LTE-M系统在同站台平行换乘车站覆盖方案的应用研究

张世铭

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

LTE-M 系统具有专用频段、高带宽、低延迟、广域覆盖、高速切换不中断等优点，在轨道交通中已得到广泛应用。在工程建设中，LTE-M 系统需解决多条线路共用场段、同站台平行换乘、单洞/单桥双轨等复杂应用场景的覆盖问题。本文针对LTE-M 系统在同站台平行换乘车站的覆盖问题进行分析，并将推荐方案在工程中进行验证。

1 LTE-M系统简述

LTE-M 系统由核心网、基站、数据终端、运营与支撑子系统组成。系统采用A/B 双网设计，双网相互独立，并行工作。A 网为综合承载业务网络，B 网为信号业务专用网络。核心网、运营与支撑设备设置在控制中心和车辆段，BBU 设置在车站和场段，RRU 设置在区间和场段，车载终端设置在司机室，手持终端配发给工作人员。

2 同站台平行换乘车站型式对覆盖方案的影响

同站台平行换乘车站型式有地下两层双岛、地下两层单岛两侧、地下三层叠岛同向、地下三层叠岛反向、地下双站双向。车站型式直接决定RRU输出功率、漏缆辐射角度、天线辐射角度，车站非站台层区域应采用全向吸顶天线覆盖，站台层轨行区优先采用漏缆覆盖，在不具备漏缆安装条件的区域应采用高增益窄波束定向天线覆盖。

3 综合承载业务类型对覆盖方案的影响

LTE-M 系统综合承载业务包括：列车运行控制、列车紧急文本下发、列车运行状态监测、车载视频监控、车载PIS、集群调度业务。除集群调度业务须覆盖全站外，其他业务仅需覆盖轨行区。在工程建设中，在本站单独设置RRU，将其对应覆盖区域限定为本站及从本站起终点分别向区间延伸50 ～100 m，达到本小区内最多同时出现本线两列车的目的。根据上述条件，系统带宽需求如表1 所示。

表1 LTE-M系统综合承载业务带宽需求表Tab.1 Bandwidth demand table of integrated carrying services of LTE-M system

从LTE-M 系统带宽速率表查表可知：

1）A 网在承载含集群调度业务的安全数据时至少需要1.4 MHz 频宽，在承载所有数据时至少需要5 MHz 频宽；

2）B 网至少需要1.4 MHz 频宽。

4 覆盖方案比选

LTE-M 系统在在同站台平行换乘车站有以下5 类覆盖方案。

1）频率隔离

各线路在中心侧分别建设本线核心网，在车站分别建设本线侧无线接入网，各线路选用两组相异频段。

2）空间隔离

各线路在中心侧分别建设本线核心网，在车站分别建设本线侧无线接入网，各线路选用两组相同或部分重叠频段。

3）核心网共用

各线路在中心侧共用核心网，在车站分别建设本线侧无线接入网，各线路任意选用两组频段。

4）核心网互联互通

各线路在中心侧分别建设本线核心网，并做互联互通。由先建线路完整建设本站无线接入网，后建线路在已建成无线接入网内进行跨网切换。

5）基站共享

基站共享有4 种类型。方案一为各线路在中心侧分别建设本线核心网，先建线路建设本站所有基站，并虚拟为各线基站。基站通过S1 链路同时接入各线核心网，为各线服务，各线小区采用两组相异频段。方案二与方案一类似，但各线小区采用相同或部分重叠频段，且配置为载波聚合模式。方案三、方案四为各线除共享本站基站外，还共享部分核心网设备，区别在于是否采用相异的频段。因LTE-M 系统的频段资源有限，且承载业务对带宽有较高要求，在此类方案中推荐采用方案二。

上述覆盖方案的对比如表2 所示。

表2 LTE-M系统在同站台平行换乘车站覆盖方案对比表Tab.2 Comparison table of LTE-M system coverage scheme of parallel transfer form with the same platform

在现阶段应用中，LTE-M 系统较少承载集群调度业务，也极少存在列车跨线运营需求。因此覆盖常采用频率隔离或空间隔离方案，而频率隔离的频谱利用率低，在适用性和带宽方面劣于空间隔离，因此，应优先采用空间隔离方案。

5 空间隔离方案分析

空间隔离方案的原理是通过合理的器件选型和天馈系统设计，利用站台层公共区、屏蔽门、设备区隔墙、列车车体等障碍物因素减少系统间相互干扰。各线LTE-M 系统按获批频段进行配置，并采用相同的发射功率、传输模式、子帧配比和GPS时钟，确保双方系统的上下行时隙同步，本方系统下行信号不会影响对方系统上行信号，这样仅需对下行信号的干扰裕量进行计算。

根据《城市轨道交通车地综合通信系统(LTE-M)》的规范要求，当参考信号接收功率（RSRP）不小于-95 dBm 时，信号与干扰加噪声比（SINR）应≥3 dB。结合工程实际经验，宜将SINR 设定为≥9 dB。

vN是包含底噪和其他异系统的干扰信号以及来自对方线路的同频干扰信号，则公式等价为：SINRdB=RSRP本线－20lg（V异系统+V底噪） 。

一般情况下，底噪为高斯白噪声与现场环境中其他异频段无线系统的综合作用，其值常小于－115 dB，且远小于来自同频段对方线路的干扰，因此可设定V异系统=V底噪，并定义V异系统为来自对方线路的同频干扰，则系统所需的隔离度为：SINRdB=RSRP本线－RSRP对方线路－6，代入SINR值，得RSRP本线＞RSRP对方线路+15，即在覆盖范围内，本线与他线RSRP 的差值不小于15 dB，则可认为满足空间隔离的要求。

在站台屏蔽门设置区域对应的轨行区范围内，应在结构侧墙或隔墙上安装漏缆，若现场未设置墙体，则应通过在轨行区结构柱间加装辅助挂架完成漏缆安装。在站台设备区对应的轨行区内，因现场不具备两根漏缆并行敷设的空间，故在轨行区隔墙或结构柱起始端头处加装定向天线。典型车站覆盖示意如图1 所示。

6 测试方案

1）测试环境

图1 同站台平行换乘车站（地下两层一岛两侧四线）覆盖平面示意图Fig.1 Coverage plan sketch of the parallel transfer form (two underground floors and four lines on both sides of one island) with the same platform

西安地铁4 号线与机场线在北客站形成同站台平行换乘关系，车站型式为地下两层一岛两侧四线，两线LTE-M 系统均为承载除集群调度业务以外的其他业务，因此在北客站采用空间隔离方案。4 号线与机场线分别建设各自的LTE-M 系统，并在北客站采用相同子帧配比、时隙、发射功率和GPS 时钟。

2）测试步骤

a. 4 号线和机场线同时开启LTE-M 系统。

b.测试设备在4 号线覆盖区域接入4 号线，获取4 号线SINR 值、丢包率和时延。

c.测试设备在机场线覆盖区域接入机场线，获取机场线SINR 值、丢包率和时延。

d.关闭机场线、维持开启4 号线的LTE-M 系统。测试设备在机场线覆盖区域接入4 号线，获取的场强值为4 号线对机场线的干扰值。

e.关闭4 号线、维持开启机场线的LTE-M 系统。测试设备在4 号线覆盖区域接入机场线，获取的场强值为机场线对4 号线的干扰值。

7 测试结果及分析

1）步骤a 的测试数据如表3 所示。

2）步骤b 测得4 号线系统场强为-100 dBm。

3）步骤c 测得机场线系统场强为-100 dBm。

4）干扰裕量分析

干扰裕量为有用信号强度与干扰信号强度差值。结合上述数据得出，4 号线系统干扰裕量为（-80 dBm）－（-100 dBm）=22 dB，机场线系统干扰裕量为（-79 dBm）－（-100 dBm）=21 dB，均大于预设的15 dB，满足隔离要求。

表3 测试数据Tab.3 Test data

8 结语

从4 号线LTE-M 系统投入运行至今，系统运行平稳，实践证明，当LTE-M 系统不承载集群调度业务时，空间隔离方案是解决同站台平行换乘车站覆盖问题的有效措施。对有其他需求的LTE-M系统而言，应统筹考虑承载业务类型、获批频段资源、跨线运营需求、招标模式等因素，对覆盖方案进行合理选择。