李先河

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TD-LTE承載地鐵信號(hào)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案探究

李先河

中鐵三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，山西 晉中 030600

LTE技術(shù)與傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)相比，具有延遲降低、分組傳送、廣域覆蓋、高數(shù)據(jù)速率和移動(dòng)支持能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。WLAN僅有三個(gè)完全正交的信道，而LTE組網(wǎng)具有豐富的干擾避免技術(shù)；從基站的覆蓋范圍來看，LTE組網(wǎng)較傳統(tǒng)WLAN范圍更大，單個(gè)接入點(diǎn)支持更多的用戶數(shù)，這對(duì)組網(wǎng)的復(fù)雜度起到降低作用。更為重要的是，對(duì)于不同等級(jí)的QoS保障，LTE也能支持，這樣在承載多業(yè)務(wù)時(shí)，LTE對(duì)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分，保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的優(yōu)先。對(duì)于承載地鐵多業(yè)務(wù)來說，這無疑具有很大的優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)很難達(dá)到這一點(diǎn)。以武漢地鐵7號(hào)線一期為實(shí)例，探討基于LTE的地鐵信號(hào)無線傳輸具體方案的設(shè)計(jì)。

TD-LTE；地鐵信號(hào)；無線網(wǎng)絡(luò)；規(guī)劃方案

引言

作為關(guān)系列車運(yùn)營(yíng)體驗(yàn)和運(yùn)行安全的特殊系統(tǒng)，CBTC?對(duì)可靠性、安全性要求極高。產(chǎn)品鏈和技術(shù)的成熟度是目前國(guó)內(nèi)大部分城市采用WLAN技術(shù)承載CBTC?業(yè)務(wù)的主要出發(fā)點(diǎn)。

1 無線傳輸體設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

TD-LTE作為下一代無線技術(shù)的主流標(biāo)準(zhǔn)，目前在商用領(lǐng)域已經(jīng)獲得較大規(guī)模的應(yīng)用。TD-LTE的核心是正交頻分多址/單載波頻分多址（OFDMA/SC-FDMA）、多發(fā)多收（MIMO）等技術(shù)，可以明顯提高無線通信的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸效率。目前已向無線電管理委員會(huì)申請(qǐng)1?785～1?805?MHz用于本次工程的基于時(shí)分雙工（TDD）模式的寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)。依照TD-LTE的技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)申請(qǐng)的20?MHz帶寬，可以實(shí)現(xiàn)下行100?Mbit/s、上行50?Mbit/s的信息傳輸。

根據(jù)ATC業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳送車地信息的特點(diǎn)，LTE網(wǎng)絡(luò)采用A/B獨(dú)立雙網(wǎng)的冗余設(shè)計(jì)承載業(yè)務(wù)。A/B獨(dú)立雙網(wǎng)包括A/B無線雙網(wǎng)和A/B雙核心網(wǎng)。

如圖1所示，A/B無線雙網(wǎng)確保在軌旁由2張無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)冗余覆蓋。A/B無線網(wǎng)絡(luò)分別采用不同的頻點(diǎn)F1和F2。A無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用同頻組網(wǎng)，B無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)也采用同頻組網(wǎng)。A/B雙核心網(wǎng)即是2個(gè)單獨(dú)的核心網(wǎng)。A無線網(wǎng)絡(luò)和A核心網(wǎng)組成可以實(shí)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(shí)現(xiàn)端到端通信的LTE?B網(wǎng)絡(luò)。

圖1 雙線雙網(wǎng)的頻率規(guī)劃示例

TD-LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用A、B雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，雙網(wǎng)同站址覆蓋。通過POI設(shè)備與800?MHz專用通信系統(tǒng)共用一根泄漏同軸電纜，另一根泄漏電纜為信號(hào)專用泄漏電纜。

車地寬帶無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋包括正線、停車線、聯(lián)絡(luò)線。隧道軌旁主要部署RRU和泄漏同軸電纜（1.8?GHz）。BBU與RRU之間通過IR接口光纜連接。分別部署A、B網(wǎng)的核心網(wǎng)設(shè)備EPC，通過中心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的接入。在列車的車頭和車尾，分別設(shè)置LTE網(wǎng)絡(luò)車載設(shè)備，包括車載接入單元（TAU）天饋系統(tǒng)等。車頭和車尾各安裝一臺(tái)TAU，車頭的TAU工作在LTE?A網(wǎng)；車尾的TAU工作在LTE?B網(wǎng)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 車地?zé)o線寬帶系統(tǒng)平臺(tái)的架構(gòu)

核心網(wǎng)包含MME，S/P-GW和eHSS邏輯網(wǎng)元。MME處理UE的移動(dòng)性管理和會(huì)話管理，S/P-GW處理終端和組的媒體面數(shù)據(jù)路由和承載資源分配。MME和S/P-GW之間為S11接口，用于進(jìn)行用戶面承載的管理。核心網(wǎng)組成如圖3所示。

1.2 正線覆蓋方案

在全地下隧道內(nèi)使用泄漏電纜進(jìn)行TD-LTE的無線信號(hào)覆蓋，由于隧道把地鐵上行方向和下行方向物理隔離，將上行方向和下行方向分別劃分為2個(gè)小區(qū)，在行車方向上配置小區(qū)鄰區(qū)。RRU放置在車站信號(hào)機(jī)房，功分/合路器也放置在信號(hào)設(shè)備房，TETRA四功分后的信號(hào)經(jīng)饋線接入信號(hào)設(shè)備房的功分/合路器輸入端，合路器輸出端接到區(qū)間漏纜上，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)覆蓋[1]。

圖3 核心網(wǎng)架構(gòu)

1.3 站臺(tái)區(qū)覆蓋方案

島式站臺(tái)軌道間距離較大，軌道使用泄漏電纜覆蓋，能夠滿足隔離度的要求。島式站臺(tái)的RRU連接如圖4所示。

對(duì)于側(cè)式站臺(tái)，由于軌道間距離較小，不能滿足隔離度要求，將站臺(tái)的上下行軌道規(guī)劃為一個(gè)小區(qū)，將覆蓋上下行軌道的兩個(gè)RRU進(jìn)行小區(qū)合并，使用泄漏電纜進(jìn)行無線信號(hào)覆蓋。如果在側(cè)式站臺(tái)無法架設(shè)泄漏電纜，則采用天線方式覆蓋。側(cè)式站臺(tái)RRU的連接如圖5所示。

圖5 側(cè)式站臺(tái)無線覆蓋方案

距離天線10?m處的傳播損耗為57?dB，漏纜的耦合損耗按63?dB，雙極化定向天線增益按8?dBi考慮，則采用6?dB的耦合器來耦合功率給站臺(tái)覆蓋的天線，可以保證漏纜和天線之間的場(chǎng)強(qiáng)平滑過渡。天線只需在一側(cè)漏纜安裝。

1.4 漏纜覆蓋切換區(qū)計(jì)算

終端在移動(dòng)過程中，需要從一個(gè)基站移動(dòng)到下一個(gè)基站，從而發(fā)生基站信號(hào)的切換，在兩個(gè)基站之間就會(huì)形成一個(gè)切換區(qū)，漏纜切換示意如圖6所示。

阿東當(dāng)夜即往回趕。到家時(shí)，已近半夜。推門進(jìn)屋，家里正一片狼藉。阿里被一根繩子捆著，蹲在墻角。醫(yī)生給他打了安定，他垂著頭，似乎已經(jīng)睡著。他的臉上手上臟兮兮的，就像人們常見的流浪街頭的瘋子。阿東立即淚如泉涌。他大聲吼道：“哪個(gè)混賬捆的!爸爸你太過分了，爸爸你怎么能這樣對(duì)他!”

圖6 漏纜切換區(qū)示意圖

切換區(qū)的計(jì)算：

切換區(qū)距離?=?2?dB/漏纜每米損耗?+2×（測(cè)量時(shí)長(zhǎng)+切換時(shí)延）×車速 （1）

列車最大速度按120??km/h，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)和切換時(shí)延一般為300??ms以內(nèi)，傳播模型按漏纜每?100?m最小損耗3.8??dB（1.8??G）計(jì)算，車速按120?km/h計(jì)算，切換區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算如下：

2/3.8×100+2×0.3×80?000/3?600=61?m （2）

2 泄漏電纜共用方案

2.1 LTE與TETRA專用通信系統(tǒng)合路方案

如圖7所示，全線各車站軌旁LTE和TETRA信號(hào)同時(shí)接入漏纜處，通過2個(gè)POI合路器，實(shí)現(xiàn)A、B網(wǎng)兩通道RRU的接入和1路800??MHz專用通信無線信號(hào)的接入。

圖7 LTE與TETRA專用通信合用示意圖

POI合路器a為2入2出型合路器，用于LTE?A/B網(wǎng)信號(hào)合路；POI合路器b為4入2出型合路器，用于LTE?A/B網(wǎng)、TETRA信號(hào)合路，需要從TETRA系統(tǒng)的功分器引入射頻饋線接入POI合路器b，覆蓋隧道的雙方向。

2.2 共用漏纜隔離度分析

2.2.1 TETRA系統(tǒng)對(duì)TD-LTE的干擾分析

（1）雜散干擾

TETRA基站帶外離散雜散的輻射指標(biāo)為?﹣30?dBm（1?MHz的測(cè)量帶寬），經(jīng)過4功分器（按6??dB計(jì)算）后為﹣36?dBm。

TD-LTE的靈敏度按照﹣101.5?dB，信道帶寬5?MHz，熱噪聲功率底為﹣107?dBm。如果允許TD-LTE基站靈敏度惡化3?dB，可接受的干擾電平為﹣107?dBm，則需要：

﹣30－（﹣107）+?10l?g（5/1）≈84?dB （3）

即POI的800?MHz通道濾波器在1.8?GHz處的抑制為84?dB。

（2）阻塞干擾

TETRA基站發(fā)射功率為25?W，44??dBm，經(jīng)過4功分器（按6??dB計(jì)算）后為38?dBm。TD-LTE的帶外阻塞指標(biāo)按一般性要求為﹣15?dBm。因此，只要POI的1.8?G通道對(duì)800?MHz的隔離抑制度按照一般性要求需要達(dá)到53?dB，即可滿足要求。

2.2.2 TD-LTE系統(tǒng)對(duì)TETRA的干擾分析

（1）雜散干擾

TD-LTE基站帶外離散的輻射指標(biāo)一般要求為﹣36?dBm（100?kHz的測(cè)量帶寬）。

TETRA基站動(dòng)態(tài)靈敏度為﹣113?dBm，信道帶寬25?kHz，共道C/I門限為19?dB。如果允許TETRA基站靈敏度惡化2?dB，則可接受的干擾電平為﹣124?dBm/100?kHz（等效﹣130?dBm/25??kHz），同時(shí)計(jì)入4功分器插損（按6?dB計(jì)算），則需要：

﹣36?－6－（﹣124）=?82?dB （4）

即POI的1.8??GHz通道濾波器在800?MHz處的抑制按一般性要求為82?dB。

（2）阻塞干擾

TD-LTE基站發(fā)射功率為40??W（46??dBm）。TETRA阻塞指標(biāo)為﹣40??dBm，同時(shí)計(jì)入4功分器插損（按6??dB計(jì)算）?？梢杂?jì)算得出：

46?－（﹣40）－?6?=?80?dB （5）

即POI的800?MHz濾波通道對(duì)1.8??G的隔離抑制度需要達(dá)到80?dB。

根據(jù)以上計(jì)算要求，選擇滿足隔離度要求的POI合路器。

3 總結(jié)

首先，某地鐵所用的1.8??GHz頻段是國(guó)家給所有行業(yè)的行業(yè)專用頻段，遵循先申請(qǐng)先得的原則，并不是軌道交通的專用頻段，因此LTE如果要在軌道交通行業(yè)廣泛推廣，還需要國(guó)家無線電管理委員會(huì)明確軌道交通專用頻段；其次，LTE還需要針對(duì)軌道交通做大量行業(yè)適配工作。在針對(duì)軌道交通車地?zé)o線CBTC和調(diào)度業(yè)務(wù)的承載上，需要繼續(xù)和業(yè)界合作，進(jìn)行對(duì)接測(cè)試和匹配的終端開發(fā)。在針對(duì)越來越復(fù)雜的各種覆蓋場(chǎng)景上（隧道、高架、換乘站等），提供訂制化的覆蓋解決方案。

[1]李厚鍇. TD-LTE承載地鐵信號(hào)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2017（6）：66-70.

Research on TD-LTE-Bearing Metro Signal Wireless Network Planning Scheme

Li Xianhe

China Railway No.3 Engineering Group Co., Ltd., Shanxi Jinzhong 030600

Compared with traditional wireless LAN, LTE technology has many advantages such as delay reduction, packet transmission, wide-area coverage, high data rate and strong mobile support. The WLAN has only three completely orthogonal channels, and the LTE network has a rich interference avoidance technology. From the coverage of the base station, the LTE network is larger than the traditional WLAN, and a single access point supports more users. This reduces the complexity of the networking. More importantly, for different levels of QoS guarantee, LTE can also support, so when carrying multiple services, LTE divides the service priorities to ensure the priority of key services. This is undoubtedly a great advantage for carrying metro multi-services, which is difficult to achieve with traditional wireless LANs. Taking the first phase of Wuhan Metro Line 7 as an example, the design of the concrete scheme of wireless signal transmission based on LTE is discussed.

TD-LTE; subway signal; wireless network; planning scheme

TN929.5

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