轨道交通车地通信LTE特殊场景覆盖分析与解决方案

徐淑鹏



轨道交通车地通信LTE特殊场景覆盖分析与解决方案

徐淑鹏

（郑州市轨道交通有限公司，郑州 450000）

在国内轨道交通快速发展下，城市轨道交通线路正在向网络化发展。轨道交通的线路、车站、车辆段、隧道区间等建设情况日趋复杂，使基于TD-LTE技术的车地通信系统的设计、建设和维护难度越来越大。在规划设计和建设中应保证车地业务的安全、可靠，减少信号干扰，应用新的技术满足轨道交通不断增长的需求。基于郑州市轨道交通车地无线LTE综合承载方案，结合前期建设、运营的经验，针对轨道交通线网中多种复杂场景的应用分析，结合1.8 G频率资源优化配置，提出特殊场景下车地通信LTE覆盖解决方案，并对不同场景下空间隔离、频率隔离、共基站覆盖等方案进行对比分析，为实际工程建设提供有效的理论依据与工程实施方法。

轨道交通；车地通信；特殊场景；综合承载

随着城市轨道交通的不断发展和LTE车地通信技术的不断应用，通信工程部署面临越来越多的复杂场景，如多条线共用车辆段、同站台换乘、长大区间覆盖、单洞双线、全自动驾驶等场景。在实际LTE网络部署中，如何充分利用1.8G频率资源实现车地业务的安全、可靠承载，并减少信号干扰。同时，随着LTE技术的不断发展，需要考虑如何应用新的技术满足轨道交通不断增长的需求。针对上述各类场景的特点与业务需求进行分析，提出不同场景覆盖解决方案[1]。

1 郑州轨道交通车地无线综合承载组网方案

总结郑州轨道交通1、2号线及城郊铁路TD-LTE承载车载PIS和车载CCTV业务使用情况，结合2号线六站五区间对TD-LTE综合承载科研测试结果，从安全性、可靠性、冗余性和投资等方面综合考虑。

综合承载业务的系统架构从网络结构设置区域层面可以划分为5层，即中心设备层、有线传输层、无线覆盖层、车载终端以及应用层[2]。LTE综合承载系统架构采用基于IP的扁平化网络结构，架构简单，维护节点少，核心设备冗余设置，满足安全性的要求，系统架构如图1所示。

图1 系统架构

从系统架构中可以看出，有线传输系统部分，实现了全线所有设备集中站，设备非集中站，车辆段以及试车线的网络连接，主要由工业以太网交换机组成。无线通信系统部分，包括车载无线设备、BBU和RRU，LTE漏缆（地面为天线），通过无线传输方式建立车载和轨旁设备间可靠的通信连接。

根据信号系统的双网冗余结构，结合郑州市轨道交通申请到的20 MHz带宽，同时考虑到TD-LTE目前只能支持1.4/3/5/10/15/20 MHz组网，郑州市轨道交通基于TD-LTE的车地无线通信A、B网采用15 M+5 M的频率配置方案，A网（1 790～1 805 MHz）采用15 M带宽资源同频组网，实现综合承载；B网（1 785～1 790 MHz）采用5 M带宽资源同频组网，承载信号CBTC列车控制信息[3]，如图2所示。

图2 A、B网无线资源分配

郑州轨道交通车地无线LTE综合承载PIS、CCTV和CBTC业务，正线地下区间使用漏缆覆盖，高架和车站使用天线覆盖方案[4]。综合承载LTE A网和B网针对地下区间漏缆覆盖采用共享专用无线通信系统和警用无线通信系统的两根漏缆方案[5]。

2 特殊场景分析及覆盖方案研究

2.1 场景1：多条线同场共址车辆段

多条线路共用车辆段，多条线路的无线通信网络在车辆段汇集到一起，车辆段的无线覆盖分为“库内覆盖”、“咽喉区覆盖”和“试车线覆盖”等部分。为避免线路之间无线信号的相互干扰，库内无线覆盖可考虑采用空间隔离、频率隔离、基站信号共小区覆盖等方案[6]，图3所示为郑州轨道交通4、12号线河西车辆段鸟瞰图。

图3 郑州轨道交通4、12号线河西车辆段鸟瞰图

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

2.1.1 空间隔离方案

两条线车库间可使用墙体隔离，采用相同的频率，采用A网承载15 M频宽，B网承载5 M频宽的模式，可满足车库内多辆车、大带宽的需求。咽喉区在空间上也存在一定间距（超过120 m），通过天线位置和覆盖方位可实现空间隔离。

2.1.2 频率隔离方案

两条线路的咽喉区在空间上没有墙体隔离，仅使用天线的位置和覆盖方位进行隔离不能满足载干比的要求，所以在咽喉区还要使用频率隔离。若库内墙体隔离土建实施难度大或投资大，则可采用频率隔离的方案实施，其中一条线路库内及咽喉区采用A网承载5 M频宽，B网承载5 M频宽；另一条线路库内及咽喉区采用A网承载5 M频宽，B网承载5 M频宽的方案。

2.1.3 基站信号共小区覆盖方案

3条线路的基站共用核心网，基站侧采用基站共小区，减少切换和干扰。由于此场景对核心网的可靠性要求比较高，且影响范围大，建议将主备核心网异地或异线部署。

2.1.4 方案比较（见表1）

表1 多条线同场共址车辆段覆盖方案比较

2.1.5 段场具体场景覆盖方案

运用库覆盖方案：运用库采用基站RRU中间放置，天线背靠背覆盖方式，满足同时多辆列车终端并发传输数据[7]，如图4所示。

图4 运用库覆盖方案

Fig. 4 Vehicle storehouse coverage scheme

咽喉区覆盖方案：咽喉区与隧道口相接，覆盖方案要考虑隧道、变轨、车库内小区重叠等问题。典型场景覆盖如图5所示。

图5 咽喉区覆盖方案

试车线覆盖方案：可结合具体的场景采用天线覆盖，以及漏缆和天线结合的方式覆盖。

2.2 场景2：同站台换乘

随着地铁线路建设的增多，面临越来越多的线路换乘，两条线路的同站台换乘分为单岛双线以及双岛四线两种方式。

2.2.1 单岛双线场景

两条线路在换乘站使用同一个轨道。共轨段部署两套信号设备和无线接入设备。如图6所示。

图6 单岛双线场景

1）共用频段方案

两条线路共用相同的频段，如果双线无线覆盖连接同一个EPC，采用RRU共小区特性，减少切换和干扰。如果双线无线覆盖连接不同的EPC，选择一条线路在换乘区做无线覆盖，通过终端在不同设备商网络间漫游的方案，减少干扰。

2）频率隔离方案

两条线路采用不同的频率，互不干扰。

3）方案比较，见表2

表2 单岛双线场景覆盖方案比较

2.2.2 双岛四线场景

两条线路换乘，不共用轨道，共4条轨道。一般中间两条轨道是一条线路，两边轨道是另一条线路。如图7所示。

图7 双岛四线场景

1）共基站覆盖方案

如果四线无线覆盖为同一设备商，采用RRU共小区特性，减少切换和干扰。

如果四线无线覆盖为不同设备商，选择一条线路在换乘区做无线覆盖，通过终端在不同设备商网络间漫游的方案，减少干扰。

2）频率隔离方案

4条线路采用不同的频率，互不干扰。

3）方案比较，见表3

表3 双岛四线场景场景覆盖方案比较

2.3 场景3：长大区间覆盖

随着轨道交通的建设延伸，如机场线、市域线等，出现长大区间的覆盖，车站间距比较大，此时需充分考虑LTE在1.4 MHz、3 MHz、5 MHz组网下的覆盖距离、平均带宽等。其场景如图8所示，覆盖方案比较如表4所示。

图8 长大区间场景

表4 长大区间覆盖方案比较

通过对各种频宽组网场景下的仿真规划，结果如表5所示：

表5 各频宽组网上下行速率对比

综上所述，需根据承载的业务类型（如CBTC GOA等级）带宽需求选择不同的频宽组网以及站距规划[8]。

2.4 场景4：单洞双线覆盖方案

方案场景如图9所示。

图9 单洞双线场景

2.4.1 共用频段方案

同频组网，上下行RRU共用，使用双漏缆进行覆盖，考虑到可能的车体遮挡，在隧道两侧各布置一根漏缆[9]，如图10所示。

图10 共用频段方案

2.4.2 频率隔离方案

上下行采用不同频率组网，隧道两侧分别使用双漏缆进行覆盖。如图11所示。

图11 频率隔离方案

2.5 全自动驾驶场景下的覆盖

全自动驾驶场景下，车地通信部分对车载移动视频回传的需求承载加大，按照每列车6节车厢，每节车厢4路高清视频，包括司机室4路视频，每列车的视频需求为28路[10]。按照高清视频需求每路8 Mb/s，可得到每列车视频需求速率为224 Mb/s，如果是H.265编码，高清每路2 Mb/s，则每列车视频需求速率为56 Mb/s；全自动场景下，按调用视频考虑，则带宽需求14路×2=28 Mb/s，这个带宽需求应是目前全自动驾驶对车地通信比较实际的需求。1.8 GHz LTE组网满足不了CBTC+全自动驾驶+移动视频的综合承载需求。可考虑LTE-U技术，实现非安全、大带宽类业务的承载，LTE-U与WLAN技术比较见表6。

表6 全自动驾驶场景下LTE与WLAN技术对比

实际部署中，可考虑1.8 GHz LTE组网和5.8 GHz LTE-U组网结合的方式满足全自动驾驶场景下的CBTC高可靠性以及高清视频高带宽需求。

3 结语

在介绍郑州轨道交通车地无线综合承载组网方案的基础上，对轨道交通线网中的复杂场景进行细分，并对每一种不同场景下LTE网络覆盖的影响因素进行分析，针对各场景特点和业务需求提出了解决方案，既达到最佳的无线网络覆盖效果，还有效地节约了建设成本，为实际工程建设提供了理论依据和工程实施方法[11]。

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（编辑：王艳菊）

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

徐淑鹏，男，本科，技术管理部副部长，高级工程师，从事轨道交通通信、信息技术研究，Xsp1969@qq.com