基于LTE的車地?zé)o線通信技術(shù)在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的運(yùn)用淺析

余適 謝尚意 楊同喜

摘要 新時(shí)期發(fā)展背景下，地鐵工程已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｖ匾慕M成部分。文章主要將TD-LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上探究了將LTE應(yīng)用于城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的重要性，從業(yè)務(wù)承載需求角度上進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況提出了一些有效的運(yùn)用方案，為相關(guān)人員提供合理的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 LTE;車地?zé)o線通信技術(shù);地鐵信號(hào)系統(tǒng)

中圖分類號(hào) U284.48;U285.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）03-0010-03

0 引言

針對(duì)軌道交通數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)而言，主要是通過對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的合理應(yīng)用，從而在各個(gè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向通信作用。通常情況下，在子系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中，可以在對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，完成對(duì)信息的傳輸工作，而地面設(shè)備與車載設(shè)備在對(duì)信息進(jìn)行傳輸時(shí)，需要應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)。結(jié)合目前的實(shí)際情況進(jìn)行分析，在我國現(xiàn)有的車地通信系統(tǒng)當(dāng)中，主要應(yīng)用到了2.4G開放頻段的WLAN技術(shù)。

1 LTE技術(shù)概述

我國各大運(yùn)營商在經(jīng)營發(fā)展中，逐漸對(duì)LTE4G網(wǎng)絡(luò)高度重視，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)LTE4G網(wǎng)絡(luò)的充分利用，現(xiàn)在已經(jīng)成為比較成熟的商用網(wǎng)絡(luò)。而LTE技術(shù)在應(yīng)用過程中不但速度非常快，同時(shí)還能體現(xiàn)出非常明顯的實(shí)時(shí)性，具有非常好的移動(dòng)傳輸性能，將其應(yīng)用到地鐵車地?zé)o線通信系統(tǒng)中，屬于一項(xiàng)可行的技術(shù)方案。關(guān)于LTE技術(shù)，主要是通過3GPP組織制定的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，結(jié)合雙工方式之間存在的差異，可以將LTE系統(tǒng)劃分為FDD-LTE與TDD-LTE兩種形式。

首先，針對(duì)FDD-LTE而言，F(xiàn)DD可以完成對(duì)上下行數(shù)據(jù)之間的傳輸工作，并保證數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)間進(jìn)行，與雙車道運(yùn)行相似，上行與下載之間可以在同一時(shí)間內(nèi)開展，具體如圖1所示。

其次，對(duì)于TDD-LTE，其中TDD上下行數(shù)據(jù)采取分時(shí)的形式進(jìn)行傳輸，與單車道運(yùn)行相似，其中主要是通過信號(hào)燈進(jìn)行引導(dǎo)，也即是分設(shè)計(jì)控制通道對(duì)上傳與下載進(jìn)行明確，具體如圖2所示。

2 案例分析

該文結(jié)合TD-LTE技術(shù)，應(yīng)用于某地鐵3號(hào)線中，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出了車地?zé)o線通信系統(tǒng)，在具體的應(yīng)用過程中，主要承載了信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖3所示，地鐵3號(hào)線車地?zé)o線通信LTE系統(tǒng)中，主要是應(yīng)用了A/B紅藍(lán)雙網(wǎng)冗余架構(gòu)，在A/B紅藍(lán)雙網(wǎng)當(dāng)中，分別設(shè)置了一套核心網(wǎng)與一套基站系統(tǒng)，從而可以對(duì)周邊行車范圍內(nèi)所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行全面覆蓋。

2.2 A、B網(wǎng)無線資源分配方案

結(jié)合目前的實(shí)際情況進(jìn)行分析，關(guān)于軌道交通專用頻率資源，主要是在1 785～1 805 MHz之間，一般包含20 MHz寬帶。在地鐵3號(hào)線中，申請使用了8～10 MHz頻率資源，其中5 M主要被應(yīng)用到A網(wǎng)當(dāng)中，其余的5 M/3 M主要是被應(yīng)用到B網(wǎng)中，都承載信號(hào)CBTC列車控制信息。如果在后面階段中出現(xiàn)了綜合承載現(xiàn)象，那么是由5 M帶寬資源的A網(wǎng)承載[1]。

2.3 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析

地鐵3號(hào)線項(xiàng)目在施工中，信號(hào)系統(tǒng)正線無線網(wǎng)絡(luò)使用了漏纜覆蓋，體現(xiàn)出了非常強(qiáng)的抗干擾性。但是，因?yàn)榫€路曲線高度超出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，受到這一因素的影響，最終沒有得到較好的無線信號(hào)覆蓋效果。所以在專用通信與CBTC-B系統(tǒng)當(dāng)中，一共使用到一根漏纜，從而可以達(dá)到漏纜敷設(shè)設(shè)計(jì)高度要求，同時(shí)也能滿足信號(hào)覆蓋強(qiáng)度方面的要求。

在正線A/B紅藍(lán)雙網(wǎng)當(dāng)中，分別設(shè)置了一套核心網(wǎng)以及網(wǎng)管，同時(shí)在試車線與培訓(xùn)中心的A/B紅藍(lán)雙網(wǎng)當(dāng)中，分別設(shè)置了一套小型核心網(wǎng)，一共涉及四套小型核心網(wǎng)。在對(duì)基站進(jìn)行劃分時(shí)，每一個(gè)基站是在一個(gè)基帶處理單元和不超過6個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元中，BBU在經(jīng)過以太網(wǎng)之后，與骨干網(wǎng)之間進(jìn)行連接，并通過光纖與RRU之間進(jìn)行連接。因?yàn)镽RU站之間的距離非常大，最大可以達(dá)到1 300多m，在對(duì)設(shè)計(jì)余量進(jìn)行深度分析之后，地鐵3號(hào)線參照單個(gè)RRU覆蓋不超出1 200 m的設(shè)置原則，來完成對(duì)BBU以及RRU的布置工作。

2.4 車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

車載網(wǎng)絡(luò)主要由駕駛室網(wǎng)絡(luò)與車尾駕駛室網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分共同組合而成。具體如圖4所示，車頂鯊魚鰭天線、車載TAU以及交換機(jī)等，共同組合形成一套單端駕駛室網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。針對(duì)這些所涉及的車載設(shè)備而言，可以利用兩個(gè)彼此獨(dú)立存在的以太網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)有效連接，在此基礎(chǔ)上形成CBTC數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)。當(dāng)完成以上操作之后，如果車載設(shè)備出現(xiàn)了單端故障問題，車地?zé)o線通信依然可以順利完成各項(xiàng)工作，并滿足一定的可靠性，不會(huì)對(duì)列車正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

2.5 時(shí)鐘同步

關(guān)于TDD雙工方式，主要是通過時(shí)分設(shè)計(jì)控制通道來完成上傳與下載等工作，從而對(duì)時(shí)鐘同步有著非常高的要求。地鐵3號(hào)線項(xiàng)目在進(jìn)行中，LTE網(wǎng)絡(luò)主要將GPS作為第一時(shí)鐘方案，將IEEE1588V2作為備選時(shí)鐘方案。如果是在主時(shí)鐘源與輔時(shí)鐘源出現(xiàn)故障的情況下，eNodeB可以將內(nèi)部時(shí)鐘作為同步時(shí)鐘源，從而可以保證一天之內(nèi)時(shí)鐘的同步進(jìn)行[2]。

3 LTE系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 漏纜合設(shè)優(yōu)化方案

地鐵3號(hào)線項(xiàng)目，受到部分區(qū)域線路曲線較高因素的影響，造成CBTC-B網(wǎng)與800 M專用無線通信系統(tǒng)同時(shí)使用一根漏纜。

在具體的優(yōu)化過程中，首先可以將目標(biāo)放在頻率硬隔離上，但是，在同一漏纜當(dāng)中，兩種信號(hào)在物理層面上不能很好地隔離，另外，受到漏纜合設(shè)的影響，在一定程度上增加故障排查工作難度，進(jìn)而降低實(shí)際的工作效率。針對(duì)這種現(xiàn)象，后期施工過程中，在土建階段就需要對(duì)漏纜敷設(shè)需求進(jìn)行全面了解，才能對(duì)LTE系統(tǒng)A/B雙網(wǎng)信號(hào)傳輸與其他網(wǎng)絡(luò)傳輸漏纜的輻射留出相應(yīng)的安裝空間。

另外，因?yàn)槭艿铰├|合設(shè)的影響，導(dǎo)致合路器數(shù)量以及種類不斷增加，引發(fā)出更多的斷點(diǎn)故障問題。針對(duì)這種現(xiàn)象，在具體的優(yōu)化過程中，應(yīng)該選擇使用品牌以及型號(hào)一致的合路器，為后期備件管理以及維護(hù)等工作開展奠定良好的基礎(chǔ)條件，在面對(duì)容易出現(xiàn)斷點(diǎn)故障的設(shè)備時(shí)，及時(shí)將相應(yīng)的維護(hù)管理工作進(jìn)行全面落實(shí)。

3.2 同層換乘抗干擾優(yōu)化方案

當(dāng)兩條線路共同使用LTE技術(shù)時(shí)，其使用頻率也是一致的，針對(duì)這種現(xiàn)象，在同層換乘的情況下，經(jīng)常會(huì)面臨同頻干擾問題的產(chǎn)生，要想解決這一問題，主要可以通過以下兩種方式來進(jìn)行：

第一，空間隔離。結(jié)合該市地鐵2號(hào)線同層換乘抗干擾解決方案進(jìn)行分析，在最初的設(shè)計(jì)階段中，將抗干擾列入考量范圍當(dāng)中，同時(shí)在站臺(tái)預(yù)留出足夠的寬度與空間，基于物理層面進(jìn)行考慮，可以防止換乘的兩條線路同頻傳輸信號(hào)之間出現(xiàn)干擾問題，具體如圖5所示。

地鐵4號(hào)線LTE信號(hào)在達(dá)到2號(hào)線軌道時(shí)，其信號(hào)會(huì)逐漸衰減，信號(hào)發(fā)射功率最大的基礎(chǔ)上，兩層屏蔽門穿透損耗+13 m傳播功率。

1.8 GHz電磁波在面對(duì)1 cm玻璃時(shí)，相當(dāng)于一層屏蔽門的厚度，其穿透損耗一般是在5 dB左右[3]。

13 m傳播損耗=20 log（13 m/2 m）=17.5 dB

如果是在比較特殊的情況下，當(dāng)兩個(gè)屏蔽門同時(shí)處于打開狀態(tài)時(shí)，載干比下降到17.5 dB，在此基礎(chǔ)上也能達(dá)到LTE同頻共存信噪比要求。

第二，頻率隔離。另外，在實(shí)際的測試過程中，如果出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，可以在站臺(tái)區(qū)域?qū)︻l率進(jìn)行充分利用，在此基礎(chǔ)上形成一定的隔離效果。具體如圖6所示，如果在F1處設(shè)置10 MHz頻率，那么在F2與F3處可以設(shè)置兩個(gè)5 MHz異頻，F(xiàn)2與F3所覆蓋的半徑要超出站臺(tái)長度，F(xiàn)1屬于正常半徑的小區(qū)域。

4 結(jié)語

該文主要對(duì)某市地鐵3號(hào)線的TD-LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對(duì)車地?zé)o線通信的承載業(yè)務(wù)需求、組網(wǎng)架構(gòu)以及抗干擾對(duì)策等進(jìn)行了深入分析，將LTE車地?zé)o線通信技術(shù)應(yīng)用于地鐵信號(hào)系統(tǒng)中，可以發(fā)揮出非常明顯的優(yōu)勢，不但具有非常強(qiáng)的抗干擾性，同時(shí)還具有非常強(qiáng)的移動(dòng)適應(yīng)性，其覆蓋面積非常廣泛，受到相關(guān)行業(yè)的高度重視。

參考文獻(xiàn)

[1]呂興瑞，趙瑩瑩.CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信技術(shù)研究[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（3）：4-6+10.

[2]薛灝勣.關(guān)于無線通信干擾和抗干擾技術(shù)分析[J].數(shù)字通信世界，2021（9）：137-138+150.

[3]李強(qiáng)，賀燎燎.基于LTE的車地?zé)o線通信技術(shù)在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（16）：240-242.