城市軌道交通信號系統(tǒng)LTE技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳景誠

（江西路通科技有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

城市軌道交通信號系統(tǒng)目前主要應(yīng)用在通信系統(tǒng)中，作為基礎(chǔ)的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)（CBTC），組成的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)通信以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，技術(shù)水平較高，屬于現(xiàn)代化列車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)并不是以軌道電路作為基礎(chǔ)運(yùn)行的，而是通過自由空間無線技術(shù)、交叉感應(yīng)環(huán)線等實(shí)現(xiàn)通信。CBTC 系統(tǒng)是目前列車控制的主要系統(tǒng)，是核心技術(shù)，所以對于無線通信性能、穩(wěn)定性方面有著較高要求。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道分析，地鐵信號系統(tǒng)在工作中受到乘客的移動(dòng)Wi-Fi 信號干擾，造成多趟列車無法正常通行。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，以LTE 技術(shù)為基礎(chǔ)建設(shè)的車-地通信技術(shù)方案成為首選，并且在我國的軌道交通領(lǐng)域中建設(shè)和運(yùn)營，大大提升地鐵信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性。

1 LTE 技術(shù)在信號系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

CBTC 業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)全面的列車控制，是目前保持地鐵列車正常工作的關(guān)鍵。LTE 車-地?zé)o線系統(tǒng)在系統(tǒng)單點(diǎn)故障的情況下，依然可以保持無線通信正常工作。因此，LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用紅、藍(lán)雙網(wǎng)冗余架構(gòu)，而紅、藍(lán)網(wǎng)是單獨(dú)工作的，在通信時(shí)利用冗余的紅、藍(lán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，并且信息經(jīng)過CBTC 系統(tǒng)處理，從而構(gòu)建雙向通道，達(dá)到信息傳輸穩(wěn)定性、安全性的要求。

2 LTE 技術(shù)的車-地?zé)o線系統(tǒng)組成分析

中心設(shè)備：在控制中心或者車輛段布置核心網(wǎng)、無線網(wǎng)等設(shè)備，利用信號傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)車站的穩(wěn)定連接。通過構(gòu)建LTE 技術(shù)系統(tǒng)，將線路、設(shè)備狀態(tài)、移動(dòng)授權(quán)等方面的信息傳輸?shù)杰囕v的設(shè)備上，從而可以快速地掌握具體的車輛行駛狀態(tài)、所在位置、通行速度等信息，以確保車站可以穩(wěn)定地控制，形成完善的信號系統(tǒng)。

車站設(shè)備：在車站內(nèi)，通過設(shè)置有無線基站（BBU）可以實(shí)現(xiàn)信號集中處理，LTE 基站（RRU）經(jīng)過光纖直接和車站的BBU 連接，并構(gòu)建無線通信連接系統(tǒng)，才能達(dá)到地鐵車輛信號的有效應(yīng)用。

軌旁設(shè)備：RRU、合路器、電纜、天線、光纖等。

車載設(shè)備：車輛上安裝有LTE 車載單元，布置兩套車載天線，分別在紅、藍(lán)網(wǎng)上，同時(shí)和車載信號系統(tǒng)連接使用。

3 LTE 在信號系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

3.1 LTE 傳輸媒介方案

建設(shè)LTE 無線通信系統(tǒng)，需要通過應(yīng)用天線、漏纜等組合形成完善的通信系統(tǒng)。隧道內(nèi)部的無線通信通常采用漏纜方式；高架最好選擇漏纜，條件不足則應(yīng)用定向天線；停車場或者車輛段通常可以應(yīng)用定向天線，也可以采用室內(nèi)分線的方式。針對LTE 車-地?zé)o線通信會(huì)應(yīng)用單漏纜或者雙漏纜實(shí)現(xiàn)覆蓋，具體吞吐率見表1。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，單漏纜較之雙漏纜的吞吐率較低，差值受到信噪比影響。雙漏纜主要是通過將紅、藍(lán)雙網(wǎng)冗余處理，通信系統(tǒng)更加穩(wěn)定；單漏纜并不冗余，如果發(fā)現(xiàn)漏纜損壞，極易造成雙網(wǎng)無法工作。因此，如果隧道內(nèi)空間符合要求，可以采取雙纜的方式，并且將線路間距控制在300mm 以上。

表1 單漏纜雙漏纜吞吐率比

項(xiàng)目時(shí)隙/子幀配比位置近基站吞吐率/Mbps寬帶5M SMA/SSP7雙漏纜7.9 3.5 5.2 1.2基站邊緣上下行下行上行下行上行單漏纜15.4 3.8 6.3 1.4

3.2 車載天線方案

結(jié)合不同的安裝部位特點(diǎn)、安裝方式，還要考慮到LTE 傳輸媒介以及場景等要素，選擇合適的車載天線方案，目前主要是車頂天線與車底天線，如圖2、3所示。符合下述安裝要求：其一，車頂天線采用的是魚鰭天線形式，安裝間距在1000mm 以上。魚鰭天線的安裝方向與車輛的行駛方向是一致的，并且保持和下部的軌道平行狀態(tài)，以達(dá)到通信效果的要求。其二，車底天線形式采用的是雙極化平板天線，對于安裝條件有較高的要求，在70范圍內(nèi)不能有任何遮蓋物，且要確保安裝的部位上最低點(diǎn)和軌道面的距離在500mm 以上。根據(jù)不同的使用空間，選擇不同的天線形式，對于隧道、停車場等空間主要采用車頂天線，而高架、折返線等主要采用車底天線。這兩種天線是利用合路器直接連接TAU。在項(xiàng)目中，正線為全隧道的形式，可以選擇車頂天線；而高架應(yīng)用漏纜方式覆蓋，結(jié)合實(shí)際需要選擇車頂天線或者車底天線都可。

圖2 車頂天線安裝示意圖

圖3 車底天線安裝示意圖

3.3 LTE 基站（RRU）布置方案

RRU 在布置時(shí)，必須確保整個(gè)軌道線路通行的無線通信都要滿足信號傳輸?shù)囊?，結(jié)合CBTC 業(yè)務(wù)應(yīng)用的要求，考慮到傳輸速率，根據(jù)需要確定天線的覆蓋距離，從而達(dá)到信號傳輸?shù)囊?。在漏纜線路的設(shè)計(jì)中，其安裝的距離、最大線路損耗設(shè)置主要是受到CBTC 覆蓋范圍內(nèi)信號強(qiáng)度參數(shù)影響，以達(dá)到正常的標(biāo)準(zhǔn)為合格。在設(shè)計(jì)中，假設(shè)間隔100m 的距離會(huì)出現(xiàn)4dB 的參數(shù)影響，得出的計(jì)算結(jié)果就是RRU 的單項(xiàng)覆蓋范圍，即600～800m 之間，一般會(huì)預(yù)留70～100m 作為切換帶，所以RRU 的傳輸距離在1200m 左右。在設(shè)計(jì)天線覆蓋區(qū)域時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過重點(diǎn)計(jì)算設(shè)計(jì)余量、天線角度偏差等，合理地預(yù)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境特點(diǎn)，最小覆蓋半徑一般是483m。如果現(xiàn)場環(huán)境良好，按照自由空間模型計(jì)算方式，其覆蓋范圍可設(shè)定為1km 左右；在高架線路設(shè)計(jì)中，相鄰RRU 點(diǎn)位的設(shè)置時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的車站分布、線路走向的方面考慮，優(yōu)先確保系統(tǒng)內(nèi)信號覆蓋范圍，不能設(shè)定在相鄰的小區(qū)切換帶范圍內(nèi)；如果線路是直線路段，則設(shè)定基站距離在1200～1400m 為最佳；如果線路有轉(zhuǎn)彎，則結(jié)合實(shí)際情況做出調(diào)整，達(dá)到信號傳輸強(qiáng)度即可。在停車場、車輛段的覆蓋范圍，結(jié)合天氣條件和環(huán)境確定，并合理處理與周邊信號的關(guān)系，不會(huì)有嚴(yán)重信號干擾的情況，保持信號傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。

3.4 LTE 時(shí)鐘同步的方案

應(yīng)用LTE 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)軌道信號系統(tǒng)的傳輸和控制。在系統(tǒng)工作時(shí)，必須確保每個(gè)沿線內(nèi)的基站時(shí)鐘是同步的，否則，會(huì)造成LTE 系統(tǒng)不能達(dá)到通信的要求，對車輛的正常通信和使用帶來負(fù)面的影響。LTE 基站時(shí)鐘同步應(yīng)用的是GPS 時(shí)鐘同步方案，優(yōu)勢是精度高、速度快，是最具可靠性的同步方案。采用GPS 時(shí)鐘同步方案，車輛通行系統(tǒng)的每個(gè)BBU 都要布置一臺(tái)GPS 天線。每個(gè)信號基站都要設(shè)置2～8 個(gè)天線，尤其是設(shè)置室外天線時(shí)，必須保持視野開闊、周邊無遮擋物且有避雷設(shè)施，達(dá)到信號傳輸穩(wěn)定、安全性要求。室內(nèi)線路應(yīng)保持和BBU 饋線連接，室內(nèi)設(shè)備通常和GPS 天線有較大的距離，只要饋線間距在150m 以上，應(yīng)布置放大器。因此，應(yīng)用GPS 時(shí)鐘同步方案有較大的優(yōu)勢，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。但是在城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)，使用GPS 時(shí)鐘同步方案有較高的難度，且在車站周邊安裝天線，對美觀性產(chǎn)生負(fù)面影響。以1588V2 時(shí)鐘同步方案為基礎(chǔ)，通常要設(shè)置主備冗余方案，控制中心、車輛段分別布置一套該系統(tǒng)服務(wù)器，將其直接接入紅、藍(lán)線路，達(dá)到時(shí)鐘同步的效果。這種時(shí)間同步方案和GPS 時(shí)鐘同步方案是基本相同的，都能夠達(dá)到LTE 時(shí)鐘同步的標(biāo)準(zhǔn)，而成本更低，系統(tǒng)也更為簡單，操作與維護(hù)更加方便。因此，目前城市軌道交通系統(tǒng)的LTE 時(shí)鐘應(yīng)用1588V2 時(shí)鐘同步方案可以達(dá)到應(yīng)有的效果。

3.5 試車線和正線LTE 網(wǎng)絡(luò)部署方案

試車線的作用是進(jìn)行車輛調(diào)試以及試驗(yàn)應(yīng)用。在新車投入使用之前或者車輛檢修完畢后，都必須進(jìn)入試車線進(jìn)行全面檢查，主要是了解功能、通行狀態(tài)、信號傳輸?shù)那闆r，各方面指標(biāo)符合要求后，才能正式投入運(yùn)營。檢測CBTC 車-地?zé)o線功能是試車線的重要工作。試車線與正線的信號系統(tǒng)都是單獨(dú)控制的，所以在很多情況下，車輛上的設(shè)備與正線、車輛段是分開布置的。為了在這種工作條件下，保持系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，選擇使用的LTE 核心網(wǎng)絡(luò)方案有如下兩種：

3.5.1 獨(dú)立核心網(wǎng)方案

如果將正線、試車線分別單獨(dú)設(shè)置為核心網(wǎng)設(shè)備的方式，并不會(huì)存在相互影響的情況。這一方案在車輛進(jìn)出試車線時(shí)，應(yīng)進(jìn)行LTE 網(wǎng)絡(luò)切換處理。因?yàn)樵囓嚲€和正線是隔離設(shè)置的，所以車輛中的無線終端幾乎收不到無線信號。如果試車線、車輛段全部應(yīng)用平板天線實(shí)現(xiàn)覆蓋的方式，車輛段與試車線并不能達(dá)到通信的需要。在這樣的情況下，應(yīng)用單獨(dú)的核心網(wǎng)方案，需要做下述處理：

（1）試車線全部應(yīng)用漏纜覆蓋處理，并結(jié)合具體的線路段的情況調(diào)整RRU 發(fā)射功率，使得這一線路不會(huì)對正線、車輛段造成干擾。

（2）車輛段出入先應(yīng)用漏纜無線覆蓋，一般只能在正線和車輛段分界線上實(shí)現(xiàn)，且這是整個(gè)小區(qū)邊緣部位，滿足試車線通信系統(tǒng)工作的需要。

（3）咽喉區(qū)不覆蓋無線信號，為正線、試車線通行留有足夠的空間。

（4）試車線、正線之間如果移動(dòng)到規(guī)定部位，應(yīng)重啟TAU，確保系統(tǒng)化，使得TAU 接入的網(wǎng)絡(luò)信號是最強(qiáng)的。

3.5.2 共用核心網(wǎng)方案

試車線在設(shè)計(jì)時(shí)，不需要再設(shè)置LTE 的核心網(wǎng)。在正線、車輛段出入部分，一般會(huì)將距離比較近的線路在無線網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置為鄰區(qū)，車輛終端應(yīng)確保試車線在規(guī)定范圍內(nèi)的信號超出目前小區(qū)2dB，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)整和更換更加方便。正線的CBTC 系統(tǒng)和試車線的CBTC 系統(tǒng)是分開設(shè)置的，不會(huì)因?yàn)檐?地通信共用核心網(wǎng)絡(luò)造成影響。當(dāng)前上述兩種方法都已經(jīng)全面應(yīng)用，方案對比可見表2。共用核心網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，干擾因素較少，且不會(huì)受到安裝位置、線路設(shè)置的影響；獨(dú)立核心網(wǎng)更具安全性，滿足運(yùn)營的要求。因此，在設(shè)計(jì)中，選擇方案要綜合考慮場地、運(yùn)營等方面，以確定最佳方案。

表2 兩種方案的對比表

項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃投資安全性靈活性無線干擾獨(dú)立性運(yùn)營維護(hù)量共用核心網(wǎng)簡單合適獨(dú)立核心網(wǎng)簡單較高高高高低干擾少干擾多弱少強(qiáng)多

3.6 天線覆蓋方案

信號系統(tǒng)的車-地?zé)o線覆蓋區(qū)域比較多，應(yīng)結(jié)合不同區(qū)域，選擇合適的覆蓋方案，具體如下。

3.6.1 地下線路

無線覆蓋一般應(yīng)在地下線路中應(yīng)用漏纜覆蓋的方式，左、右線路都要設(shè)置兩根信號系統(tǒng)LTE 漏纜，通常不會(huì)超出車頂?shù)母叨取Ｈ绻淼纼?nèi)部空間設(shè)置漏纜數(shù)量較多，可以將LTE 漏纜安裝到最上部的位置，并且與其他漏纜保持300mm 以上的間距。如果漏纜需要穿越人防門、防淹門、隔離開關(guān)等設(shè)施，則采用饋線跳接的方式。在折返線、行車線的部位上，應(yīng)保持和正線無隔墻的布置方式，車載天線應(yīng)和漏纜距離較遠(yuǎn)。如果正線之間布置隔墻的結(jié)構(gòu)，紅、藍(lán)漏纜使用一分二分器把漏纜分為兩路，一路直接和正線漏纜連接，另外一路則連接折返線、存車線漏纜。

3.6.2 地面/高架線路

地面/高架線路通?？梢允褂寐├|或者天線覆蓋的方式，在覆蓋區(qū)域內(nèi)，對于左、右線路的基站應(yīng)采取小區(qū)合并的方式，避免出現(xiàn)同頻干擾的問題。一是漏纜覆蓋方式。一般可以將漏纜設(shè)置在疏散平臺(tái)下部弱電電纜支架上，其高度不能超出車載平板天線，通常在軌道面以上500mm 左右的位置上。二是天線覆蓋方式。在現(xiàn)場安裝立桿架，并應(yīng)用背靠背天線布置方式。高架橋線路一般都會(huì)采取左、右線路的設(shè)計(jì)方式，確保其可以有效地覆蓋整個(gè)信號傳輸區(qū)域。為了能夠使得系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定性、安全性的標(biāo)準(zhǔn)，一般在每個(gè)點(diǎn)位上的紅、藍(lán)網(wǎng)基站以及天饋系統(tǒng)單獨(dú)安裝系統(tǒng)，不會(huì)有干擾因素存在。

3.6.3 停車場/車輛段

在停車場/車輛段室外咽喉區(qū)、出入段的線路周邊區(qū)域內(nèi)，一般布置1～2 個(gè)紅、藍(lán)網(wǎng)基站，達(dá)到信號覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)要求。列檢庫區(qū)應(yīng)布置單獨(dú)的2～3 對紅、藍(lán)基站，一般應(yīng)用室分方式覆蓋，可以覆蓋多個(gè)小區(qū)，保持列車接入量合格。在列車出入庫室外分界的部位上，應(yīng)用共小區(qū)覆蓋的方法，一個(gè)小組覆蓋室外過渡區(qū)域，避免因?yàn)榄h(huán)境改變而出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題。

3.6.4 試車線

了解試車線的工作情況，根據(jù)要求采用漏纜的方式，也可以選取天線覆蓋的方法。

4 結(jié)語

城市軌道交通信號系統(tǒng)是保持列車通行安全性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵。目前，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對LTE 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，提高通信系統(tǒng)效果，完全可以滿足CBTC 業(yè)務(wù)通行的要求，達(dá)到安全、穩(wěn)定、可靠、高速的標(biāo)準(zhǔn)，是目前最佳的信號傳輸方案。未來以LTE 技術(shù)為基礎(chǔ)建設(shè)的城市軌道交通信號系統(tǒng)必然更具穩(wěn)定性，發(fā)展速度也會(huì)大幅提高，完全符合我國軌道交通通行的要求。