王海明，呂浩炯，鐘虞全，蔣 俊，唐 韜

（湖南中車時代通信信號有限公司，1、工程師，2、教授級高級工程師，4、助理工程師，5、助理工程師，湖南 410000；3.湖南磁浮技術(shù)研究中心有限公司，工程師，湖南 410000）

1 背景

相對于傳統(tǒng)的輪軌列車和高速磁浮列車，中低速磁浮列車具有安全低噪、綠色節(jié)能、零排放、造價低廉、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢，且不需要大規(guī)模挖建隧道，特別適用于客流量中等的城市。

2016年5月，長沙磁浮快線作為全球最長的中低速磁浮列車運(yùn)營線正式開通試運(yùn)營，車地?zé)o線通信是城市軌道交通安全運(yùn)營的重中之重，為保障安全運(yùn)營主要承載了：基于通信的列車自動運(yùn)行控制（CBTC）業(yè)務(wù)，用于控制車輛的安全可靠行駛；列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)，用于保障列車運(yùn)行期間關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)；CCTV列車視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，用于實時上傳車內(nèi)視頻監(jiān)控圖像；乘客信息系統(tǒng)（PIS）業(yè)務(wù)，用于發(fā)布路網(wǎng)異常情況下的乘客通知及運(yùn)營服務(wù)信息。

2 WLAN技術(shù)和LTE-M技術(shù)對比

目前，磁浮軌道交通的車地?zé)o線通信都是基于WLAN（WirelessLocalAreaNetwork），相關(guān)設(shè)備工作在ISM（IndustrialScientificMedical）頻段，獨(dú)立設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)。實踐證明基于WLAN的專用車地?zé)o線通信系統(tǒng)能保證當(dāng)前磁浮軌道交通的安全高效運(yùn)營，但仍有一定的局限性。

LTE-M是基于LTE標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求定制的專用LTE通信系統(tǒng)。在軌道交通應(yīng)用方面較WLAN有較明顯的優(yōu)勢。對比如表1。

表1 LTE-M與WLAN區(qū)別

3 城市軌道綜合業(yè)務(wù)的需求分析

根據(jù)對當(dāng)前國內(nèi)已運(yùn)營的城軌線路進(jìn)行業(yè)務(wù)分析，生產(chǎn)業(yè)務(wù)的車地?zé)o線通信需求見表2。

表2 城市軌道交通車地?zé)o線通信需求（單車）

4 LTE-M承載綜合業(yè)務(wù)可行性分析

4.1 LTE-M頻段劃分

1785MHz～1805MHz是行業(yè)專用頻段，該頻段設(shè)備發(fā)射功率大，覆蓋良好，傳輸損耗小，可節(jié)省成本。CBTC列控信息的安全可靠承載需兩張獨(dú)立且并行工作的A/B雙網(wǎng)。根據(jù)磁浮1.8GHz頻率申請情況及不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)需求，A/B兩網(wǎng)信道帶寬及業(yè)務(wù)承載可按表3分配。

表3 頻段資源分配表

4.2 LTE-M傳輸性能

LTE-M系統(tǒng)業(yè)務(wù)端到端傳輸時延小于100ms。丟包率在合理參數(shù)配置下遠(yuǎn)低于0.5%。在配置為MIMO1*1時隙配比1的情形下，當(dāng)SINR控制在0dB時，無線鏈路能提供下行5Mbps上行2Mbps的吞吐量。SINR為15dB時，可提供下行27Mbps上行11Mbps的吞吐量。通過采用AFC（Automatic FrequencyControl）技術(shù)，加強(qiáng)無線鏈路的穩(wěn)定性。

4.3 LTE-M服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障

按不同業(yè)務(wù)需求劃分優(yōu)先級，使CBTC業(yè)務(wù)傳輸?shù)牡脱訒r、低丟包率等指標(biāo)得到保障，在此基礎(chǔ)上調(diào)度其它業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量定義如表4。

表4 LTE-M業(yè)務(wù)優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量劃分

5 基于LTE-M的車地?zé)o線通信方案

5.1 LTE-M網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)

LTE-M網(wǎng)絡(luò)的整體邏輯架構(gòu)如圖1：

圖1 LTE-M邏輯架構(gòu)

5.2 LTE-M網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)

LTE-M網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)、軌旁接入網(wǎng)、車載無線終端三部分組成。磁浮系統(tǒng)需無線覆蓋的區(qū)域包括沿線車站、上下行正線、折返線、車輛段、停車場、試車線。圖2為磁浮線路LTE-M網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)。

圖2 LTE-M網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)

5.3 5MHz+10MHz組網(wǎng)覆蓋規(guī)劃和鏈路預(yù)算

5.3.1 覆蓋方式和基站部署 考慮到增強(qiáng)抗干擾能力，對于正線上下行采用漏泄同軸電纜進(jìn)行無線覆蓋。以單根漏泄電纜方案為例，單分區(qū)連接示意圖如圖3所示：

圖3 漏纜連接示意圖

通過BBU交叉部署，RRU交疊覆蓋的方式確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，具體實現(xiàn)方式如圖4所示：

圖4 無線交織覆蓋

5.3.2 漏纜鏈路預(yù)算 根據(jù)業(yè)務(wù)需求，如果采用5M+10M的方式進(jìn)行承載，則A網(wǎng)5M承載CBTC+車輛維護(hù)信息上行帶寬需求為512k+256k=768kbps，下行帶寬需求為512kbps；B網(wǎng)10M承載CBTC+車載視頻監(jiān)控上行帶寬需求為512k+4M=4.5Mbps，下行CBTC帶寬需求為512kbps。由此可見B網(wǎng)綜合承載為網(wǎng)絡(luò)瓶頸，以B網(wǎng)為鏈路預(yù)算作為小區(qū)半徑規(guī)劃依據(jù)。如表5：

表5 單漏纜鏈路預(yù)算

接收端天線增益（dBi）接收端饋線損耗（dB）目標(biāo)負(fù)載干擾余量（dB）最小信號接收電平（dBm）路徑損耗&小區(qū)半徑慢衰落標(biāo)準(zhǔn)差（dB）區(qū)域覆蓋概率慢衰落余量（dB）寬度因子余量（dB）路徑損耗（dB）傳播模型頻率（MHz）泄露電纜耦合損耗（dB）泄露電纜百米損耗（dB）小區(qū)半徑（km）室外RSRP（dBm）每子載波發(fā)射功率（dBm）室外RSRP（dBm）0.00 0.50 75.00%6.00-109.47 6.00 90.00%4.00 12 101.11漏纜1800 65.00 5.5 656.09 18.23-101.79 1.00 0.00 50.00%6.00-115.42 6.00 90.00%4.00 12 112.77 1800 65.00 5.5 768.55

根據(jù)單漏纜鏈路預(yù)算的計算結(jié)果，預(yù)留80米的切換帶，單小區(qū)覆蓋距離為656*2-80=1232米。

6 結(jié)語

中低速磁浮軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要同時承載CBTC、列車狀態(tài)監(jiān)測、CCTV、PIS等多種業(yè)務(wù)，為了保證磁浮軌道交通安全高效運(yùn)營，且為了減少無線干擾，應(yīng)采用不同于ISM頻段的專用頻段來建設(shè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。相對WLAN，LTE系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、綜合承載能力強(qiáng)、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)。通過分析可以得出結(jié)論：采用LTE系統(tǒng)承載軌道交通綜合業(yè)務(wù)，能保障多種業(yè)務(wù)的不同傳輸需求，為未來業(yè)務(wù)擴(kuò)展提供有效的傳輸通道。