LTE-M车地无线通信单双漏缆敷设研究

张焕增

(济南轨道交通集团有限公司，济南 250002)

1 各城市车地无线通信TD-LTE应用现状

根据国内轨道交通运营现状和发展趋势，结合《关于重新发布1785 ～1805 MHz 频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无[2015]65 号）和《工业和信息化部关于加强1447 ～1467 MHz和1785 ～1805 MHz 频段无线电频率使用管理的通知》（工信部无[2018]197 号）精神，各城市新建线路信号系统多采用TD-LTE 车地无线通信方式，部分线路采用TD-LTE 进行综合承载，根据各地无委会频率批复情况不同，采用的方案也有差异，采用TDLTE 车地无线通信方式的传输介质主要是漏缆。

如频率批复15 ～20 M，根据目前的方案可进行综合承载，主要承载列车自动控制（CBTC）、列车紧急文本下发、列车状态监测、实时视频监控、乘客信息服务及宽带集群调度等业务。如批复10 M 及以下，只能单独承载信号系统，其他系统采用WLAN 方案。

漏缆价格较为昂贵，以30 km 的线路计算，漏缆需要上下行双向敷设，知名品牌的漏缆单价在每米100 元左右。在材料费方面，单漏缆方案比双漏缆方案节约600 万左右，施工相关费用按照定额40 元/米，共计240万左右，总计节约投资840 万左右。从造价上分析，单漏缆方案要比双漏缆方案节约很多投资，因此深入研究采用LTE 方案时使用单漏缆还是双漏缆是非常有意义的。

2 综合承载情况下的漏缆使用情况

考虑到CBTC 业务高可靠传输的要求，车地无线综合通信系统方案须采用A/B 双网设计，A/B 网相互独立，并行工作。信号系统CBTC 业务在两套网络上同时传输，由信号系统同时接收并判断确定使用有用信息。而车载视频监控（CCTV）业务和车载乘客信息系统（PIS）视频业务以及列车运行状态信息仅承载在A 网。综合承载结构如图1 所示。

LTE 采用基于IP 的扁平化网络结构，由核心网子系统EPC、无线子系统eNB、网管子系统及终端设备组成，其中，eNB 包含基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）设备。综合承载情况下因承载业务多，带宽要求高，双漏缆按照特定敷设要求可以产生多入多出效应（ MIMO），能增加系统传输带宽，AB 双网通过合路器整合后将信号灌入漏缆中，目前应用综合承载的线路基本采用双漏缆覆盖，大大提高了系统的稳定性和可靠性。

3 单独承载情况下的漏缆使用情况

针对单独承载信号系统的情况，对单漏缆布置方案进行分析，并考虑各种故障情况下的通信状态，分析如下。

图1 综合承载系统架构Fig.1 Architecture of comprehensive bearing system

漏缆的传输指标：以安佛施漏缆指标为例，如图2 所示。

图2 中标圈出的为1.8 G 频率下的漏缆传输损耗，每100 m 损耗为4.6 dB，漏缆耦合损耗按照60 dB 考虑。

漏缆损耗计算常用信息如表1 所示。

表1 不同设备漏缆损耗计算表Tab.1 Loss calculation table of leaky cable

双网单漏缆连接方式如图3 所示。

图2 安佛施漏缆指标Fig.2 Index of RFS leaky cable

图3 双网单漏缆网络连接图Fig.3 Network connection diagram of double network single leaky cable

场景1：漏缆中间断开如图4 所示。

图4 双网单漏缆连接方式中间漏缆断开图Fig.4 Middle leaky cable disconnect diagram of double network single leaky cable connection mode

列车在断点前的信号强度：广播信号强度－电桥损耗－接头损耗－跳线损耗－漏缆传输损耗－漏缆耦合损耗－宽度因子－工程余量+终端天线增益=15 － 3.5 － 1 － 2（跳线损耗）－ 4.6×6 － 60（耦合损耗)－0（宽度因子）－5+3（天线等效增益）=-81 dBm。

终端切换的判决条件：目标小区比邻区强3 dB，持续300 ms。

宽度因子是漏缆覆盖衰落的原因，公式：20lg（D/2），D 是终端距离漏缆的距离。若车速为60 km/h（17 m/s），切换点原小区场强计算，列车跨过断点3 m 后能够满足前方RRU 信号比后方RRU 信号强3 dB 的条件。但列车要距离前行300 ms（约5 m），才能触发切换。切换时距离断点8 m，信号强度=-81 dBm－20lg（8/2）dB=-93 dBm。两个RRU 之间漏缆中断，能正常切换。

场景2：RRU 附近漏缆中断如图5 所示。

图5 双网单漏缆连接方式中间RRU附近漏缆断开图Fig.5 Middle leaky cable disconnect (near RRU) diagram of double network single leaky cable connection mode

列车在故障点前的场强：15－3.5－1－2（跳线损耗）－4.6×12－60（耦合损耗）－0（宽度因子）－5+3（天线等效增益）=-108 dBm。

这个强度中断切换失败概率很高。

从场景2 分析，根据LTE-M 相关规范，列车在行驶过程中，场强大于-95 dBm 时无线通信能保持正常通信，小于-95 dBm 时信号会逐渐衰弱，但并非无线通信会立即断掉。只是信号强度会变弱，无法保证能正常通信。按照-95 dBm 场强考虑，漏缆的单侧长度大约在-95 dBm－（-108 dBm）=13 dB，13 dB/（4.6 dB/100 m）=282 m。 从 计 算 结 果来看，RRU 出线端至282 m 位置信号强度低于-95 dBm。也就是说单端RRU 可以有效的长度为1200 m－282 m=918 m。

根据常规的LTE 天线布置方案，车辆车头车尾分别有A 网及B 网天线。以6 节编组B 型车为参考，两端天线之间至少100 m 间距，RRU 终端附近有断点时，当车头位置到达断点时，车尾距离另一侧RRU 距离大约1100 m 位置，此时场强大约为15－3.5－1－2（跳线损耗）－4.6×11－60(耦合损耗)－0（宽度因子）－5+3（天线等效增益）=-103 dBm。

在这个强度下虽然无法保证正常通信，但从-95 dB 也就是282 m（自断点）处至100 m（自断点）-103 dB 的过程中，无线信号可能会出现断断续续的情况，结合信号系统车地无线通信普遍存在5 ～9 s 中断后即紧急制动的情况。因此，在这一段距离范围内，存在中断并且产生紧急制动的情况还是存在的，但是也有一定概率是不会产生紧急制动。

4 总结与展望

通过本文分析，针对城市轨道交通车地无线系统，建议漏缆的配置方式如下。

1) 综合承载的情况下，采用双漏缆，确保网络稳定可靠。

2) 单独承载信号的情况下，通信系统采用WLAN 方式。信号系统采用单漏缆的覆盖方式，根据各种漏缆中断情况，只有在RRU 附近漏缆中断的情况下，列车有一定概率产生紧急制动。

从工程实际应用角度来讲，地下段隧道漏缆通常挂在4 m 高度，施工完成之后很少会进行漏缆施工，因此，漏缆断开的概率较小。高架段通常安装在U 梁下方，风吹日晒雨淋等环境较为恶劣，同时维护施工过程中可能会存在踩踏破坏等情况，损坏断开的概率较大。从工程实际应用角度考虑，建议采用双漏缆，提高整个车地无线系统的可靠性。