徐淑鵬

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軌道交通車地通信LTE特殊場景覆蓋分析與解決方案

徐淑鵬

（鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450000）

在國內(nèi)軌道交通快速發(fā)展下，城市軌道交通線路正在向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。軌道交通的線路、車站、車輛段、隧道區(qū)間等建設(shè)情況日趨復(fù)雜，使基于TD-LTE技術(shù)的車地通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)難度越來越大。在規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)中應(yīng)保證車地業(yè)務(wù)的安全、可靠，減少信號(hào)干擾，應(yīng)用新的技術(shù)滿足軌道交通不斷增長的需求?；卩嵵菔熊壍澜煌ㄜ嚨?zé)o線LTE綜合承載方案，結(jié)合前期建設(shè)、運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)軌道交通線網(wǎng)中多種復(fù)雜場景的應(yīng)用分析，結(jié)合1.8 G頻率資源優(yōu)化配置，提出特殊場景下車地通信LTE覆蓋解決方案，并對(duì)不同場景下空間隔離、頻率隔離、共基站覆蓋等方案進(jìn)行對(duì)比分析，為實(shí)際工程建設(shè)提供有效的理論依據(jù)與工程實(shí)施方法。

軌道交通；車地通信；特殊場景；綜合承載

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展和LTE車地通信技術(shù)的不斷應(yīng)用，通信工程部署面臨越來越多的復(fù)雜場景，如多條線共用車輛段、同站臺(tái)換乘、長大區(qū)間覆蓋、單洞雙線、全自動(dòng)駕駛等場景。在實(shí)際LTE網(wǎng)絡(luò)部署中，如何充分利用1.8G頻率資源實(shí)現(xiàn)車地業(yè)務(wù)的安全、可靠承載，并減少信號(hào)干擾。同時(shí)，隨著LTE技術(shù)的不斷發(fā)展，需要考慮如何應(yīng)用新的技術(shù)滿足軌道交通不斷增長的需求。針對(duì)上述各類場景的特點(diǎn)與業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分析，提出不同場景覆蓋解決方案[1]。

1 鄭州軌道交通車地?zé)o線綜合承載組網(wǎng)方案

總結(jié)鄭州軌道交通1、2號(hào)線及城郊鐵路TD-LTE承載車載PIS和車載CCTV業(yè)務(wù)使用情況，結(jié)合2號(hào)線六站五區(qū)間對(duì)TD-LTE綜合承載科研測試結(jié)果，從安全性、可靠性、冗余性和投資等方面綜合考慮。

綜合承載業(yè)務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置區(qū)域?qū)用婵梢詣澐譃?層，即中心設(shè)備層、有線傳輸層、無線覆蓋層、車載終端以及應(yīng)用層[2]。LTE綜合承載系統(tǒng)架構(gòu)采用基于IP的扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，架構(gòu)簡單，維護(hù)節(jié)點(diǎn)少，核心設(shè)備冗余設(shè)置，滿足安全性的要求，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

從系統(tǒng)架構(gòu)中可以看出，有線傳輸系統(tǒng)部分，實(shí)現(xiàn)了全線所有設(shè)備集中站，設(shè)備非集中站，車輛段以及試車線的網(wǎng)絡(luò)連接，主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成。無線通信系統(tǒng)部分，包括車載無線設(shè)備、BBU和RRU，LTE漏纜（地面為天線），通過無線傳輸方式建立車載和軌旁設(shè)備間可靠的通信連接。

根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)的雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，結(jié)合鄭州市軌道交通申請到的20 MHz帶寬，同時(shí)考慮到TD-LTE目前只能支持1.4/3/5/10/15/20 MHz組網(wǎng)，鄭州市軌道交通基于TD-LTE的車地?zé)o線通信A、B網(wǎng)采用15 M+5 M的頻率配置方案，A網(wǎng)（1 790～1 805 MHz）采用15 M帶寬資源同頻組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)綜合承載；B網(wǎng)（1 785～1 790 MHz）采用5 M帶寬資源同頻組網(wǎng)，承載信號(hào)CBTC列車控制信息[3]，如圖2所示。

圖2 A、B網(wǎng)無線資源分配

鄭州軌道交通車地?zé)o線LTE綜合承載PIS、CCTV和CBTC業(yè)務(wù)，正線地下區(qū)間使用漏纜覆蓋，高架和車站使用天線覆蓋方案[4]。綜合承載LTE A網(wǎng)和B網(wǎng)針對(duì)地下區(qū)間漏纜覆蓋采用共享專用無線通信系統(tǒng)和警用無線通信系統(tǒng)的兩根漏纜方案[5]。

2 特殊場景分析及覆蓋方案研究

2.1 場景1：多條線同場共址車輛段

多條線路共用車輛段，多條線路的無線通信網(wǎng)絡(luò)在車輛段匯集到一起，車輛段的無線覆蓋分為“庫內(nèi)覆蓋”、“咽喉區(qū)覆蓋”和“試車線覆蓋”等部分。為避免線路之間無線信號(hào)的相互干擾，庫內(nèi)無線覆蓋可考慮采用空間隔離、頻率隔離、基站信號(hào)共小區(qū)覆蓋等方案[6]，圖3所示為鄭州軌道交通4、12號(hào)線河西車輛段鳥瞰圖。

圖3 鄭州軌道交通4、12號(hào)線河西車輛段鳥瞰圖

Fig. 3 Aerial view of Hexi depot of Zhengzhou Metro Lines 4 and 12

2.1.1 空間隔離方案

兩條線車庫間可使用墻體隔離，采用相同的頻率，采用A網(wǎng)承載15 M頻寬，B網(wǎng)承載5 M頻寬的模式，可滿足車庫內(nèi)多輛車、大帶寬的需求。咽喉區(qū)在空間上也存在一定間距（超過120 m），通過天線位置和覆蓋方位可實(shí)現(xiàn)空間隔離。

2.1.2 頻率隔離方案

兩條線路的咽喉區(qū)在空間上沒有墻體隔離，僅使用天線的位置和覆蓋方位進(jìn)行隔離不能滿足載干比的要求，所以在咽喉區(qū)還要使用頻率隔離。若庫內(nèi)墻體隔離土建實(shí)施難度大或投資大，則可采用頻率隔離的方案實(shí)施，其中一條線路庫內(nèi)及咽喉區(qū)采用A網(wǎng)承載5 M頻寬，B網(wǎng)承載5 M頻寬；另一條線路庫內(nèi)及咽喉區(qū)采用A網(wǎng)承載5 M頻寬，B網(wǎng)承載5 M頻寬的方案。

2.1.3 基站信號(hào)共小區(qū)覆蓋方案

3條線路的基站共用核心網(wǎng)，基站側(cè)采用基站共小區(qū)，減少切換和干擾。由于此場景對(duì)核心網(wǎng)的可靠性要求比較高，且影響范圍大，建議將主備核心網(wǎng)異地或異線部署。

2.1.4 方案比較（見表1）

表1 多條線同場共址車輛段覆蓋方案比較

2.1.5 段場具體場景覆蓋方案

運(yùn)用庫覆蓋方案：運(yùn)用庫采用基站RRU中間放置，天線背靠背覆蓋方式，滿足同時(shí)多輛列車終端并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)[7]，如圖4所示。

圖4 運(yùn)用庫覆蓋方案

Fig. 4 Vehicle storehouse coverage scheme

咽喉區(qū)覆蓋方案：咽喉區(qū)與隧道口相接，覆蓋方案要考慮隧道、變軌、車庫內(nèi)小區(qū)重疊等問題。典型場景覆蓋如圖5所示。

圖5 咽喉區(qū)覆蓋方案

試車線覆蓋方案：可結(jié)合具體的場景采用天線覆蓋，以及漏纜和天線結(jié)合的方式覆蓋。

2.2 場景2：同站臺(tái)換乘

隨著地鐵線路建設(shè)的增多，面臨越來越多的線路換乘，兩條線路的同站臺(tái)換乘分為單島雙線以及雙島四線兩種方式。

2.2.1 單島雙線場景

兩條線路在換乘站使用同一個(gè)軌道。共軌段部署兩套信號(hào)設(shè)備和無線接入設(shè)備。如圖6所示。

圖6 單島雙線場景

1）共用頻段方案

兩條線路共用相同的頻段，如果雙線無線覆蓋連接同一個(gè)EPC，采用RRU共小區(qū)特性，減少切換和干擾。如果雙線無線覆蓋連接不同的EPC，選擇一條線路在換乘區(qū)做無線覆蓋，通過終端在不同設(shè)備商網(wǎng)絡(luò)間漫游的方案，減少干擾。

2）頻率隔離方案

兩條線路采用不同的頻率，互不干擾。

3）方案比較，見表2

表2 單島雙線場景覆蓋方案比較

2.2.2 雙島四線場景

兩條線路換乘，不共用軌道，共4條軌道。一般中間兩條軌道是一條線路，兩邊軌道是另一條線路。如圖7所示。

圖7 雙島四線場景

1）共基站覆蓋方案

如果四線無線覆蓋為同一設(shè)備商，采用RRU共小區(qū)特性，減少切換和干擾。

如果四線無線覆蓋為不同設(shè)備商，選擇一條線路在換乘區(qū)做無線覆蓋，通過終端在不同設(shè)備商網(wǎng)絡(luò)間漫游的方案，減少干擾。

2）頻率隔離方案

4條線路采用不同的頻率，互不干擾。

3）方案比較，見表3

表3 雙島四線場景場景覆蓋方案比較

2.3 場景3：長大區(qū)間覆蓋

隨著軌道交通的建設(shè)延伸，如機(jī)場線、市域線等，出現(xiàn)長大區(qū)間的覆蓋，車站間距比較大，此時(shí)需充分考慮LTE在1.4 MHz、3 MHz、5 MHz組網(wǎng)下的覆蓋距離、平均帶寬等。其場景如圖8所示，覆蓋方案比較如表4所示。

圖8 長大區(qū)間場景

表4 長大區(qū)間覆蓋方案比較

通過對(duì)各種頻寬組網(wǎng)場景下的仿真規(guī)劃，結(jié)果如表5所示：

表5 各頻寬組網(wǎng)上下行速率對(duì)比

綜上所述，需根據(jù)承載的業(yè)務(wù)類型（如CBTC GOA等級(jí)）帶寬需求選擇不同的頻寬組網(wǎng)以及站距規(guī)劃[8]。

2.4 場景4：單洞雙線覆蓋方案

方案場景如圖9所示。

圖9 單洞雙線場景

2.4.1 共用頻段方案

同頻組網(wǎng)，上下行RRU共用，使用雙漏纜進(jìn)行覆蓋，考慮到可能的車體遮擋，在隧道兩側(cè)各布置一根漏纜[9]，如圖10所示。

圖10 共用頻段方案

2.4.2 頻率隔離方案

上下行采用不同頻率組網(wǎng)，隧道兩側(cè)分別使用雙漏纜進(jìn)行覆蓋。如圖11所示。

圖11 頻率隔離方案

2.5 全自動(dòng)駕駛場景下的覆蓋

全自動(dòng)駕駛場景下，車地通信部分對(duì)車載移動(dòng)視頻回傳的需求承載加大，按照每列車6節(jié)車廂，每節(jié)車廂4路高清視頻，包括司機(jī)室4路視頻，每列車的視頻需求為28路[10]。按照高清視頻需求每路8 Mb/s，可得到每列車視頻需求速率為224 Mb/s，如果是H.265編碼，高清每路2 Mb/s，則每列車視頻需求速率為56 Mb/s；全自動(dòng)場景下，按調(diào)用視頻考慮，則帶寬需求14路×2=28 Mb/s，這個(gè)帶寬需求應(yīng)是目前全自動(dòng)駕駛對(duì)車地通信比較實(shí)際的需求。1.8 GHz LTE組網(wǎng)滿足不了CBTC+全自動(dòng)駕駛+移動(dòng)視頻的綜合承載需求。可考慮LTE-U技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非安全、大帶寬類業(yè)務(wù)的承載，LTE-U與WLAN技術(shù)比較見表6。

表6 全自動(dòng)駕駛場景下LTE與WLAN技術(shù)對(duì)比

實(shí)際部署中，可考慮1.8 GHz LTE組網(wǎng)和5.8 GHz LTE-U組網(wǎng)結(jié)合的方式滿足全自動(dòng)駕駛場景下的CBTC高可靠性以及高清視頻高帶寬需求。

3 結(jié)語

在介紹鄭州軌道交通車地?zé)o線綜合承載組網(wǎng)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)軌道交通線網(wǎng)中的復(fù)雜場景進(jìn)行細(xì)分，并對(duì)每一種不同場景下LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響因素進(jìn)行分析，針對(duì)各場景特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求提出了解決方案，既達(dá)到最佳的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，還有效地節(jié)約了建設(shè)成本，為實(shí)際工程建設(shè)提供了理論依據(jù)和工程實(shí)施方法[11]。

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（編輯：王艷菊）

Special Scenario Coverage Analysis and Solutions to LTE Train-Ground Communications of Rail Transit

XU Shupeng

(Zhengzhou Metro Co., Ltd., Zhengzhou 450000)

Urban rail transit operations in China have changed from single line to multiline networks and its operation information is exchanged through communications networks. The construction of lines, stations, depots and tunnels for urban rail transit has become more and more complicated, which gives rise to difficulties in designing, building and maintaining Time-division Long-term Evolution (TD-LTE) train-ground communications systems. Therefore, new technology is required to improve safety and liability and to reduce signal interference in the planning and building of the train-ground communications systems. This paper analyzed the overall service capacity and the design and operation experiences of the LTE wireless train-ground communications system as an example. It expounds the coverage of the system under complicated scenarios in urban rail transit line networks. Optimal configuration of 1.8G frequency resources is presented and the solutions to special scenario LTE communications coverage are proposed. The schemes of spatial isolation, frequency isolation and co-site coverage are compared and analyzed in a bid to provide theoretical basis and engineering methods for engineering practice.

urban rail transit; train-ground communications; special scenario; overall service capacity

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.004

U231.1

A

1672-6073(2018)05-0017-05

2018-03-29

2018-04-16

徐淑鵬，男，本科，技術(shù)管理部副部長，高級(jí)工程師，從事軌道交通通信、信息技術(shù)研究，Xsp1969@qq.com