地鐵車地?zé)o線通信技術(shù)與案例分析

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【摘要】城軌列控系統(tǒng)車地?zé)o線通信方式是目前研究和應(yīng)用的熱點，為保證城市軌道交通列控系統(tǒng)的正常運行，車地?zé)o線通信至關(guān) 重要，之前地鐵系統(tǒng)采用 WLan 的無線接入方式，隨著移動技術(shù)的發(fā)展，TD-LTE 技術(shù)越來越多地應(yīng)用在城軌 CBTC 系統(tǒng)中?；诖?， 本研究在簡述 LTE 車地?zé)o線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，從信號覆蓋角度和抗干擾角度進(jìn)行了案例分析，并提出了相應(yīng)的建議，以希望能夠為 城市軌道交通的安全可靠運行提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；城市軌道交通CBTC；無線通信網(wǎng)絡(luò)

前言：

LTE技術(shù)作為城市軌道交通列車車地?zé)o線通信的主要技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在城軌CBTC系統(tǒng)上，與以往的WLAN技術(shù)相比具有抗干擾性強(qiáng)、安全可靠的優(yōu)點。LTE無線系統(tǒng)除了符合一般電磁抗擾限值和測量標(biāo)準(zhǔn)外，還考慮了與其他系統(tǒng)電磁兼容，同時，還考慮了對無線系統(tǒng)的惡意干擾采取相應(yīng)的防范措施，LTE無線網(wǎng)絡(luò)的物理層/數(shù)據(jù)鏈路層/IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，在物理層采用1.8GHz頻段，應(yīng)用層協(xié)議與IP承載協(xié)議兼容，車載通過IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的以太網(wǎng)協(xié)議接口同車載各個設(shè)備進(jìn)行有線連接。

一、LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能

采用LTE獨立雙網(wǎng)架構(gòu)—A網(wǎng)和B網(wǎng)，為了保證城軌CBTC車地信息的可靠傳送，CBTC業(yè)務(wù)系統(tǒng)對相同的信息在發(fā)端采用發(fā)送2份數(shù)據(jù)的方式，在接收端同樣獲取2份數(shù)據(jù)，并且只要接收到其中的1份正確數(shù)據(jù)后就可以正確獲取車地信息。A/B無線雙網(wǎng)確保在軌旁由雙網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線信號冗余覆蓋，網(wǎng)內(nèi)采用同步組網(wǎng)，A/B網(wǎng)分別采用不同的頻段f1和f2，僅需要2個頻點。A無線網(wǎng)絡(luò)和A核心網(wǎng)組成可以實現(xiàn)端到端通信的LTE-A網(wǎng)絡(luò)，B無線網(wǎng)絡(luò)和B核心網(wǎng)組成可以實現(xiàn)端到端通信的LTE-B網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)共用漏纜進(jìn)行無線信號覆蓋，如下圖所示：

1.1QoS保障

利用LTE網(wǎng)絡(luò)的QoS保障機(jī)制，可以為CTBC業(yè)務(wù)分配了最所需要的優(yōu)先級，采用E2E的QoS方案（空口，傳輸?shù)龋┰跍?zhǔn)入、擁塞等各場景充分保證CTBC業(yè)務(wù)的時延、丟包率和速率要求，為后續(xù)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展建立基礎(chǔ)。在網(wǎng)絡(luò)分段上，LTE網(wǎng)絡(luò)分為無線、核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)段保證各自的QoS所對應(yīng)QoS的分段控制。

1.2可靠性保障

在LTEforRail網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，最為關(guān)注的就是網(wǎng)絡(luò)整體的可靠性，需要確保單點故障不能影響整個網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)。單網(wǎng)元故障包括服務(wù)小區(qū)或者eNB、或者服務(wù)核心網(wǎng)EPC、或者傳輸鏈路故障。為此，設(shè)計出LTE系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)解決方案，在組網(wǎng)架構(gòu)可靠性、傳輸可靠性和設(shè)備可靠性等3個層次，分別采用冗余備份等機(jī)制提高LTE系統(tǒng)的整體可靠性。（1）網(wǎng)絡(luò)可靠性采用A、B兩套完全獨立的網(wǎng)絡(luò)，包括物理鏈路與設(shè)備。A/B核心網(wǎng)設(shè)備分別部署在控制中心和備用控制中心。CBTC業(yè)務(wù)前后端車載設(shè)備的無線裝置同時各接入A、B網(wǎng)絡(luò)，CBTC消息通過A、B網(wǎng)絡(luò)同時冗余發(fā)送到地面業(yè)務(wù)中心?；驹O(shè)備冗余配置，部署在各個設(shè)備集中站，通過不同交換機(jī)接入A、B網(wǎng)絡(luò)。在每列車的車頭、車尾各設(shè)置1套車載LTE設(shè)備。從上述描述可以看出，在單網(wǎng)故障狀態(tài)下，由于CBTC數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)采用雙網(wǎng)冗余傳輸，所以CBTC由正常工作的網(wǎng)絡(luò)完成，單網(wǎng)故障狀態(tài)下不影響CBTC業(yè)務(wù)正常工作。（2）設(shè)備可靠性城軌車地?zé)o線傳輸平臺，無論從網(wǎng)絡(luò)覆蓋、簽約用戶數(shù)，還是吞吐量，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電信運營商的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，因此在實際部署中，采用高可靠性的緊湊型核心網(wǎng)即可滿足城軌車地?zé)o線傳輸平臺的需求。例如：eCore就是一款通過集成MME、S-GW、P-GW、HSS、PCRF功能單元實現(xiàn)緊湊型的LTE核心網(wǎng)設(shè)備，部署相對靈活方便。

1.3豐富的告警管理

在LTE基站、核心網(wǎng)和傳輸鏈路等異常時，網(wǎng)管可以提供豐富的故障告警種類和多種通知手段，通知維護(hù)人員采取有效措施，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

二、無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

車地通信網(wǎng)絡(luò)主要承載CBTC業(yè)務(wù)，CBTC對于網(wǎng)絡(luò)的可靠性以及抗干擾能力要求高，因為CBTC業(yè)務(wù)安全運行至關(guān)重要。為了減少干擾，LTE網(wǎng)絡(luò)選擇專用頻段，同時利用專有抗干擾技術(shù)降低其他無線信號的對車地通信網(wǎng)絡(luò)的影響，進(jìn)而降低對地鐵業(yè)務(wù)的影響。整個網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計方案，A/B網(wǎng)從核心網(wǎng)、接入網(wǎng)到終端都用兩套獨立設(shè)備，用來提高系統(tǒng)的可靠性。

2.1無線頻點的選擇

TD-LTE可按1.8G頻段（1790MHz～1800MHz）考慮，A網(wǎng)可按5MHz（1790MHz～1795MHz）載頻帶寬同頻組網(wǎng)，B網(wǎng)可按5MHz（1795MHz～1800MHz）載頻帶寬同頻組網(wǎng)。

2.2無線覆蓋設(shè)計

城市軌道交通所有正線、折返線、渡線、停車線、出入段/場線、車輛段/停車場自動化區(qū)域及試車線等處均安裝軌旁設(shè)備、實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、滿足車地雙向連續(xù)通信的要求。隧道覆蓋基于TD-LTE技術(shù)方案在車站應(yīng)設(shè)置基站（BBU）設(shè)備和射頻單元（RRU），BBU設(shè)置于車站弱電綜合設(shè)備室，RRU設(shè)置于隧道壁靠近漏纜位置，將無線信號送入漏纜中，實現(xiàn)隧道內(nèi)覆蓋；RRU通過射頻線纜分別連接到左右兩側(cè)的漏纜上，如果車站間距大于相鄰車站RRU的覆蓋能力，在隧道中間采用將RRU拉遠(yuǎn)到隧道中進(jìn)行覆蓋。地面覆蓋地面采用漏纜覆蓋，如果沒有漏纜布設(shè)條件，也可采用基站加定向天線進(jìn)行定向覆蓋?；镜膬蓚€端口輸出經(jīng)過合路，分別連接到雙極化天線的兩個端口，不同網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過合路后采用同一個天線。如果是需要覆蓋基站兩側(cè)的情況，則每端口功分后，連接兩個方向天線的端口。折返線覆蓋多條軌道在一個大的隧道中，列車可能距離漏纜較遠(yuǎn)，這時信號強(qiáng)度會變?nèi)?。這個場景在鏈路預(yù)算上需要增加考慮隧道的寬度因子。型槽覆蓋U型槽是隧道車輛段中間的過渡區(qū)段，該方案既有隧道覆蓋又有地面覆蓋。如果使用漏纜覆蓋，從隧道到地面覆蓋沒有影響。車輛段和停車場覆蓋車輛段和停車場均有雨棚，主要有運用庫和列檢庫，采用室內(nèi)定向天線方式進(jìn)行覆蓋。

2.3抗干擾設(shè)計

TD-LTE系統(tǒng)內(nèi)干擾主要來自于同頻鄰區(qū)干擾，需考慮同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間的干擾及位于車站兩側(cè)雙隧道的兩個小區(qū)的相互干擾。同頻干擾分析及對策系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間的同頻干擾會對小區(qū)吞吐量、覆蓋產(chǎn)生影響。需要考慮同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間的干擾及位于車站兩側(cè)雙隧道的兩個小區(qū)的相互干擾。下面分析兩類同頻干擾的嚴(yán)重性及抗干擾方案。（1）車站兩側(cè)雙隧道的兩個小區(qū)的相互干擾按照Keenan－Motley傳播模型估算車站兩側(cè)小區(qū)的同頻隔離度：（f為工作頻率；D為手機(jī)到天線距離；P為墻壁損耗參考值，W為墻壁數(shù)目）位于車站兩側(cè)小區(qū)信號隔離度＝PL2與PL1之差必須滿足上下行的隔離度需求。（2）同向隧道中前后同頻鄰區(qū)間的干擾前后鄰區(qū)同頻，在小區(qū)邊緣信噪比最差可達(dá)到0db，所以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，SINR很低，不能滿足業(yè)務(wù)的速率需求。 電磁干擾分析及對策LTE車地數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的工作頻率的選擇和分配能防護(hù)牽引電流的干擾，不受車輛載波器、變流器、接觸網(wǎng)在無岔和有岔區(qū)受流發(fā)生變化所產(chǎn)生的電磁干擾以及鋼軌回流不平衡等產(chǎn)生的諧波影響，保證信息可靠地傳送。

三、案例分析

例如某城軌場段目前存在的問題——同場共址場段，針對此類問題按照傳統(tǒng)的LTE頻段劃分，承載CBTC業(yè)務(wù)的A/B網(wǎng)采用5M+5M的雙網(wǎng)方案，但是在多線共址場段，由于各條線路車庫、咽喉區(qū)、出入段線、試車線相隔過近，存在較多兩線相鄰、交匯的區(qū)域，如果三條線路都采用相同頻率的5M+5M雙網(wǎng)方案，不可避免將存在嚴(yán)重的同頻干擾，影響信號系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)正常運行。同場共址段/場無線覆蓋解決方案同場共址段/場、同站臺換乘車站，特別是兩線共線段距離近，都會存在LTE同頻干擾的問題，需要提高網(wǎng)絡(luò)之間隔離度來達(dá)成多個網(wǎng)絡(luò)和諧共存。從技術(shù)上來講，可以通過空間隔離、頻率隔離、互聯(lián)互通三種方案，來解決LTE同頻干擾的問題。（1）空間隔離方案。在兩條線路相鄰/交匯區(qū)域，無線頻率完全復(fù)用，假設(shè)申請到10MHz頻率，線路1和線路2都采用相同的5MHz+5MHz的A/B網(wǎng)組網(wǎng)方案。兩線相鄰/交匯區(qū)域之間如果相隔很近，將存在較強(qiáng)同頻干擾，需要采用一定的工程措施（如墻體隔離、空間距離）來保證兩條線路的無線網(wǎng)絡(luò)隔離度滿足要求。（2）頻率隔離。線路1和線路2在相鄰/交匯區(qū)域頻率錯開，單條線路采用1.4M+1.4M或3M+3M小帶寬雙網(wǎng)方案。（3）互聯(lián)互通。交匯/相鄰區(qū)域僅由線路1的無線基站覆蓋，線路1和線路2的LTE核心網(wǎng)互聯(lián)互通。線路2的車輛進(jìn)出此區(qū)域進(jìn)行2次跨核心網(wǎng)的漫游切換，切換時間在500ms以內(nèi)，滿足CBTC數(shù)據(jù)中斷時延要求。

四、總結(jié)：

針對目前應(yīng)用在城軌CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信TD-LTE技術(shù)的先進(jìn)性和優(yōu)勢，仍然需要在實際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計過程中對于出現(xiàn)的這樣或那樣的問題進(jìn)行分析研判，制定相應(yīng)的解決方案，確保列車控制信號進(jìn)行有效傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，隨著LTE技術(shù)越來越多地應(yīng)用在城軌車地?zé)o線通信系統(tǒng)中，相對技術(shù)也會越來越成熟，高可靠性和高安全性的優(yōu)點能夠充分發(fā)揮出來，確保城軌的安全可靠運行。

參考文獻(xiàn)

[1]《TD-LTE數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)Uu接口物理層技術(shù)要求（第一階段）》（YD/T2560/2561/2562—2013）

作者：尹萬晨 單位：北京現(xiàn)代通號工程咨詢有限公司