基于LTE窄带宽的城市轨道交通无线通信系统

洪 婷，姚 楠，张 杨，白 烨

（1.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430079；2.武汉智慧地铁科技有限公司，湖北 武汉 430040）

1 研究背景

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，如何充分利用 1.8 G 频率资源实现车地业务的安全、可靠承载，并减少信号干扰是需要重点解决的问题之一。2016年底武汉6号线在国内首次采用LTE承载CBTC业务开通运营，基于1.8 GHz专用频段LTE技术开始全面取代传统基于2.4 GHz频段WLAN制式[1]，在国内新建线路中成为主流的车地无线专用通信系统[2]。由于1 785～1 805 MHz频段资源的稀缺性，越来越多的城市开始面临专网频段资源紧张、多行业竞争用频矛盾突出的情况[3]。随着近年来城市轨道交通建设的快速扩展，主要中心城市的线网规模不断扩张，同步伴随着大批新建线路CBTC及综合承载系统LTE-M网络的不断增长，现有LTE系统同频隔离需求、同站换乘和同频干扰问题也开始逐步显现[4-5]。特别是针对CBTC系统双网冗余的高可靠性要求，现有LTE系统可用频段紧缺问题越发突出，本系统采用窄带宽组网，解决了频率资源不足和同频干扰导致行车控制安全问题。

2 问题描述及原因分析

2.1 问题描述

武汉轨道交通21号线部分站点（特别是高架区间站点，如武生站）受移动1 800 MHz DCS信号干扰，对轨道基站上行接收性能影响较大，导致上行误码率抬升，性能指标下降，甚至造成列车EB。图1为某时刻采集到的高架段站点上行误码率统计数据（横坐标为51的点即为武生院处，上行误码率高达51.06%）。

2.2 原因分析

对性能较差的站点进行实地扫频，分析采集数据可以得出设备上行存在阻塞风险很大，且风险均来源于DCS1 800 MHz下行。下面以沙口和武生两站对情况加以分析说明（见图2）。

2.2.1 沙口站

1 785～1 795 MHz段为两个5 MHz宽带信号，该频段内最大干扰信号大于-80 dBm/100 kHz=-60 dBm/10 MHz。1 805～1 815 MHz段为DCS1 800 MHz下行信号，均为200 kHz带宽，考虑几个功率大于-60 dBm的干扰信号总功率大于-45 dBm+（-45 dBm）+（-48 dBm）+（-49 dBm）+（-55 dBm）+（-55 dBm）+（-58 dBm）=-39.9 dBm，该频段内总干扰功率已超过-40 dBm。故此沙口站存在上行阻塞的风险很大，风险来源为DCS1800下行。

图1 高架段上行误码统计

2.2.2 武生站

1 785～1 795 MHz段为两个5 MHz宽带信号，该频段内最大干扰信号约-95 dBm/100kHz=-75 dBm/10 MHz。1 805 MHz-1 815 MHz段为DCS1800MHz下行信号，均为200 kHz带宽，仅1 807.2 MHz频点的干扰电平就已达到-32 dBm。故此军民村站存在上行阻塞的风险很大，风险来源为DCS1800下行。

注：由于设备滤波器从带外10M开始考虑抑制度指标，且经过实际测试设备能够承受的最大干扰为-40 dBm，所以该干扰分析报告以1 775～1 815 MHz内总干扰信号是否超过-40 dBm作为评判依据。

3 轨道交通的LTE窄带宽无线接入系统组成

3.1 系统设备组成

LTE车地无线通信系统由轨旁有线系统、车地无线系统和车载有线系统组成。

（1）轨旁有线系统：主要包括LTE核心网、核心网交换机、LTE网管等设备组成，通过轨旁以太网工业级交换机组成的有线传输网络，与LTE基站连接。

图2 沙口站基站天线处来向与去向扫频结果

图3 武生站天线处扫频结果

（2）车地无线系统：主要由LTE轨旁基站、漏缆/天线和LTE车载接入终端组成，构成无线传输通道。

（3）车载有线系统：车头、车尾LTE车载接入终端分布与A、B网CBTC车载信号设备接口，构成车载有线网络。

LTE系统组网结构如图4所示。

3.2 LTE系统设备组成

（1）LTE核心网（EPC）：主要功能是提供LTE网络侧接入控制、数据路由和转发、移动性管理、安全、无线资源管理等，是LTE承载网络和外部网络（CBTC业务系统）的接口。为实现多种业务网络连接、互联互通及必要的网络管理功能，核心网配置专门的交换机用于实现不同层面的业务和管理接口。

（2）网管服务器（OMC）：专门用于管理LTE系统的主要网元设备，包括EPC、基站、车载终端、1588时钟服务器等。

（3）1588时钟服务器：为LTE基站提供微秒级的精准时间同步保证。

图4 LTE车地无线通信系统结构

（4）LTE基站（eNodeB）：从设备形态上可以分为一体化或分布式基站，分布式基站分为BBU（基带处理单元）和RRU（射频拉远单元），BBU通常安装在机房内提供有线传输链路接入和无线接入控制，RRU安装在轨旁，用于沿线LTE信号覆盖。一体化基站包含基带处理和射频处理的完整功能，只安装在轨旁，通过光纤接入到各车站接入交换机。

（5）LTE车载终端TAU：为车辆提供LTE通信接入和无线数据传输服务。

3.3 系统功能

LTE车地无线通信系统主要包括以下功能：数据传输功能、无线网络功能、网络管理功能。

3.3.1 数据传输功能LTE系统具有以下数据传输功能。

（1）分组数据无线传输功能：LTE网络是基于全IP的无线数据网络，在用户终端（UE）和分组数据网络之间建立无缝的移动IP连接。LTE网络主要由两部分组成：无线接入网和核心网，其中，无线接入网主要由基站组成，核心网主要由移动性管理实体、服务网关和分组数据网络网关组成，如图5所示。

图5 LTE分组数据网络架构

（2）分组数据重发功能：最大重发次数满足承载业务实时性要求，LTE技术采用了两层重传技术为无线传输提供可靠保障。MAC层HARQ机制，主要用于解决物理信道传输差错，通过物理层下行PHICH信道及上行ACK/NACK反馈信息来实现快速错误重传，下行采用自适应异步HARQ，上行采用非自适应同步HARQ。HARQ重传最大次数可由基站进行配置，在满足业务实时性要求的前提下尽可能提供可靠性保证；RLC层ARQ机制：在MAC层重传达到最大次数的情况下，由RLC层通过ARQ实现数据链路层完整分组数据的重传，进一步降低误码率，为上层业务提供给足够的传输可靠性。

（3）分组路由转发功能：LTE系统通过核心网的PGW/SGW网元实现业务数据的路由功能，PGW/SGW作为标准的数据网关设备支持完整的路由功能，具有分组数据路由转发功能。路由功能的主要工作就是为经过路由设备的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。

（4）虚拟专网（VPN）功能：虚拟私有网VPN，是在公用网络上构建私人专用网络的一种技术。VPN有别于传统网络，它并不实际存在，而是利用现有公共网络，通过资源配置而成的虚拟网络，是一种逻辑上的网络。VPN只为特定的企业或用户群体所专用。从VPN用户角度看来，使用VPN与传统专网没有区别。VPN作为私有专网，一方面与底层承载网络之间保持资源独立性，即在一般情况下，VPN资源不会被承载网络中的其他VPN或非该VPN用户的网络成员所使用；另一方面，VPN提供足够安全性，确保VPN内部信息不受外部的侵扰。

（5）虚拟局域网（VLAN）功能，不同类型的数据经由不同的VLAN进行传输，控制广播控制广播风暴区域；VLAN功能提供了将一个物理网络隔离成多个逻辑网络的技术，通过划分不同的VLAN，每个VLAN是一个独立的广播域，从而实现了不同VLAN广播域的隔离，能够控制广播风暴区域。这样，广播报文被限制在一个VLAN内，从而保证信息安全。

（6）QoS分级控制功能，支持LTE标准定义的9级QoS优先级，LTE支持9级QoS，用户可以定义数据传输的QoS等级，实现对重要业务的资源优先分配。在网络边缘，数据传输性能降低的情况下，LTE系统优先保证QoS等级高的业务传输。

3.3.2 无线网络功能

LTE系统支持1.4 MHz，3 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz，20 MHz系统带宽灵活配置。LTE系统设备支持3GPP定义的所有的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。无线网络在高速场景下会产生多普勒频移，对通信质量造成较大的影响。LTE基站支持AFC（自动频率控制）频率纠偏和补偿算法，能够有效降低或消除多普勒频移对无线通信系统的影响。

3.3.3 网络管理功能

LTE网络中A/B网可分别配置，或合设一套网络管理设备，管理网内所有的网络设备，为系统运营和维护提供全方位的网络管理。

网络管理设备管理控制中心、正线、车辆段的基站、TAU设备，可以查询LTE设备的工作状态，并且对故障进行告警。其功能如下：

（1）具备维护和诊断能力，以检测系统设备的失效并对其进行反应，并包含远程诊断能力和失效显示以便故障告警，并且及时的识别安全相关失效的组件和功能。

（2）网管系统软件用数据库实现数据记录能力。可根据对数据库记录的数据的分析，重现导致故障的通信事件序列。

（3）网管系统软件界面提供对网络中各设备的状态展示、拓扑图展示、故障检测告警和远程诊断，及对相关端口性能的实时监测和历史查询功能，并具有日志记录和显示功能。

（4）网管设备通过对网络的监控，实现故障管理、性能管理、配置管理、安全管理、通信管理、拓扑管理、系统管理，能够通过网络配置实现统一的网络资源管理。

4 系统抗干扰措施

4.1 无线抗干扰原理

LTE系统使用无线传输方式实现车-地之间的双向通信，无线信号传输容易受到外界干扰。可能的干扰源有以下几个。

（1）供电系统：轨旁环网，接触网/三轨供电，钢轨回流，牵引供电电源频率谐波。

（2）车辆系统：逆变器控制牵引和辅助设备开关行为产生的瞬态值。

（3）其他无线通信系统：调度无线系统，公安无线系统，消防无线系统，旅客信息系统。

（4）乘客携带的无线设备：随着智能终端的普及，乘客越来越多的携带具备WIFI功能的设备乘坐地铁，在站台候车。同时，开放线路空间也越来越多地被无线信号覆盖。若这些设备均工作在1.8G ISM频段，因此其对使用同样频率的LTE系统有可能造成干扰。

（5）电信运营商提供的无线网络：如TD-LTE等。

（6）其他机电系统：风机，空调，屏蔽门等。

（7）其他地铁线路的机电设备。

（8）外来干扰源：轨旁的建筑物内的无线通信系统，霓虹灯，无线运营商，高压线路，机场，工矿企业，高压线路等。

（9）雷电。

LTE系统采用1.8GHz频段传输无线信号，实现车地双向通信，承载CBTC业务。轨道交通行业使用1.8 GHz行业专网频段，需向当地无线电管理委员会申请，审批通过后才可合法使用，因此在合法申请使用、无委会监管前提下，该频段范围内没有来自系统外部的直接同频干扰[6-7]。

4.2 抗干扰措施

4.2.1 带内干扰

LTE系统同频干扰会造成LTE接收信号的解调出现误码，在干扰严重时将严重干扰LTE通信，造成丢包率增加、延时加大、甚至阻断连接。

在1 785～1 805 MHz频段内，来自于和本线路LTE带宽相同的其他线路LTE信号干扰，可以通过以下措施缓解或消除。

（1）小区间干扰消除技术（ICIC）：原理是使用相同频率的邻近小区，配置不同的边缘频带，保证处于小区边缘、信道质量相对较差的终端在业务信道上与邻近同频小区隔离，降低干扰影响程度；

（2）跨线运营：例如线路1、线路2经过一片公共、开放站台区域，相互之间没有足够的空间隔离，可能有比较强的相同干扰，这时只保留线路1的无线信号覆盖，档线路2的列车经过此范围时，先漫游到线路1；离开这片区域、回到线路2下个小区无线覆盖范围后，再重新连接回原本归属的线路2.这种方式需要两条线路的核心网之间支持互联互通相关的协议标准。

（3）共享小区：例如线路1、线路2在某片公共区域，共享一个基站提供的无线接入传输，该基站应具备两条独立的光纤回传链路，分别接入到线路1和线路2的核心网；基站通过终端身份识别，控制经过该区域的两条不同车辆对应的数据传输路由通道，这样对两条线路的终端和核心网都互不影响，确保业务独立性。

4.2.2 带外干扰

带外干扰信号对LTE系统的影响主要体现在对基站、TAU LNA（低噪放）接收的干扰，降低接收灵敏度，严重抬升噪声水平，缩小基站覆盖距离；严重时会阻塞LNA的接收，彻底关闭上行通道。

解决带外干扰的主要措施包括：

（1）基站内部滤波器。

基站、TAU为了规避带外干扰信号带来的影响，特别选用高抑制、低带宽的腔体滤波器，能够极大抑制带外信号进入基站、TAU的LNA通道，保证系统接收灵敏度。

基站、TAU内部的基带滤波器设计也能够在一定程度上抑制带外信号的干扰，在腔体滤波器抑制带外大功率信号输入的前提下，基带滤波器能够进一步消减带外干扰，提高接收灵敏度。

（2）天线隔离。

针对本工程线路为地上的特点，在正线覆盖LTE基站时，需考虑和地面运营商网络之间的天线隔离，特别信号系统专用的LTE基站和运营商GSM1800 频段RRU之间应尽量保证100dB以上的空间隔离度，避免造成上行接收灵敏度的明显恶化。因此，工程现场实际安装之间需对沿线环境进行勘察，避免和运营商靠近沿线道路的高功率基站塔距离太近。

（3）频段隔离。

为了抑制带外邻频干扰，建议在频段使用上至少要与GSM1800系统频段保持5 MHz隔离带，如图6所示。

图6 LTE-M 1.8GHz频段和GSM1800系统隔离频段

5 结语

该系统通过开发实现窄带LTE协议技术，在既有频率规划无法规避同频干扰的区域，局部范围内通过细分频段的方式、采用小带宽频段组合的方式解决频率资源紧张、同频干扰严重的问题，保障行车控制安全。