鐵路TDD LTE 無(wú)線通信接入及多網(wǎng)并行探討

樊智偉

（國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)鐵道事業(yè)的迅速發(fā)展、鐵路行業(yè)功能的拓展和延伸，單純的專網(wǎng)接入已不能滿足鐵路行業(yè)對(duì)行車質(zhì)量及服務(wù)質(zhì)量的要求。在鐵路原有的專網(wǎng)接入模式下，探索專網(wǎng)與公網(wǎng)融合，甚至多網(wǎng)融合，才能順應(yīng)科技發(fā)展的潮流，優(yōu)化頂層設(shè)計(jì)，進(jìn)一步創(chuàng)新改進(jìn)鐵路運(yùn)行模式，提升服務(wù)質(zhì)量。

1 4G LTE 無(wú)線通信技術(shù)在鐵路的運(yùn)用

目前，4G LTE 無(wú)線通信技術(shù)已在鐵路行業(yè)廣泛運(yùn)用。具體運(yùn)用方式為：LTE 核心網(wǎng)EPC 及LTE 接入網(wǎng)E-UTRAN 內(nèi)部通過(guò)X2 接口、S1 接口互聯(lián)，提供網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)平臺(tái)支撐，同時(shí)接入鐵路數(shù)字調(diào)度主、分系統(tǒng)及CIR 一體化電臺(tái)、列尾排風(fēng)、無(wú)線重連、語(yǔ)音及視頻監(jiān)控等車載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車站、機(jī)車、調(diào)度三方高效聯(lián)控。

與傳統(tǒng)2G、3G 網(wǎng)絡(luò)相比，LTE 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加趨于扁平設(shè)計(jì)，不僅增加了組網(wǎng)的靈活性，而且降低了組網(wǎng)成本，同時(shí)在極大程度上減少了用戶數(shù)據(jù)和控制信令的傳輸時(shí)延。LTE 網(wǎng)絡(luò)之所以能夠高效、精準(zhǔn)地進(jìn)行信號(hào)覆蓋，除了獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高新集成的分組核心功能之外，還得益于UMTS 框架下，UE 用戶設(shè)備終端無(wú)線天饋系統(tǒng)強(qiáng)大的功能性和穩(wěn)定性。而天線和漏纜（天饋系統(tǒng)）作為UE 用戶信號(hào)輸出的終端節(jié)點(diǎn)，其性能好壞、傳輸穩(wěn)定與否，直接從底層設(shè)計(jì)角度影響LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的整體效果。

2 單一漏纜傳輸方式的討論

2.1 鐵路無(wú)線通信特點(diǎn)

漏纜在最初的實(shí)際運(yùn)用和推廣中，在軍事、城市、鐵路等多種領(lǐng)域均有嘗試。但在城市運(yùn)用中，受城市布局密集性、信號(hào)接收發(fā)散性、建筑高低錯(cuò)亂分布等因素的制約，漏纜傳輸一般不適用于城市使用，尤其在信號(hào)發(fā)射及接收方面，漏纜的無(wú)線信號(hào)定向發(fā)射功能并不適用360°圓弧形覆蓋場(chǎng)景。不論是4G 還是5G 無(wú)線技術(shù)，均是利用天線來(lái)達(dá)到信號(hào)全覆蓋的需求。

在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，線長(zhǎng)、點(diǎn)多、面廣是其固有的行業(yè)特質(zhì)。而漏纜的無(wú)線信號(hào)定向輻射功能，正適用于鐵路專用線特有的雙線形、長(zhǎng)距離、既定線路及定向往返的特定運(yùn)輸模式。部分專用線鐵路現(xiàn)在采用的就是基于LTE 網(wǎng)絡(luò)漏纜傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)機(jī)車聯(lián)控、同步操作、行車調(diào)度、列車調(diào)度等專業(yè)性較強(qiáng)的功能。

2.2 泄漏電纜的概念及功能

漏纜是漏泄同軸電纜的簡(jiǎn)稱，通常也稱為泄漏電纜或漏泄同軸電纜，是一種專門(mén)用于泄漏通信無(wú)線信號(hào)的高頻電纜，其本身既具有傳輸信號(hào)功能，又具有無(wú)線發(fā)射功能。其信號(hào)輻射方式是通過(guò)控制外導(dǎo)體開(kāi)口，將受控的電磁波能量沿既定方向均勻地進(jìn)行輻射及接收，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的功能。漏纜具體構(gòu)成及傳輸方式，相關(guān)文獻(xiàn)資料已描述很多，不再贅述。

2.3 單一漏纜傳輸方式優(yōu)缺點(diǎn)

單一漏纜傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)：在山區(qū)、彎道尤其是隧道等特殊地段，受地形遮擋原因，僅利用外置天線無(wú)法達(dá)到信號(hào)全覆蓋的效果。LTE 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋質(zhì)量的穩(wěn)定是列車安全運(yùn)行的首要前提。鐵路線的特定運(yùn)輸模式，決定了列車主、從同步運(yùn)行必須有相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，而漏纜正解決了此問(wèn)題。將漏纜架設(shè)在線路兩端，隨特殊線路地形進(jìn)行對(duì)應(yīng)敷設(shè)，尤其在隧道內(nèi)，將漏纜敷設(shè)在隧道內(nèi)壁進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，既解決了地形遮擋問(wèn)題，又確保了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的定向、穩(wěn)定傳輸。

單一漏纜傳輸方式的缺點(diǎn)：對(duì)于一般普速鐵路而言，鐵路運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，要想實(shí)現(xiàn)LTE 網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，需要雙線平行敷設(shè)與線路等長(zhǎng)的漏纜，但在實(shí)際運(yùn)用中，一方面受漏纜敷設(shè)的材料成本與人力成本的限制；另一方面，考慮到漏纜電氣元件及接點(diǎn)過(guò)多，故障、障礙率發(fā)生頻次較高的問(wèn)題。在空曠、長(zhǎng)距離直線型地段，不建議天饋系統(tǒng)采用敷設(shè)漏纜的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，而推薦以天線來(lái)代替漏纜進(jìn)行LTE 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)定向覆蓋。

2.4 漏纜與天線的組合覆蓋建議

漏纜與天線都屬于LTE 天饋系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，均具有定向輻射網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的功能。根據(jù)鐵路線路架設(shè)特點(diǎn)及既定運(yùn)輸模式要求，結(jié)合上述單一漏纜傳輸優(yōu)缺點(diǎn)，按照“網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)覆蓋、信號(hào)穩(wěn)定傳輸”的安全行車原則，建議采取天線與漏纜相結(jié)合的信號(hào)覆蓋方式，針對(duì)列車運(yùn)行中的不同地形地貌及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，搭建相對(duì)應(yīng)的漏纜與天線相組合的LTE 天饋系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景，既節(jié)約了成本，又增強(qiáng)了信號(hào)覆蓋的穩(wěn)定性，一舉兩得。

3 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式及公網(wǎng)并入實(shí)例分析

3.1 朔黃鐵路隧道內(nèi)現(xiàn)有專網(wǎng)運(yùn)行模式

以朔黃鐵路雙線電氣化重載鐵路為例，其原有運(yùn)輸模式為：LTE 網(wǎng)絡(luò)A、B 網(wǎng)雙網(wǎng)覆蓋，列車主、從同步運(yùn)行，A 網(wǎng)數(shù)據(jù)流向走華為10 G 通道傳輸，B 網(wǎng)數(shù)據(jù)流向走華為2.5 G 通道傳輸。以鐵路特定行車組織方式下，RU 單基站隧道漏纜覆蓋場(chǎng)景（不含外置天線）為例：A、B 網(wǎng)雙網(wǎng)合路后的鐵路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸方向分為上下兩行別及對(duì)應(yīng)大小公里，共4 個(gè)方向，即：上行大公里方向，上行小公里方向，下行大公里方向，下行小公里方向。

隧道內(nèi)列車運(yùn)行LTE 天饋系統(tǒng)常規(guī)的無(wú)線覆蓋場(chǎng)景為：傳輸設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)接口板與BBU UMPT 主控板相連通信，A、B網(wǎng)BBU（基帶處理單元）通過(guò)LBBP 板（基帶處理板）光通道，下掛對(duì)應(yīng)網(wǎng)元的A、B 網(wǎng)RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）。A、B 網(wǎng)RRU 射頻口發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)3DB 電橋合路后，通過(guò)1/2 饋線、7/8 饋纜將各電氣接點(diǎn)進(jìn)行連接，最終通過(guò)漏纜或天線將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行輸出。

RRU 射頻口電氣接電的連接方式，以A 網(wǎng)RRU 出線側(cè)為例，連接方式為：雙網(wǎng)的RRU 射頻口—合路器—室內(nèi)避雷器—室外避雷器—直流阻斷器—天線側(cè)（漏纜或天線），B 網(wǎng)RRU 同理。朔黃鐵路專網(wǎng)LTE 天饋系統(tǒng)（隧道內(nèi)）連接方式見(jiàn)表1。

表1 朔黃鐵路專網(wǎng)LTE 天饋系統(tǒng)（隧道內(nèi)）連接方式

3.2 朔黃鐵路現(xiàn)有公網(wǎng)并接方式

隨著無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展，尤其在無(wú)線信號(hào)異頻、鄰頻合路方面的不斷突破，鐵路應(yīng)急指揮接入及機(jī)車呼叫聯(lián)控的質(zhì)量需求進(jìn)一步提高，專網(wǎng)并接公網(wǎng)合路輸出的鐵路運(yùn)行模式已日趨明顯。

LTE 專網(wǎng)與公網(wǎng)合路并行，是保持原有專網(wǎng)室外饋線連接方式不變，僅改變室內(nèi)RRU 射頻端口合路方式，將不同頻段（射頻）信號(hào)進(jìn)行二次合路，達(dá)到公網(wǎng)與專網(wǎng)信號(hào)融合發(fā)射的效果。以A、B 網(wǎng)0 口與專網(wǎng)合路為例：A 網(wǎng)0 口信號(hào)與公網(wǎng)合路后，輸出信號(hào)再次與B 網(wǎng)0 口信號(hào)合路，二次合路后，即可在上、下行雙方向輸出公網(wǎng)與專網(wǎng)合路信號(hào)。

簡(jiǎn)而言之，就是在RU 射頻信號(hào)輸出端口處，公網(wǎng)（C 網(wǎng)）0口與A 網(wǎng)0 口進(jìn)行合路后的信號(hào)再與B 網(wǎng)0 口進(jìn)行二次合路并輸出，公網(wǎng)（C 網(wǎng)）1 口、A 網(wǎng)1 口與B 網(wǎng)1 口依照同方法也進(jìn)行二次合路輸出，即可達(dá)到上下行、大小公里共四方向的合路信號(hào)覆蓋。

4 鄰頻、異頻信號(hào)合路及干擾的探討

以朔黃鐵路專網(wǎng)與公網(wǎng)并行為例，不同頻段的無(wú)線信號(hào)合路（異頻合路），存在相互干擾，進(jìn)而影響無(wú)線信號(hào)傳輸質(zhì)量及穩(wěn)定性。而在鄰頻系統(tǒng)合路中，這種互相產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象更加明顯。只有克服不同頻段間干擾，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)并行、頻譜高效利用，才能保證無(wú)線信號(hào)穩(wěn)定傳輸。

朔黃鐵路專網(wǎng)與電信的TDD LTE 信號(hào)合路，是在朔黃既有頻段基礎(chǔ)之內(nèi)，隧道內(nèi)使用電信LTE 1.8 G 頻段與既有頻段進(jìn)行合路，隧道外使用電信LTE 2.1 G 頻段與既有頻段進(jìn)行合路。朔黃鐵路雙線電氣化重載鐵路雙網(wǎng)并行頻率指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 雙網(wǎng)并行頻率指標(biāo)對(duì)比

頻段相鄰，如果同時(shí)部署、合路輸出，就可能產(chǎn)生鄰頻干擾。對(duì)于鄰頻系統(tǒng)，可采用鄰頻合路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最小隔離帶寬鄰頻合路。

在異頻合路時(shí)，不需考慮鄰頻合路所涉及的明顯干擾及影響，采用3 db 電橋或5 MHz 隔離帶寬合路器進(jìn)行合路并行即可。

5 專網(wǎng)與公網(wǎng)等多網(wǎng)融合并行的展望

在2G、3G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)制式較少，載波帶寬小，在分配頻率資源時(shí)，充分考慮到了相鄰頻率間的干擾問(wèn)題，在設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)商不同制式時(shí)，通常在運(yùn)用頻率間設(shè)置一定的頻率隔離，將干擾降低到最小。隨著4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)逐步代替模擬信號(hào)，窄帶與寬帶數(shù)字技術(shù)相互融合的趨勢(shì)日趨明顯。LTE 單載波最高可配置20 MHz，使得移動(dòng)通信頻率資源嚴(yán)重緊缺的矛盾變得日益突出。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，要切實(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜的高效利用，降低輻射與干擾的影響，在信號(hào)合路后，依然保持穩(wěn)定及安全的傳輸速率。未來(lái)，尋求頻譜利用最優(yōu)解，提高無(wú)線信號(hào)合路的有效性和安全性并降低風(fēng)險(xiǎn)性是未來(lái)需要深入探討和研究的方向。