張昌鵬

(成都軌道交通集團(tuán)有限公司，成都 610000)

1 概述

城市軌道交通是提高城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的必要保障，同時(shí)也是反映城市綜合實(shí)力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。有軌電車通過與地鐵的結(jié)合，可起到加密補(bǔ)充公共交通功能及區(qū)域內(nèi)骨干公共交通功能，并與軌道交通車站、對(duì)外交通樞紐、常規(guī)公交、非機(jī)動(dòng)車形成一體化的綠色交通體系。

城市軌道交通的安全運(yùn)行和舒適體驗(yàn)，離不開專用的車地?zé)o線通信系統(tǒng)。由于列車在地面軌道上高速行進(jìn)，最高行車速度約70 km/h，車輛與控制中心之間只能通過無線方式進(jìn)行通信，因此，安全可靠的車地?zé)o線通信技術(shù)顯得極為重要。

結(jié)合國(guó)內(nèi)其他城市軌道交通在這方面的建設(shè)工程經(jīng)驗(yàn)和目前的無線通信技術(shù)發(fā)展，有軌電車通過采用專用無線通信頻率，建設(shè)統(tǒng)一的車地?zé)o線通信網(wǎng)，可減少投資運(yùn)維成本、提高行車安全水平。

2 全業(yè)務(wù)承載方案

目前，軌道交通中承載信號(hào)列控系統(tǒng)（CBTC)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)和視頻監(jiān)控信息(CCTV)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)普遍采用無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)，由于WLAN采用公共頻段，同時(shí)有大量支持WLAN的設(shè)備和終端，因此，存在較大干擾風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)、人民群眾的財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，迫切希望采用專用頻段承載信號(hào)信息。

無線列調(diào)系統(tǒng)一般采用陸上集群無線電（TETRA）數(shù)字集群通信系統(tǒng)解決方案，包括交換控制中心、基站、調(diào)度臺(tái)、固定臺(tái)、車載臺(tái)和手持終端。TETRA無線列調(diào)系統(tǒng)既為常態(tài)列調(diào)和各單位間聯(lián)絡(luò)使用，又兼顧應(yīng)對(duì)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的應(yīng)急應(yīng)用。TETRA系統(tǒng)由于不支持寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不能滿足軌道交通日益增長(zhǎng)的安全和業(yè)務(wù)需求，城市軌道交通的通信方式需要新的技術(shù)方案。

長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE)作為綜合性寬帶無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用無線寬帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車－地之間的實(shí)時(shí)信息交換功能，傳輸帶寬高，高速移動(dòng)接入性能強(qiáng)，能滿足多路實(shí)時(shí)視頻流下發(fā)及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回傳，同時(shí)可良好支持語(yǔ)音集群。基于目前國(guó)內(nèi)軌道交通采用LTE承載PIS、CBTC，集群中部分業(yè)務(wù)的成功案例較多，如鄭州地鐵1號(hào)線、重慶地鐵5號(hào)線、烏魯木齊地鐵1號(hào)線及蘇州有軌1號(hào)線等，且有軌電車相對(duì)地鐵要求較低，因此LTE完全可以進(jìn)行CBTC、PIS、CCTV及語(yǔ)言集群等業(yè)務(wù)綜合承載。

2.1 技術(shù)分析

LTE系統(tǒng)采用系統(tǒng)級(jí)冗余、設(shè)備級(jí)冗余及單板級(jí)冗余，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。使用行業(yè)專用頻段，系統(tǒng)外干擾少；采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等抗干擾技術(shù)，降低了系統(tǒng)內(nèi)部干擾，最大限度減低了因頻率干擾帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性及業(yè)務(wù)帶寬的損失。各種業(yè)務(wù)通過完善的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)管理及良好的業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力。同時(shí)實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)自檢、校時(shí)、數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音集群調(diào)度、特殊位置提示、車輛行駛監(jiān)視、緊急報(bào)警處理、音視頻網(wǎng)傳功能、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)安全及斷電保護(hù)等完善功能。

2.2 LTE系統(tǒng)架構(gòu)

有軌電車綜合無線通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)層、無線匯聚層和接入層組成，其中核心網(wǎng)層包括LTE核心網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、調(diào)度臺(tái)、調(diào)度服務(wù)器、錄音系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)中心、列控系統(tǒng)和其他的外部系統(tǒng)等構(gòu)成。無線匯聚層包括基站基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU），接入層包含車載子系統(tǒng)和集群手持終端，車載子系統(tǒng)由車載終端列車接入單元（TAU）、車載天線、車載交換機(jī)和合路器等主設(shè)備組成。有軌電車綜合無線通信系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載實(shí)現(xiàn)原理

為保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定、安全可靠傳輸，各業(yè)務(wù)服務(wù)器通過設(shè)置于控制中心的核心網(wǎng)交換機(jī)接入LTE車地通信系統(tǒng)；在列車上各業(yè)務(wù)的車載控制設(shè)備通過車頭車尾的TAU接入LTE車地通信系統(tǒng)。通過LTE車地通信系統(tǒng)提供的無線透明傳輸通道實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、雙向傳輸，并實(shí)現(xiàn)車頭-車尾冗余保護(hù)的傳輸通道。

2）集群對(duì)講實(shí)現(xiàn)原理

LTE的物理層比較嚴(yán)格，在處理LTE物理層控制信令外，上層業(yè)務(wù)都基于物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）和物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）信道處理，業(yè)務(wù)的資源調(diào)度由介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）層實(shí)現(xiàn)，因此LTE系統(tǒng)集群增加了專用的傳輸信道和邏輯信道，進(jìn)行專用的集群業(yè)務(wù)信道的調(diào)度，保證集群業(yè)務(wù)的優(yōu)異性能。

圖1 LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 LTE system structure diagram

3）數(shù)據(jù)與集群綜合承載原理

LTE無線綜合承載網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)可靠的、冗余的、可靈活重構(gòu)配置的透明傳輸通道，具備多種業(yè)務(wù)接入承載功能，采用統(tǒng)一集群的核心網(wǎng)可以同時(shí)支持車地?cái)?shù)據(jù)傳輸和專用無線的集群調(diào)度。

LTE綜合無線通信系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)9個(gè)QoS分類級(jí)別，系統(tǒng)根據(jù)QoS級(jí)別進(jìn)行資源分配和調(diào)度，其中優(yōu)先級(jí)越小者可優(yōu)先保障資源分配和調(diào)度。系統(tǒng)可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QoS要求，進(jìn)行不同的QoS參數(shù)配置，并映射到不同的級(jí)別上，以保障不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)別。

CBTC及集群調(diào)度業(yè)務(wù)采用高優(yōu)先級(jí)別，CCTV、PIS等帶寬要求較大的業(yè)務(wù)采用較低優(yōu)先級(jí)別，這樣即使是因視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息等業(yè)務(wù)導(dǎo)致有業(yè)務(wù)擁塞，CBTC及集群調(diào)度的業(yè)務(wù)質(zhì)量也能夠得到保障，因此LTE完全滿足全業(yè)務(wù)承載需求。

2.3 有軌電車與其他行業(yè)LTE系統(tǒng)干擾分析

根據(jù)四川省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)的批復(fù)，成都地鐵使用1 790～1 800 MHz頻段的10 MHz帶寬，有軌電車復(fù)用1 790～1 795 MHz頻段的5 M帶寬建設(shè)車地?zé)o線寬帶網(wǎng)絡(luò)。

目前，有軌電車沿線其他行業(yè)亦開始建設(shè)1.8 G LTE系統(tǒng)，相互間可能會(huì)造成干擾，主要分為同頻和異頻兩類干擾。當(dāng)其他行業(yè)與有軌電車LTE使用相同或重疊的頻率時(shí)，造成同頻干擾；其他行業(yè)與有軌電車LTE使用不同的頻率，造成異頻或鄰頻干擾。

LTE是時(shí)分雙工系統(tǒng)，收發(fā)同頻，通過上下行時(shí)隙的劃分，利用全局時(shí)鐘進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)雙工切換。如果兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)隙配置不同，或者沒有同步到GPS或其他相同的時(shí)鐘源上，則兩個(gè)系統(tǒng)為不同步系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)基站和終端兩兩交叉的系統(tǒng)間干擾。如果兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)隙配置相同，并且都同步到GPS，則不會(huì)出現(xiàn)基站和基站之間、以及終端與終端之間的交叉干擾。

經(jīng)過計(jì)算與分析，一般線路情況下，采用異頻組網(wǎng)時(shí)，如果雙方采用相同的時(shí)隙配比，則兩系統(tǒng)基站距離350 m時(shí)，不存在干擾情況。如果雙方采用不同的時(shí)隙配比，則異系統(tǒng)基站在距離1 050 m范圍內(nèi)對(duì)本項(xiàng)目車載終端存在影響。結(jié)合實(shí)際情況，如果有建筑物遮擋，其他行業(yè)基站部署位置遠(yuǎn)離本項(xiàng)目行車區(qū)間，影響距離可能會(huì)縮短，但為了降低和消除影響，仍然需要在工程實(shí)施和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面進(jìn)行考慮。

綜上所述，工程實(shí)施中需要根據(jù)各業(yè)務(wù)的帶寬需求靈活配置時(shí)隙配比，為了更好的獲得LTE的抗干擾性能，建議頻率管理部門在批復(fù)其他系統(tǒng)頻率時(shí)盡量預(yù)留5 M帶寬與有軌電車進(jìn)行頻率隔離，同時(shí)保持相同的時(shí)隙配比，以確保各系統(tǒng)均能正常工作。

2.4 基站布置方案

本次無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的傳播模型如公式（1）所示，其中K1～K7的取值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Cost231模型轉(zhuǎn)換而來，各參數(shù)具體取值按規(guī)范及相關(guān)要求設(shè)置。

其中：

Path_Loss：傳播路徑損耗中值/dB；

K1：衰減常數(shù)/dB；

K2：距離衰減常數(shù)；

K3、 K4：移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子；

K5、 K6：基站天線高度修正因子；

K7：繞射修正因子；

d：接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離/km；

Clutter_Loss：地物衰減修正值；

Hms：移動(dòng)臺(tái)天線有效高度/m；

Heff：基站天線有效高度/m。

鏈路預(yù)算結(jié)果表明，室外參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)門限按一般接入的要求設(shè)置時(shí)，以小區(qū)參考信號(hào) (Cell Reference Signal，CRS)下行鏈路路損計(jì)算覆蓋半徑約1.4 km，以PUSCH上行鏈路路損計(jì)算覆蓋半徑約0.75 km。每個(gè)RRU帶兩個(gè)天線，分別覆蓋線路兩側(cè)，整個(gè)線路區(qū)間全部由兩個(gè)RRU信號(hào)進(jìn)行覆蓋，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

根據(jù)規(guī)劃，有軌電車在標(biāo)準(zhǔn)路段享有獨(dú)立路權(quán)，路口采用信號(hào)智能優(yōu)先，軌道布置在道路中央，車站設(shè)于路口。在繁華路段車輛行駛速度可能減慢，則單小區(qū)內(nèi)的車輛容量增加，因此在布站時(shí)，采用等距離部署RRU和按車站部署RRU相結(jié)合的方式。

綜上所述，RRU在開闊區(qū)域，按照間距不超過1 km布放，在線路轉(zhuǎn)彎及人口密集區(qū)域，RRU部署在車站附近，確保在小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，滿足各業(yè)務(wù)的帶寬需求。

2.5 時(shí)隙配比的選擇

一般情況下車站布設(shè)RRU，車站由于覆蓋良好，可以實(shí)現(xiàn)峰值速率；但在小區(qū)覆蓋邊緣，速率只有峰值速率一半。根據(jù)有軌電車的實(shí)際情況，視頻上行業(yè)務(wù)量較大，為了保證上行業(yè)務(wù)不受物理頻寬的影響，采用定向天線交叉覆蓋如圖2所示，且不存在終端密集的場(chǎng)景，系統(tǒng)受到的干擾主要是下行干擾，即在終端側(cè)，受到來自基站的干擾信號(hào)更強(qiáng)。

圖2 車站天線覆蓋圖Fig.2 Station antenna coverage diagram

LTE中速率的配置通過調(diào)制與編碼策略（MCS）索引值來實(shí)現(xiàn)。MCS將所關(guān)注的影響通訊速率因素作為表的列，將MCS索引作為行，形成一張速率表。所以，每一個(gè)MCS索引其實(shí)對(duì)應(yīng)一組參數(shù)下的物理傳輸速率。MCS值越大，采用的調(diào)制方式越高階，傳輸速率越高。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的無線環(huán)境不干凈，受到的干擾增大，此時(shí)基站和終端會(huì)根據(jù)所處無線環(huán)境的好壞檢索MCS值，再由調(diào)度器統(tǒng)一調(diào)度分配。由于在有軌電車沿線上行的干擾較小，下行的干擾較大，因此采用2DL∶2UL的均衡時(shí)隙配比，保障下行業(yè)務(wù)不受影響。

3 結(jié)論

目前軌道交通建設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)中，通信制式越來越多樣化，包括400 M專用對(duì)講系統(tǒng)、800 M（TETRA）專用集群調(diào)度系統(tǒng)、以WLAN/DVB-T/LTE技術(shù)承載PIS和CCTV系統(tǒng)業(yè)務(wù)的車地?zé)o線系統(tǒng)以及以LTE技術(shù)承載CBTC業(yè)務(wù)的車地?zé)o線系統(tǒng)，但LTE全業(yè)務(wù)承載CBTC、車輛、票務(wù)數(shù)據(jù)、PIS、CCTV及語(yǔ)言集群業(yè)務(wù)的，國(guó)內(nèi)尚無開通案例。

軌道交通的信號(hào)列控系統(tǒng)是高密度行車的安全保證，該系統(tǒng)需要列車在行車過程中，列車與地面設(shè)備不斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的交換，完成對(duì)線路上密集列車的精準(zhǔn)定位和控制。通過分析論證，LTE的安全可靠性完全滿足軌道交通使用需求。同時(shí)，反恐使車地間視頻的傳輸變得更為重要，因此，在一套車地?zé)o線通信系統(tǒng)上，為了有效的實(shí)現(xiàn)軌道交通全部車地業(yè)務(wù)的承載，本文對(duì)全業(yè)務(wù)承載在抗干擾、基站布置及時(shí)隙配比等方面進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新和工程實(shí)施上的嘗試，符合未來軌道車地?zé)o線系統(tǒng)融合發(fā)展的趨勢(shì)，為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒。