沿線建設(shè)3 座基站設(shè)施放置分布式基站BBU+RRU 設(shè)備，以及10 座直放站設(shè)施放置RRU 設(shè)備，與單基站冗余組網(wǎng)模式相比，土建規(guī)模大大減小，相關(guān)基站內(nèi)配套的通信設(shè)備也相應(yīng)大大減小。但此種模式BBU 故障時，會導(dǎo)致連接在故障BBU 上的所有RRU 全部掉線，使很長區(qū)段都需要降速行駛，降低系統(tǒng)可靠性。

表1 各組網(wǎng)模式基站布點表Tab.1 Table for arrangement of base station of each networking mode

圖1 同頻單基站冗余組網(wǎng)Fig.1 Redundant networking of single base station with the same frequency

圖2 異頻單基站冗余組網(wǎng)Fig.2 Redundant networking of single base station with different frequency

圖3 同頻單RRU冗余組網(wǎng)Fig.3 Redundant networking of single RRU with the same frequency

圖4 異頻單RRU冗余組網(wǎng)Fig.4 Redundant networking of single RRU with different frequency

3) 跨BBU 冗余組網(wǎng)

系統(tǒng)示意如圖5、6 所示。

同頻組網(wǎng)模式：所有基站采用同一個頻點。

異頻組網(wǎng)模式：A 層網(wǎng)基站與B 層網(wǎng)基站分別采用不同的兩個頻點

若采用此種組網(wǎng)方式需要BBU 設(shè)備6 套，RRU 設(shè)備26 套，鐵塔13 座，天線26 套。在土建施工方面需要沿線建設(shè)3 座基站設(shè)施放置分布式基站BBU+RRU 設(shè)備，以及10 座直放站設(shè)施放置RRU 設(shè)備。3 處基站需要放置雙套相應(yīng)傳輸、基站及電源設(shè)備，直放站內(nèi)需要放置雙套RRU 設(shè)備。此種方式的冗余能力最強(qiáng)，不論是BBU 設(shè)備還是RRU 設(shè)備單點故障時，都不會引起列車降速，大大增加系統(tǒng)的可靠性。

綜上所述，在GSM-R 向LTE-R 演變的初期，推薦采用同頻單基站冗余組網(wǎng)的方式，此方式能最大限度的利用現(xiàn)有的GSM-R 資源，和已有的設(shè)計、施工經(jīng)驗。待后期設(shè)備成本減低后可采用跨BBU冗余組網(wǎng)模式，可以大大加強(qiáng)無線系統(tǒng)的可靠性，減小對土建工程的依賴。

4 LTE-R的干擾協(xié)調(diào)方案

4.1 LTE-R的外部干擾及解決措施

根據(jù)《鐵路寬帶移動通信（LTE-R）組網(wǎng)暫行技術(shù)要求》（鐵總科信[2019] 85 號）中的描述，國內(nèi)鐵路擬采用450 MHz 頻段作為LTE-R 的使用頻段，但此頻段主要有兩個方面的外部干擾：業(yè)余無線電和廣電系統(tǒng)；鐵路LTE-R 系統(tǒng)與公網(wǎng)運(yùn)營商LTE 系統(tǒng)間干擾。

圖5 同頻單基站冗余組網(wǎng)Fig.5 Redundant networking of single base station with different frequency

圖6 異頻單基站冗余組網(wǎng)Fig.6 Redundant networking of single base station with different frequency

對于與業(yè)余無線電和廣電系統(tǒng)間的干擾，ITU、3GPP 和CEPT 等國際通信機(jī)構(gòu)已對相應(yīng)問題展開研究。研究結(jié)果表明，LTE-R 系統(tǒng)可以實現(xiàn)與廣電系統(tǒng)和業(yè)余無線電的無干擾共存。

對于公網(wǎng)的LTE 系統(tǒng)，相關(guān)干擾防護(hù)措施尚不完全。假設(shè)LTE 的RRU 發(fā)射功率為20 W，天線增益為17 dBi，考慮3 dB 的連接損耗，12 dB 的C/I，LTE 雜散為-6.9 dB/100 kHz（LTE36.141 協(xié)議），計算公式為：RRU 發(fā)射功率+天線增益-路徑損耗+隔離帶寬損耗+載干比=最小接收電平，干擾測算如表2 所示。

表2 LTE-R與公網(wǎng)LTE系統(tǒng)干擾測算Tab.2 Interference calculation between LTE-R and public network LTE system

目前LTE 移動端的接收靈敏度為-105 dBm，通過上述計算可以看出通過設(shè)置濾波器和隔離帶寬等方式可以有效減小公網(wǎng)LTE 信號與鐵路LTE-R信號間的干擾，因此，在工程實施中可以參考下列措施來盡可能較少或消除外部系統(tǒng)對LTE-R 帶來的干擾。

1）事先協(xié)調(diào)，要求雙方對基站加濾波器

基站與基站間干擾，在整網(wǎng)都受到干擾的情況下，可以考慮安裝濾波器的方式解決問題。在存在一定保護(hù)帶的情況下，安裝合適的濾波器能夠解決各種干擾問題，其中在受擾系統(tǒng)上安裝濾波器可以解決阻塞與互調(diào)干擾，而在施擾系統(tǒng)上安裝濾波器則可以解決雜散干擾。同時，安裝濾波器也可以解決大多數(shù)基站與終端的干擾問題。根據(jù)調(diào)查，目前市場上25 dB濾波器是最容易生產(chǎn)安裝在基站上的配套設(shè)備，但從計算結(jié)果來看25 dB 的濾波器的效果并不理想，因此采用40 dB 左右的濾波器應(yīng)是未來設(shè)備廠商需要進(jìn)行研發(fā)的思路，以保證不影響鐵路LTE-R 網(wǎng)絡(luò)的同時，同樣能夠保證公網(wǎng)的覆蓋率。

2）增加系統(tǒng)間保護(hù)頻帶

增加保護(hù)帶將會使功放的雜散及接收機(jī)的阻塞性能變優(yōu)，同時雙工器的抑制也會增加，如果需要外加濾波器，則濾波器的實現(xiàn)將會變得簡單，成本也會降低。保護(hù)帶的計算參考干擾系統(tǒng)的射頻實測指標(biāo)，保護(hù)帶越大，雜散指標(biāo)越優(yōu)，被干擾的概率越低。上文計算可以看出，設(shè)置2 MHz 左右的隔離帶寬是減小公網(wǎng)LTE 與鐵路LTE-R 間的干擾最理想方式，但是由于頻率帶寬資源稀缺，再拿出2 MHz 的帶寬作為保護(hù)隔離實施非常困難；但是1 MHz 的隔離保護(hù)帶寬配合濾波器也可以達(dá)到一個不錯的干擾防護(hù)效果，同時設(shè)置1 MHz 的隔離保護(hù)帶寬在可行性上也強(qiáng)于2 MHz 帶寬。

4.2 LTE-R的內(nèi)部干擾及解決措施

4.2.1 同頻組網(wǎng)模式下的干擾協(xié)調(diào)方案

在同頻組網(wǎng)模式下，LTE 系統(tǒng)干擾主要來自于同頻鄰區(qū)干擾，如果不采取抗同頻干擾的措施，小區(qū)邊緣的上下行干擾很嚴(yán)重，影響到鐵路業(yè)務(wù)的速率需求。

目前LTE 有以下技術(shù)消除小區(qū)間的同頻干擾。

1） 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（ICIC）

通過協(xié)調(diào)本小區(qū)和相鄰小區(qū)選用不同的時頻資源，或者調(diào)節(jié)特定的時頻資源的發(fā)射功率大小來消除同頻干擾。例如功率控制技術(shù)。干擾協(xié)調(diào)核心思想是通過小區(qū)間的協(xié)調(diào)對一個小區(qū)的可用資源進(jìn)行某種限制，以減少本小區(qū)對相鄰小區(qū)的干擾，提高相鄰小區(qū)在這些資源上的信噪比以及小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率和覆蓋。

2） 小區(qū)間干擾消除技術(shù)IC

此項技術(shù)是將本地小區(qū)和同頻鄰區(qū)的信號都進(jìn)行解調(diào)和解碼，利用小區(qū)間干擾的相關(guān)性，將各自的干擾信號和有用信號進(jìn)行分離?？梢灾С謴氐椎耐l組網(wǎng)。典型IC 技術(shù)為干擾抵消合并（Interference Rejection Combining, IRC）技術(shù)，通過IRC 基帶解調(diào)算法，可以將單小區(qū)來自列車方向相反方向的干擾去除。

4.2.2 異頻組網(wǎng)模式下的干擾協(xié)調(diào)方案

在異頻組網(wǎng)模式下，LTE 系統(tǒng)干擾主要來自于使用相同頻率的鄰小區(qū)。如果保證本地小區(qū)與最相鄰的小區(qū)之間保持不同頻率，則可以通過空間距離來隔離使用相同頻率的小區(qū)。由于鐵路無線覆蓋具有鏈狀覆蓋的特點，頻率可以通過交叉復(fù)用的方式進(jìn)行分配，即本地小區(qū)需和其前一個相鄰小區(qū)和后一個相鄰小區(qū)保持使用不同的頻率。通過對可用頻率資源進(jìn)行合理的頻率規(guī)劃，來減小的網(wǎng)絡(luò)干擾。

5 總結(jié)

本文通過京沈?qū)嶒灢糠謪^(qū)段進(jìn)行模擬設(shè)計，對比分析同/異頻普通單網(wǎng)模式、同/異頻單基站冗余組網(wǎng)模式、同/異頻單RRU 冗余組網(wǎng)模式和同/異頻跨BBU 冗余組網(wǎng)模式這幾種組網(wǎng)模式的優(yōu)勢及劣勢，得出結(jié)論：LTE-R 系統(tǒng)在鐵路工程應(yīng)用初期可以采用同頻單基站冗余組網(wǎng)的方式，待到后期設(shè)備成本減低后，可采用跨BBU 冗余組網(wǎng)模式，從而加強(qiáng)無線系統(tǒng)的可靠性。

面對干擾時可以采用40 dB 濾波器和設(shè)置1 MHz 隔離帶寬來減少系統(tǒng)外部干擾，通過更加先進(jìn)的算法，合理的頻率規(guī)劃來減少系統(tǒng)內(nèi)部干擾。