地铁车地无线通信技术与案例分析

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【摘要】城轨列控系统车地无线通信方式是目前研究和应用的热点，为保证城市轨道交通列控系统的正常运行，车地无线通信至关 重要，之前地铁系统采用 WLan 的无线接入方式，随着移动技术的发展，TD-LTE 技术越来越多地应用在城轨 CBTC 系统中。基于此， 本研究在简述 LTE 车地无线通信技术的基础上，从信号覆盖角度和抗干扰角度进行了案例分析，并提出了相应的建议，以希望能够为 城市轨道交通的安全可靠运行提供借鉴。

【关键词】LTE网络技术；城市轨道交通CBTC；无线通信网络

前言：

LTE技术作为城市轨道交通列车车地无线通信的主要技术越来越广泛地应用在城轨CBTC系统上，与以往的WLAN技术相比具有抗干扰性强、安全可靠的优点。LTE无线系统除了符合一般电磁抗扰限值和测量标准外，还考虑了与其他系统电磁兼容，同时，还考虑了对无线系统的恶意干扰采取相应的防范措施，LTE无线网络的物理层/数据链路层/IP网络应用层基于3GPP标准，在物理层采用1.8GHz频段，应用层协议与IP承载协议兼容，车载通过IEEE802.3标准定义的以太网协议接口同车载各个设备进行有线连接。

一、LTE网络架构和功能

采用LTE独立双网架构—A网和B网，为了保证城轨CBTC车地信息的可靠传送，CBTC业务系统对相同的信息在发端采用发送2份数据的方式，在接收端同样获取2份数据，并且只要接收到其中的1份正确数据后就可以正确获取车地信息。A/B无线双网确保在轨旁由双网络实现无线信号冗余覆盖，网内采用同步组网，A/B网分别采用不同的频段f1和f2，仅需要2个频点。A无线网络和A核心网组成可以实现端到端通信的LTE-A网络，B无线网络和B核心网组成可以实现端到端通信的LTE-B网络，无线网络共用漏缆进行无线信号覆盖，如下图所示：

1.1QoS保障

利用LTE网络的QoS保障机制，可以为CTBC业务分配了最所需要的优先级，采用E2E的QoS方案（空口，传输等）在准入、拥塞等各场景充分保证CTBC业务的时延、丢包率和速率要求，为后续的业务扩展建立基础。在网络分段上，LTE网络分为无线、核心网和业务网络，各网段保证各自的QoS所对应QoS的分段控制。

1.2可靠性保障

在LTEforRail网络建设中，最为关注的就是网络整体的可靠性，需要确保单点故障不能影响整个网络通信业务。单网元故障包括服务小区或者eNB、或者服务核心网EPC、或者传输链路故障。为此，设计出LTE系统的可靠性增强解决方案，在组网架构可靠性、传输可靠性和设备可靠性等3个层次，分别采用冗余备份等机制提高LTE系统的整体可靠性。（1）网络可靠性采用A、B两套完全独立的网络，包括物理链路与设备。A/B核心网设备分别部署在控制中心和备用控制中心。CBTC业务前后端车载设备的无线装置同时各接入A、B网络，CBTC消息通过A、B网络同时冗余发送到地面业务中心。基站设备冗余配置，部署在各个设备集中站，通过不同交换机接入A、B网络。在每列车的车头、车尾各设置1套车载LTE设备。从上述描述可以看出，在单网故障状态下，由于CBTC数据传输业务采用双网冗余传输，所以CBTC由正常工作的网络完成，单网故障状态下不影响CBTC业务正常工作。（2）设备可靠性城轨车地无线传输平台，无论从网络覆盖、签约用户数，还是吞吐量，都远远小于电信运营商的无线网络规模，因此在实际部署中，采用高可靠性的紧凑型核心网即可满足城轨车地无线传输平台的需求。例如：eCore就是一款通过集成MME、S-GW、P-GW、HSS、PCRF功能单元实现紧凑型的LTE核心网设备，部署相对灵活方便。

1.3丰富的告警管理

在LTE基站、核心网和传输链路等异常时，网管可以提供丰富的故障告警种类和多种通知手段，通知维护人员采取有效措施，恢复网络的正常运行。

二、无线网络规划

车地通信网络主要承载CBTC业务，CBTC对于网络的可靠性以及抗干扰能力要求高，因为CBTC业务安全运行至关重要。为了减少干扰，LTE网络选择专用频段，同时利用专有抗干扰技术降低其他无线信号的对车地通信网络的影响，进而降低对地铁业务的影响。整个网络采用双网冗余设计方案，A/B网从核心网、接入网到终端都用两套独立设备，用来提高系统的可靠性。

2.1无线频点的选择

TD-LTE可按1.8G频段（1790MHz～1800MHz）考虑，A网可按5MHz（1790MHz～1795MHz）载频带宽同频组网，B网可按5MHz（1795MHz～1800MHz）载频带宽同频组网。

2.2无线覆盖设计

城市轨道交通所有正线、折返线、渡线、停车线、出入段/场线、车辆段/停车场自动化区域及试车线等处均安装轨旁设备、实现无线网络覆盖、满足车地双向连续通信的要求。隧道覆盖基于TD-LTE技术方案在车站应设置基站（BBU）设备和射频单元（RRU），BBU设置于车站弱电综合设备室，RRU设置于隧道壁靠近漏缆位置，将无线信号送入漏缆中，实现隧道内覆盖；RRU通过射频线缆分别连接到左右两侧的漏缆上，如果车站间距大于相邻车站RRU的覆盖能力，在隧道中间采用将RRU拉远到隧道中进行覆盖。地面覆盖地面采用漏缆覆盖，如果没有漏缆布设条件，也可采用基站加定向天线进行定向覆盖。基站的两个端口输出经过合路，分别连接到双极化天线的两个端口，不同网络经过合路后采用同一个天线。如果是需要覆盖基站两侧的情况，则每端口功分后，连接两个方向天线的端口。折返线覆盖多条轨道在一个大的隧道中，列车可能距离漏缆较远，这时信号强度会变弱。这个场景在链路预算上需要增加考虑隧道的宽度因子。型槽覆盖U型槽是隧道车辆段中间的过渡区段，该方案既有隧道覆盖又有地面覆盖。如果使用漏缆覆盖，从隧道到地面覆盖没有影响。车辆段和停车场覆盖车辆段和停车场均有雨棚，主要有运用库和列检库，采用室内定向天线方式进行覆盖。

2.3抗干扰设计

TD-LTE系统内干扰主要来自于同频邻区干扰，需考虑同向隧道中前后同频邻区间的干扰及位于车站两侧双隧道的两个小区的相互干扰。同频干扰分析及对策系统内小区间的同频干扰会对小区吞吐量、覆盖产生影响。需要考虑同向隧道中前后同频邻区间的干扰及位于车站两侧双隧道的两个小区的相互干扰。下面分析两类同频干扰的严重性及抗干扰方案。（1）车站两侧双隧道的两个小区的相互干扰按照Keenan－Motley传播模型估算车站两侧小区的同频隔离度：（f为工作频率；D为手机到天线距离；P为墙壁损耗参考值，W为墙壁数目）位于车站两侧小区信号隔离度＝PL2与PL1之差必须满足上下行的隔离度需求。（2）同向隧道中前后同频邻区间的干扰前后邻区同频，在小区边缘信噪比最差可达到0db，所以如果不采取抗同频干扰的措施，小区边缘的上下行干扰很严重，SINR很低，不能满足业务的速率需求。 电磁干扰分析及对策LTE车地数据传输设备的工作频率的选择和分配能防护牵引电流的干扰，不受车辆载波器、变流器、接触网在无岔和有岔区受流发生变化所产生的电磁干扰以及钢轨回流不平衡等产生的谐波影响，保证信息可靠地传送。

三、案例分析

例如某城轨场段目前存在的问题——同场共址场段，针对此类问题按照传统的LTE频段划分，承载CBTC业务的A/B网采用5M+5M的双网方案，但是在多线共址场段，由于各条线路车库、咽喉区、出入段线、试车线相隔过近，存在较多两线相邻、交汇的区域，如果三条线路都采用相同频率的5M+5M双网方案，不可避免将存在严重的同频干扰，影响信号系统车地无线网络正常运行。同场共址段/场无线覆盖解决方案同场共址段/场、同站台换乘车站，特别是两线共线段距离近，都会存在LTE同频干扰的问题，需要提高网络之间隔离度来达成多个网络和谐共存。从技术上来讲，可以通过空间隔离、频率隔离、互联互通三种方案，来解决LTE同频干扰的问题。（1）空间隔离方案。在两条线路相邻/交汇区域，无线频率完全复用，假设申请到10MHz频率，线路1和线路2都采用相同的5MHz+5MHz的A/B网组网方案。两线相邻/交汇区域之间如果相隔很近，将存在较强同频干扰，需要采用一定的工程措施（如墙体隔离、空间距离）来保证两条线路的无线网络隔离度满足要求。（2）频率隔离。线路1和线路2在相邻/交汇区域频率错开，单条线路采用1.4M+1.4M或3M+3M小带宽双网方案。（3）互联互通。交汇/相邻区域仅由线路1的无线基站覆盖，线路1和线路2的LTE核心网互联互通。线路2的车辆进出此区域进行2次跨核心网的漫游切换，切换时间在500ms以内，满足CBTC数据中断时延要求。

四、总结：

针对目前应用在城轨CBTC系统车地无线通信TD-LTE技术的先进性和优势，仍然需要在实际网络规划设计过程中对于出现的这样或那样的问题进行分析研判，制定相应的解决方案，确保列车控制信号进行有效传输的可靠性和安全性，随着LTE技术越来越多地应用在城轨车地无线通信系统中，相对技术也会越来越成熟，高可靠性和高安全性的优点能够充分发挥出来，确保城轨的安全可靠运行。

参考文献

[1]《TD-LTE数字蜂窝移动通信网Uu接口物理层技术要求（第一阶段）》（YD/T2560/2561/2562—2013）

作者：尹万晨 单位：北京现代通号工程咨询有限公司