城市轨道交通信号系统LTE技术设计与应用

陈景诚

（江西路通科技有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

城市轨道交通信号系统目前主要应用在通信系统中，作为基础的移动闭塞列车控制系统（CBTC），组成的基础是网络通信以及计算机技术，技术水平较高，属于现代化列车控制系统。该系统并不是以轨道电路作为基础运行的，而是通过自由空间无线技术、交叉感应环线等实现通信。CBTC 系统是目前列车控制的主要系统，是核心技术，所以对于无线通信性能、稳定性方面有着较高要求。相关文献报道分析，地铁信号系统在工作中受到乘客的移动Wi-Fi 信号干扰，造成多趟列车无法正常通行。随着现代网络通信技术的发展，以LTE 技术为基础建设的车-地通信技术方案成为首选，并且在我国的轨道交通领域中建设和运营，大大提升地铁信号传输的稳定性与安全性。

1 LTE 技术在信号系统的系统架构设计

CBTC 业务可以实现全面的列车控制，是目前保持地铁列车正常工作的关键。LTE 车-地无线系统在系统单点故障的情况下，依然可以保持无线通信正常工作。因此，LTE 系统网络应用红、蓝双网冗余架构，而红、蓝网是单独工作的，在通信时利用冗余的红、蓝网实现，并且信息经过CBTC 系统处理，从而构建双向通道，达到信息传输稳定性、安全性的要求。

2 LTE 技术的车-地无线系统组成分析

中心设备：在控制中心或者车辆段布置核心网、无线网等设备，利用信号传输系统可以实现各个车站的稳定连接。通过构建LTE 技术系统，将线路、设备状态、移动授权等方面的信息传输到车辆的设备上，从而可以快速地掌握具体的车辆行驶状态、所在位置、通行速度等信息，以确保车站可以稳定地控制，形成完善的信号系统。

车站设备：在车站内，通过设置有无线基站（BBU）可以实现信号集中处理，LTE 基站（RRU）经过光纤直接和车站的BBU 连接，并构建无线通信连接系统，才能达到地铁车辆信号的有效应用。

轨旁设备：RRU、合路器、电缆、天线、光纤等。

车载设备：车辆上安装有LTE 车载单元，布置两套车载天线，分别在红、蓝网上，同时和车载信号系统连接使用。

3 LTE 在信号系统的方案设计

3.1 LTE 传输媒介方案

建设LTE 无线通信系统，需要通过应用天线、漏缆等组合形成完善的通信系统。隧道内部的无线通信通常采用漏缆方式；高架最好选择漏缆，条件不足则应用定向天线；停车场或者车辆段通常可以应用定向天线，也可以采用室内分线的方式。针对LTE 车-地无线通信会应用单漏缆或者双漏缆实现覆盖，具体吞吐率见表1。经过数据分析发现，单漏缆较之双漏缆的吞吐率较低，差值受到信噪比影响。双漏缆主要是通过将红、蓝双网冗余处理，通信系统更加稳定；单漏缆并不冗余，如果发现漏缆损坏，极易造成双网无法工作。因此，如果隧道内空间符合要求，可以采取双缆的方式，并且将线路间距控制在300mm 以上。

表1 单漏缆双漏缆吞吐率比

项目时隙/子帧配比位置近基站吞吐率/Mbps宽带5M SMA/SSP7双漏缆7.9 3.5 5.2 1.2基站边缘上下行下行上行下行上行单漏缆15.4 3.8 6.3 1.4

3.2 车载天线方案

结合不同的安装部位特点、安装方式，还要考虑到LTE 传输媒介以及场景等要素，选择合适的车载天线方案，目前主要是车顶天线与车底天线，如图2、3所示。符合下述安装要求：其一，车顶天线采用的是鱼鳍天线形式，安装间距在1000mm 以上。鱼鳍天线的安装方向与车辆的行驶方向是一致的，并且保持和下部的轨道平行状态，以达到通信效果的要求。其二，车底天线形式采用的是双极化平板天线，对于安装条件有较高的要求，在70范围内不能有任何遮盖物，且要确保安装的部位上最低点和轨道面的距离在500mm 以上。根据不同的使用空间，选择不同的天线形式，对于隧道、停车场等空间主要采用车顶天线，而高架、折返线等主要采用车底天线。这两种天线是利用合路器直接连接TAU。在项目中，正线为全隧道的形式，可以选择车顶天线；而高架应用漏缆方式覆盖，结合实际需要选择车顶天线或者车底天线都可。

图2 车顶天线安装示意图

图3 车底天线安装示意图

3.3 LTE 基站（RRU）布置方案

RRU 在布置时，必须确保整个轨道线路通行的无线通信都要满足信号传输的要求，结合CBTC 业务应用的要求，考虑到传输速率，根据需要确定天线的覆盖距离，从而达到信号传输的要求。在漏缆线路的设计中，其安装的距离、最大线路损耗设置主要是受到CBTC 覆盖范围内信号强度参数影响，以达到正常的标准为合格。在设计中，假设间隔100m 的距离会出现4dB 的参数影响，得出的计算结果就是RRU 的单项覆盖范围，即600～800m 之间，一般会预留70～100m 作为切换带，所以RRU 的传输距离在1200m 左右。在设计天线覆盖区域时，设计人员通过重点计算设计余量、天线角度偏差等，合理地预测区域内的环境特点，最小覆盖半径一般是483m。如果现场环境良好，按照自由空间模型计算方式，其覆盖范围可设定为1km 左右；在高架线路设计中，相邻RRU 点位的设置时，应根据具体的车站分布、线路走向的方面考虑，优先确保系统内信号覆盖范围，不能设定在相邻的小区切换带范围内；如果线路是直线路段，则设定基站距离在1200～1400m 为最佳；如果线路有转弯，则结合实际情况做出调整，达到信号传输强度即可。在停车场、车辆段的覆盖范围，结合天气条件和环境确定，并合理处理与周边信号的关系，不会有严重信号干扰的情况，保持信号传输的安全性和稳定性。

3.4 LTE 时钟同步的方案

应用LTE 技术可以实现轨道信号系统的传输和控制。在系统工作时，必须确保每个沿线内的基站时钟是同步的，否则，会造成LTE 系统不能达到通信的要求，对车辆的正常通信和使用带来负面的影响。LTE 基站时钟同步应用的是GPS 时钟同步方案，优势是精度高、速度快，是最具可靠性的同步方案。采用GPS 时钟同步方案，车辆通行系统的每个BBU 都要布置一台GPS 天线。每个信号基站都要设置2～8 个天线，尤其是设置室外天线时，必须保持视野开阔、周边无遮挡物且有避雷设施，达到信号传输稳定、安全性要求。室内线路应保持和BBU 馈线连接，室内设备通常和GPS 天线有较大的距离，只要馈线间距在150m 以上，应布置放大器。因此，应用GPS 时钟同步方案有较大的优势，系统稳定性良好。但是在城市轨道交通系统内，使用GPS 时钟同步方案有较高的难度，且在车站周边安装天线，对美观性产生负面影响。以1588V2 时钟同步方案为基础，通常要设置主备冗余方案，控制中心、车辆段分别布置一套该系统服务器，将其直接接入红、蓝线路，达到时钟同步的效果。这种时间同步方案和GPS 时钟同步方案是基本相同的，都能够达到LTE 时钟同步的标准，而成本更低，系统也更为简单，操作与维护更加方便。因此，目前城市轨道交通系统的LTE 时钟应用1588V2 时钟同步方案可以达到应有的效果。

3.5 试车线和正线LTE 网络部署方案

试车线的作用是进行车辆调试以及试验应用。在新车投入使用之前或者车辆检修完毕后，都必须进入试车线进行全面检查，主要是了解功能、通行状态、信号传输的情况，各方面指标符合要求后，才能正式投入运营。检测CBTC 车-地无线功能是试车线的重要工作。试车线与正线的信号系统都是单独控制的，所以在很多情况下，车辆上的设备与正线、车辆段是分开布置的。为了在这种工作条件下，保持系统独立运行，选择使用的LTE 核心网络方案有如下两种：

3.5.1 独立核心网方案

如果将正线、试车线分别单独设置为核心网设备的方式，并不会存在相互影响的情况。这一方案在车辆进出试车线时，应进行LTE 网络切换处理。因为试车线和正线是隔离设置的，所以车辆中的无线终端几乎收不到无线信号。如果试车线、车辆段全部应用平板天线实现覆盖的方式，车辆段与试车线并不能达到通信的需要。在这样的情况下，应用单独的核心网方案，需要做下述处理：

（1）试车线全部应用漏缆覆盖处理，并结合具体的线路段的情况调整RRU 发射功率，使得这一线路不会对正线、车辆段造成干扰。

（2）车辆段出入先应用漏缆无线覆盖，一般只能在正线和车辆段分界线上实现，且这是整个小区边缘部位，满足试车线通信系统工作的需要。

（3）咽喉区不覆盖无线信号，为正线、试车线通行留有足够的空间。

（4）试车线、正线之间如果移动到规定部位，应重启TAU，确保系统化，使得TAU 接入的网络信号是最强的。

3.5.2 共用核心网方案

试车线在设计时，不需要再设置LTE 的核心网。在正线、车辆段出入部分，一般会将距离比较近的线路在无线网络上设置为邻区，车辆终端应确保试车线在规定范围内的信号超出目前小区2dB，网络系统调整和更换更加方便。正线的CBTC 系统和试车线的CBTC 系统是分开设置的，不会因为车-地通信共用核心网络造成影响。当前上述两种方法都已经全面应用，方案对比可见表2。共用核心网的系统设计更加灵活，干扰因素较少，且不会受到安装位置、线路设置的影响；独立核心网更具安全性，满足运营的要求。因此，在设计中，选择方案要综合考虑场地、运营等方面，以确定最佳方案。

表2 两种方案的对比表

项目网络规划投资安全性灵活性无线干扰独立性运营维护量共用核心网简单合适独立核心网简单较高高高高低干扰少干扰多弱少强多

3.6 天线覆盖方案

信号系统的车-地无线覆盖区域比较多，应结合不同区域，选择合适的覆盖方案，具体如下。

3.6.1 地下线路

无线覆盖一般应在地下线路中应用漏缆覆盖的方式，左、右线路都要设置两根信号系统LTE 漏缆，通常不会超出车顶的高度。如果隧道内部空间设置漏缆数量较多，可以将LTE 漏缆安装到最上部的位置，并且与其他漏缆保持300mm 以上的间距。如果漏缆需要穿越人防门、防淹门、隔离开关等设施，则采用馈线跳接的方式。在折返线、行车线的部位上，应保持和正线无隔墙的布置方式，车载天线应和漏缆距离较远。如果正线之间布置隔墙的结构，红、蓝漏缆使用一分二分器把漏缆分为两路，一路直接和正线漏缆连接，另外一路则连接折返线、存车线漏缆。

3.6.2 地面/高架线路

地面/高架线路通常可以使用漏缆或者天线覆盖的方式，在覆盖区域内，对于左、右线路的基站应采取小区合并的方式，避免出现同频干扰的问题。一是漏缆覆盖方式。一般可以将漏缆设置在疏散平台下部弱电电缆支架上，其高度不能超出车载平板天线，通常在轨道面以上500mm 左右的位置上。二是天线覆盖方式。在现场安装立杆架，并应用背靠背天线布置方式。高架桥线路一般都会采取左、右线路的设计方式，确保其可以有效地覆盖整个信号传输区域。为了能够使得系统达到稳定性、安全性的标准，一般在每个点位上的红、蓝网基站以及天馈系统单独安装系统，不会有干扰因素存在。

3.6.3 停车场/车辆段

在停车场/车辆段室外咽喉区、出入段的线路周边区域内，一般布置1～2 个红、蓝网基站，达到信号覆盖的标准要求。列检库区应布置单独的2～3 对红、蓝基站，一般应用室分方式覆盖，可以覆盖多个小区，保持列车接入量合格。在列车出入库室外分界的部位上，应用共小区覆盖的方法，一个小组覆盖室外过渡区域，避免因为环境改变而出现的稳定性问题。

3.6.4 试车线

了解试车线的工作情况，根据要求采用漏缆的方式，也可以选取天线覆盖的方法。

4 结语

城市轨道交通信号系统是保持列车通行安全性、稳定性的关键。目前，随着科学技术不断发展，对LTE 技术进行设计和应用，提高通信系统效果，完全可以满足CBTC 业务通行的要求，达到安全、稳定、可靠、高速的标准，是目前最佳的信号传输方案。未来以LTE 技术为基础建设的城市轨道交通信号系统必然更具稳定性，发展速度也会大幅提高，完全符合我国轨道交通通行的要求。