洪 婷，姚 楠，張 楊，白 燁

（1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430079；2.武漢智慧地鐵科技有限公司，湖北 武漢 430040）

1 研究背景

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，如何充分利用 1.8 G 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)干擾是需要重點(diǎn)解決的問題之一。2016年底武漢6號(hào)線在國(guó)內(nèi)首次采用LTE承載CBTC業(yè)務(wù)開通運(yùn)營(yíng)，基于1.8 GHz專用頻段LTE技術(shù)開始全面取代傳統(tǒng)基于2.4 GHz頻段WLAN制式[1]，在國(guó)內(nèi)新建線路中成為主流的車地?zé)o線專用通信系統(tǒng)[2]。由于1 785～1 805 MHz頻段資源的稀缺性，越來越多的城市開始面臨專網(wǎng)頻段資源緊張、多行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)用頻矛盾突出的情況[3]。隨著近年來城市軌道交通建設(shè)的快速擴(kuò)展，主要中心城市的線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)張，同步伴隨著大批新建線路CBTC及綜合承載系統(tǒng)LTE-M網(wǎng)絡(luò)的不斷增長(zhǎng)，現(xiàn)有LTE系統(tǒng)同頻隔離需求、同站換乘和同頻干擾問題也開始逐步顯現(xiàn)[4-5]。特別是針對(duì)CBTC系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余的高可靠性要求，現(xiàn)有LTE系統(tǒng)可用頻段緊缺問題越發(fā)突出，本系統(tǒng)采用窄帶寬組網(wǎng)，解決了頻率資源不足和同頻干擾導(dǎo)致行車控制安全問題。

2 問題描述及原因分析

2.1 問題描述

武漢軌道交通21號(hào)線部分站點(diǎn)（特別是高架區(qū)間站點(diǎn)，如武生站）受移動(dòng)1 800 MHz DCS信號(hào)干擾，對(duì)軌道基站上行接收性能影響較大，導(dǎo)致上行誤碼率抬升，性能指標(biāo)下降，甚至造成列車EB。圖1為某時(shí)刻采集到的高架段站點(diǎn)上行誤碼率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（橫坐標(biāo)為51的點(diǎn)即為武生院處，上行誤碼率高達(dá)51.06%）。

2.2 原因分析

對(duì)性能較差的站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地掃頻，分析采集數(shù)據(jù)可以得出設(shè)備上行存在阻塞風(fēng)險(xiǎn)很大，且風(fēng)險(xiǎn)均來源于DCS1 800 MHz下行。下面以沙口和武生兩站對(duì)情況加以分析說明（見圖2）。

2.2.1 沙口站

1 785～1 795 MHz段為兩個(gè)5 MHz寬帶信號(hào)，該頻段內(nèi)最大干擾信號(hào)大于-80 dBm/100 kHz=-60 dBm/10 MHz。1 805～1 815 MHz段為DCS1 800 MHz下行信號(hào)，均為200 kHz帶寬，考慮幾個(gè)功率大于-60 dBm的干擾信號(hào)總功率大于-45 dBm+（-45 dBm）+（-48 dBm）+（-49 dBm）+（-55 dBm）+（-55 dBm）+（-58 dBm）=-39.9 dBm，該頻段內(nèi)總干擾功率已超過-40 dBm。故此沙口站存在上行阻塞的風(fēng)險(xiǎn)很大，風(fēng)險(xiǎn)來源為DCS1800下行。

圖1 高架段上行誤碼統(tǒng)計(jì)

2.2.2 武生站

1 785～1 795 MHz段為兩個(gè)5 MHz寬帶信號(hào)，該頻段內(nèi)最大干擾信號(hào)約-95 dBm/100kHz=-75 dBm/10 MHz。1 805 MHz-1 815 MHz段為DCS1800MHz下行信號(hào)，均為200 kHz帶寬，僅1 807.2 MHz頻點(diǎn)的干擾電平就已達(dá)到-32 dBm。故此軍民村站存在上行阻塞的風(fēng)險(xiǎn)很大，風(fēng)險(xiǎn)來源為DCS1800下行。

注：由于設(shè)備濾波器從帶外10M開始考慮抑制度指標(biāo)，且經(jīng)過實(shí)際測(cè)試設(shè)備能夠承受的最大干擾為-40 dBm，所以該干擾分析報(bào)告以1 775～1 815 MHz內(nèi)總干擾信號(hào)是否超過-40 dBm作為評(píng)判依據(jù)。

3 軌道交通的LTE窄帶寬無線接入系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)設(shè)備組成

LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)由軌旁有線系統(tǒng)、車地?zé)o線系統(tǒng)和車載有線系統(tǒng)組成。

（1）軌旁有線系統(tǒng)：主要包括LTE核心網(wǎng)、核心網(wǎng)交換機(jī)、LTE網(wǎng)管等設(shè)備組成，通過軌旁以太網(wǎng)工業(yè)級(jí)交換機(jī)組成的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，與LTE基站連接。

圖2 沙口站基站天線處來向與去向掃頻結(jié)果

圖3 武生站天線處掃頻結(jié)果

（2）車地?zé)o線系統(tǒng)：主要由LTE軌旁基站、漏纜/天線和LTE車載接入終端組成，構(gòu)成無線傳輸通道。

（3）車載有線系統(tǒng)：車頭、車尾LTE車載接入終端分布與A、B網(wǎng)CBTC車載信號(hào)設(shè)備接口，構(gòu)成車載有線網(wǎng)絡(luò)。

LTE系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 LTE系統(tǒng)設(shè)備組成

（1）LTE核心網(wǎng)（EPC）：主要功能是提供LTE網(wǎng)絡(luò)側(cè)接入控制、數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、安全、無線資源管理等，是LTE承載網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)（CBTC業(yè)務(wù)系統(tǒng)）的接口。為實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接、互聯(lián)互通及必要的網(wǎng)絡(luò)管理功能，核心網(wǎng)配置專門的交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)不同層面的業(yè)務(wù)和管理接口。

（2）網(wǎng)管服務(wù)器（OMC）：專門用于管理LTE系統(tǒng)的主要網(wǎng)元設(shè)備，包括EPC、基站、車載終端、1588時(shí)鐘服務(wù)器等。

（3）1588時(shí)鐘服務(wù)器：為L(zhǎng)TE基站提供微秒級(jí)的精準(zhǔn)時(shí)間同步保證。

圖4 LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（4）LTE基站（eNodeB）：從設(shè)備形態(tài)上可以分為一體化或分布式基站，分布式基站分為BBU（基帶處理單元）和RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元），BBU通常安裝在機(jī)房?jī)?nèi)提供有線傳輸鏈路接入和無線接入控制，RRU安裝在軌旁，用于沿線LTE信號(hào)覆蓋。一體化基站包含基帶處理和射頻處理的完整功能，只安裝在軌旁，通過光纖接入到各車站接入交換機(jī)。

（5）LTE車載終端TAU：為車輛提供LTE通信接入和無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

3.3 系統(tǒng)功能

LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要包括以下功能：數(shù)據(jù)傳輸功能、無線網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能。

3.3.1 數(shù)據(jù)傳輸功能LTE系統(tǒng)具有以下數(shù)據(jù)傳輸功能。

（1）分組數(shù)據(jù)無線傳輸功能：LTE網(wǎng)絡(luò)是基于全I(xiàn)P的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在用戶終端（UE）和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間建立無縫的移動(dòng)IP連接。LTE網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成：無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，其中，無線接入網(wǎng)主要由基站組成，核心網(wǎng)主要由移動(dòng)性管理實(shí)體、服務(wù)網(wǎng)關(guān)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)組成，如圖5所示。

圖5 LTE分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）分組數(shù)據(jù)重發(fā)功能：最大重發(fā)次數(shù)滿足承載業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求，LTE技術(shù)采用了兩層重傳技術(shù)為無線傳輸提供可靠保障。MAC層HARQ機(jī)制，主要用于解決物理信道傳輸差錯(cuò)，通過物理層下行PHICH信道及上行ACK/NACK反饋信息來實(shí)現(xiàn)快速錯(cuò)誤重傳，下行采用自適應(yīng)異步HARQ，上行采用非自適應(yīng)同步HARQ。HARQ重傳最大次數(shù)可由基站進(jìn)行配置，在滿足業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求的前提下盡可能提供可靠性保證；RLC層ARQ機(jī)制：在MAC層重傳達(dá)到最大次數(shù)的情況下，由RLC層通過ARQ實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層完整分組數(shù)據(jù)的重傳，進(jìn)一步降低誤碼率，為上層業(yè)務(wù)提供給足夠的傳輸可靠性。

（3）分組路由轉(zhuǎn)發(fā)功能：LTE系統(tǒng)通過核心網(wǎng)的PGW/SGW網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的路由功能，PGW/SGW作為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持完整的路由功能，具有分組數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。路由功能的主要工作就是為經(jīng)過路由設(shè)備的每個(gè)數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的站點(diǎn)。

（4）虛擬專網(wǎng)（VPN）功能：虛擬私有網(wǎng)VPN，是在公用網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建私人專用網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)。VPN有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它并不實(shí)際存在，而是利用現(xiàn)有公共網(wǎng)絡(luò)，通過資源配置而成的虛擬網(wǎng)絡(luò)，是一種邏輯上的網(wǎng)絡(luò)。VPN只為特定的企業(yè)或用戶群體所專用。從VPN用戶角度看來，使用VPN與傳統(tǒng)專網(wǎng)沒有區(qū)別。VPN作為私有專網(wǎng)，一方面與底層承載網(wǎng)絡(luò)之間保持資源獨(dú)立性，即在一般情況下，VPN資源不會(huì)被承載網(wǎng)絡(luò)中的其他VPN或非該VPN用戶的網(wǎng)絡(luò)成員所使用；另一方面，VPN提供足夠安全性，確保VPN內(nèi)部信息不受外部的侵?jǐn)_。

（5）虛擬局域網(wǎng)（VLAN）功能，不同類型的數(shù)據(jù)經(jīng)由不同的VLAN進(jìn)行傳輸，控制廣播控制廣播風(fēng)暴區(qū)域；VLAN功能提供了將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)隔離成多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，通過劃分不同的VLAN，每個(gè)VLAN是一個(gè)獨(dú)立的廣播域，從而實(shí)現(xiàn)了不同VLAN廣播域的隔離，能夠控制廣播風(fēng)暴區(qū)域。這樣，廣播報(bào)文被限制在一個(gè)VLAN內(nèi)，從而保證信息安全。

（6）QoS分級(jí)控制功能，支持LTE標(biāo)準(zhǔn)定義的9級(jí)QoS優(yōu)先級(jí)，LTE支持9級(jí)QoS，用戶可以定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要業(yè)務(wù)的資源優(yōu)先分配。在網(wǎng)絡(luò)邊緣，數(shù)據(jù)傳輸性能降低的情況下，LTE系統(tǒng)優(yōu)先保證QoS等級(jí)高的業(yè)務(wù)傳輸。

3.3.2 無線網(wǎng)絡(luò)功能

LTE系統(tǒng)支持1.4 MHz，3 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz，20 MHz系統(tǒng)帶寬靈活配置。LTE系統(tǒng)設(shè)備支持3GPP定義的所有的TDD UL/DL配比的能力，常用的TDD UL/DL配比方案包含UL∶DL=1∶3，3∶1，2∶2等。無線網(wǎng)絡(luò)在高速場(chǎng)景下會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，對(duì)通信質(zhì)量造成較大的影響。LTE基站支持AFC（自動(dòng)頻率控制）頻率糾偏和補(bǔ)償算法，能夠有效降低或消除多普勒頻移對(duì)無線通信系統(tǒng)的影響。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)管理功能

LTE網(wǎng)絡(luò)中A/B網(wǎng)可分別配置，或合設(shè)一套網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，管理網(wǎng)內(nèi)所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供全方位的網(wǎng)絡(luò)管理。

網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備管理控制中心、正線、車輛段的基站、TAU設(shè)備，可以查詢LTE設(shè)備的工作狀態(tài)，并且對(duì)故障進(jìn)行告警。其功能如下：

（1）具備維護(hù)和診斷能力，以檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的失效并對(duì)其進(jìn)行反應(yīng)，并包含遠(yuǎn)程診斷能力和失效顯示以便故障告警，并且及時(shí)的識(shí)別安全相關(guān)失效的組件和功能。

（2）網(wǎng)管系統(tǒng)軟件用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄能力。可根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)庫記錄的數(shù)據(jù)的分析，重現(xiàn)導(dǎo)致故障的通信事件序列。

（3）網(wǎng)管系統(tǒng)軟件界面提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的狀態(tài)展示、拓?fù)鋱D展示、故障檢測(cè)告警和遠(yuǎn)程診斷，及對(duì)相關(guān)端口性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史查詢功能，并具有日志記錄和顯示功能。

（4）網(wǎng)管設(shè)備通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障管理、性能管理、配置管理、安全管理、通信管理、拓?fù)涔芾?、系統(tǒng)管理，能夠通過網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)資源管理。

4 系統(tǒng)抗干擾措施

4.1 無線抗干擾原理

LTE系統(tǒng)使用無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)車-地之間的雙向通信，無線信號(hào)傳輸容易受到外界干擾。可能的干擾源有以下幾個(gè)。

（1）供電系統(tǒng)：軌旁環(huán)網(wǎng)，接觸網(wǎng)/三軌供電，鋼軌回流，牽引供電電源頻率諧波。

（2）車輛系統(tǒng)：逆變器控制牽引和輔助設(shè)備開關(guān)行為產(chǎn)生的瞬態(tài)值。

（3）其他無線通信系統(tǒng)：調(diào)度無線系統(tǒng)，公安無線系統(tǒng)，消防無線系統(tǒng)，旅客信息系統(tǒng)。

（4）乘客攜帶的無線設(shè)備：隨著智能終端的普及，乘客越來越多的攜帶具備WIFI功能的設(shè)備乘坐地鐵，在站臺(tái)候車。同時(shí)，開放線路空間也越來越多地被無線信號(hào)覆蓋。若這些設(shè)備均工作在1.8G ISM頻段，因此其對(duì)使用同樣頻率的LTE系統(tǒng)有可能造成干擾。

（5）電信運(yùn)營(yíng)商提供的無線網(wǎng)絡(luò)：如TD-LTE等。

（6）其他機(jī)電系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)，空調(diào)，屏蔽門等。

（7）其他地鐵線路的機(jī)電設(shè)備。

（8）外來干擾源：軌旁的建筑物內(nèi)的無線通信系統(tǒng)，霓虹燈，無線運(yùn)營(yíng)商，高壓線路，機(jī)場(chǎng)，工礦企業(yè)，高壓線路等。

（9）雷電。

LTE系統(tǒng)采用1.8GHz頻段傳輸無線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，承載CBTC業(yè)務(wù)。軌道交通行業(yè)使用1.8 GHz行業(yè)專網(wǎng)頻段，需向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理委員會(huì)申請(qǐng)，審批通過后才可合法使用，因此在合法申請(qǐng)使用、無委會(huì)監(jiān)管前提下，該頻段范圍內(nèi)沒有來自系統(tǒng)外部的直接同頻干擾[6-7]。

4.2 抗干擾措施

4.2.1 帶內(nèi)干擾

LTE系統(tǒng)同頻干擾會(huì)造成LTE接收信號(hào)的解調(diào)出現(xiàn)誤碼，在干擾嚴(yán)重時(shí)將嚴(yán)重干擾LTE通信，造成丟包率增加、延時(shí)加大、甚至阻斷連接。

在1 785～1 805 MHz頻段內(nèi)，來自于和本線路LTE帶寬相同的其他線路LTE信號(hào)干擾，可以通過以下措施緩解或消除。

（1）小區(qū)間干擾消除技術(shù)（ICIC）：原理是使用相同頻率的鄰近小區(qū)，配置不同的邊緣頻帶，保證處于小區(qū)邊緣、信道質(zhì)量相對(duì)較差的終端在業(yè)務(wù)信道上與鄰近同頻小區(qū)隔離，降低干擾影響程度；

（2）跨線運(yùn)營(yíng)：例如線路1、線路2經(jīng)過一片公共、開放站臺(tái)區(qū)域，相互之間沒有足夠的空間隔離，可能有比較強(qiáng)的相同干擾，這時(shí)只保留線路1的無線信號(hào)覆蓋，檔線路2的列車經(jīng)過此范圍時(shí)，先漫游到線路1；離開這片區(qū)域、回到線路2下個(gè)小區(qū)無線覆蓋范圍后，再重新連接回原本歸屬的線路2.這種方式需要兩條線路的核心網(wǎng)之間支持互聯(lián)互通相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

（3）共享小區(qū)：例如線路1、線路2在某片公共區(qū)域，共享一個(gè)基站提供的無線接入傳輸，該基站應(yīng)具備兩條獨(dú)立的光纖回傳鏈路，分別接入到線路1和線路2的核心網(wǎng)；基站通過終端身份識(shí)別，控制經(jīng)過該區(qū)域的兩條不同車輛對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸路由通道，這樣對(duì)兩條線路的終端和核心網(wǎng)都互不影響，確保業(yè)務(wù)獨(dú)立性。

4.2.2 帶外干擾

帶外干擾信號(hào)對(duì)LTE系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在對(duì)基站、TAU LNA（低噪放）接收的干擾，降低接收靈敏度，嚴(yán)重抬升噪聲水平，縮小基站覆蓋距離；嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻塞LNA的接收，徹底關(guān)閉上行通道。

解決帶外干擾的主要措施包括：

（1）基站內(nèi)部濾波器。

基站、TAU為了規(guī)避帶外干擾信號(hào)帶來的影響，特別選用高抑制、低帶寬的腔體濾波器，能夠極大抑制帶外信號(hào)進(jìn)入基站、TAU的LNA通道，保證系統(tǒng)接收靈敏度。

基站、TAU內(nèi)部的基帶濾波器設(shè)計(jì)也能夠在一定程度上抑制帶外信號(hào)的干擾，在腔體濾波器抑制帶外大功率信號(hào)輸入的前提下，基帶濾波器能夠進(jìn)一步消減帶外干擾，提高接收靈敏度。

（2）天線隔離。

針對(duì)本工程線路為地上的特點(diǎn)，在正線覆蓋LTE基站時(shí)，需考慮和地面運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)之間的天線隔離，特別信號(hào)系統(tǒng)專用的LTE基站和運(yùn)營(yíng)商GSM1800 頻段RRU之間應(yīng)盡量保證100dB以上的空間隔離度，避免造成上行接收靈敏度的明顯惡化。因此，工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝之間需對(duì)沿線環(huán)境進(jìn)行勘察，避免和運(yùn)營(yíng)商靠近沿線道路的高功率基站塔距離太近。

（3）頻段隔離。

為了抑制帶外鄰頻干擾，建議在頻段使用上至少要與GSM1800系統(tǒng)頻段保持5 MHz隔離帶，如圖6所示。

圖6 LTE-M 1.8GHz頻段和GSM1800系統(tǒng)隔離頻段

5 結(jié)語

該系統(tǒng)通過開發(fā)實(shí)現(xiàn)窄帶LTE協(xié)議技術(shù)，在既有頻率規(guī)劃無法規(guī)避同頻干擾的區(qū)域，局部范圍內(nèi)通過細(xì)分頻段的方式、采用小帶寬頻段組合的方式解決頻率資源緊張、同頻干擾嚴(yán)重的問題，保障行車控制安全。