基于LTE-M技术的城市轨道交通车地通信应用

张 衡 侯筱岩 辛 鑫

(1.北京市地铁运营有限公司技术创新研究院分公司，100044，北京；2.地铁运营安全保障技术北京市重点实验室，102208，北京; 3.北京市地铁运营有限公司通信信号分公司，100082，北京∥第一作者，高级工程师)

车地通信是城市轨道交通CBTC(基于通信的列车控制)系统中行车信息上传与下发的重要传输桥梁，是PIS(乘客信息系统)车载视频直播、紧急文本下发，以及CCTV(闭路电视)和TCMS(列车控制与管理系统)信息上传的关键环节，其移动性能、抗干扰性和传输速率等指标直接影响整个系统的传输效果。

北京市地铁运营有限公司所辖线路受建设时的技术条件限制，其车地通信在线路运营中陆续暴露出了易受干扰、硬件易损、设备老化、覆盖距离短、切换频繁、丢包率高及传输速率局限等问题。LTE-M(地铁长期演进)技术具有抗干扰能力更强、移动性更高、稳定性更好、QoS(服务质量)更有保证的特点[1-3]；因此，逐步在郑州地铁1号线、深圳地铁11号线、杭州地铁4号线、武汉地铁6号线等线路的车地通信中得以应用。

1 车地通信业务需求

结合文献[4]，北京地铁车地通信系统每列列车无线业务指标最低需求如表1所示。

表1 每列列车无线业务指标最低需求

2 LTE-M系统应用测试试验

2.1 测试环境

本研究选择北京地铁15号线马泉营站至孙河站下行区间为试验段(如图1所示)，进行改造试验测试。试验段共长3.3 km，涵盖了隧道、高架、直道、弯道等典型线路环境，具有代表意义。试验列车以正常运行速度(最高90 km/h)通过测试区间，并进行往返动态测试，以验证LTE-M系统在运营线的传输性能和业务承载能力。

图1 区间试验段

2.2 LTE-M系统结构设计

LTE-M系统由地面控制中心核心网、轨旁无线接入网和车载单元共同组成，其网络拓扑如图2所示。控制中心主要由GPS(全球定位系统)、EPC(核心网)和网络管理系统组成，负责整个试验系统的控制与管理。轨旁无线接入网主要由BBU(基带处理单元)、RRU(射频拉远单元)以及2根分别为垂直极化与水平极化的漏缆组成。车载单元主要包含TAU(列车接入单元)、车载交换机、车载POI(合路器)和分别接收隧道壁和高架桥漏缆信号的2×2 MIMO(双输入双输出)双极化天线组成。地面和车载的模拟测试终端、PIS及CCTV设备主要负责传输性能和业务模拟承载测试。

图2 LTE-M网络拓扑图

2.3 无线网络规划

2.3.1 频率规划

本次试验频率分别采用1 795～1 805 MHz、1 785～1 805 MHz同频组网，来验证2种不同频宽下的传输性能。

2.3.2 小区规划与切换

为了在测试过程中增加切换次数，获得更多的切换数据，本次试验部署的2台BBU交叉组网分别连接到4台RRU，形成2个逻辑小区，列车在2个逻辑小区的边缘发生切换，如图2所示。

2.3.3 链路预算

无线覆盖链路预算是信号覆盖范围的量值依据，其目的是在工程实施前，确定每一个信号源最大可能的覆盖范围。

LTE-M一般是上行覆盖距离受限，故本文以上行覆盖距离为估算的最大覆盖距离。如图3所示，从RRU至车载终端的整个信号收发链路损耗包括：RRU与合路器之间的接头与馈线损耗La=1 dB；合路器的插入损耗Lb=1 dB；合路器与漏缆之间馈线损耗Lc=1 dB；漏缆的插入损耗Ld；根据工程需要计算可得,漏缆与车载天线之间的耦合损耗Le，2 m范围95%覆盖概率的耦合损耗为66 dB；车载天线的增益G1=6 dB；车载平板天线与TAU之间的馈线损耗Lg=2 dB；RRU接收机灵敏度Pt=-82 dB；车载TAU发射功率级Pr=20 dB。此外，在工程中还应考虑衰落余量Lo1和干扰余量Lo2，分别取10 dB、8 dB；漏缆传输单位损耗β=40 dB/km。

图3 漏缆覆盖链路损耗构成

Pt+La+Lb+Lc+Ld+Le+Lg+Lo1+Lo2=

G1+Pr

(1)

则：

Ld=(G1+Pr)-(Pt+La+Lb+Lc+Le+

Lg+Lo1+Lo2)

(2)

每个RRU单向覆盖距离d为：

(3)

由式(1)—式(3)可得，d=475 m。在实际工程中，为满足现场线路情况、系统结构设计和考虑到小区规划与切换所需的重叠区域，最终确定整个试验段共设置4台RRU，且RRU单向覆盖距离最小值取400 m、最大值取450 m。

2.4 抗干扰措施

本次试验采用了以下抗干扰措施：① 采用专用频段，规避频段干扰;② 采取垂直极化与水平极化双漏缆，规避传统2根同极化漏缆覆盖时因信号相互干扰而导致的边缘信号无法实现MIMO，以保证边缘信号的传输速率;③ 在射频馈线端增设带通滤波器，减小了杂散干扰。

3 测试结果与分析

3.1 信号覆盖率

信号覆盖率直接关系到通信系统传输性能。根据LTE-M需求规范，无线覆盖指标应满足在98%统计概率下RSRP(参考信号接收功率)不低于-95 dBm，SINR(信噪比)不低于3 dB。测试结果为：RSRP最小值为-85 dBm，SINR最小值为2.6 dB；RSRP>-95 dBm的概率为100%，SINR>3.0 dB的概率高于98%。测试结果满足LTE-M信号覆盖率要求。

3.2 传输性能

传输性能测试包括传输速率、传输时延、丢包率和越区切换测试。传输速率按单漏缆和双漏缆传输时不同时隙配比(SA0为1∶3,SA1为2∶2)的传输速率分别测试，结果如表2及表3所示。

表2 单漏缆传输速率测试

表3 双漏缆传输速率测试

测试结果表明，无论是20 MHz还是10 MHz在不同时隙配比下的上下行传输速率都远大于表1中车地通信各业务传输速率之和7.2 Mbit/s的最低需求。

各业务单向传输时延如图4所示。单向传输时延均满足表1中需求。

图4 各业务单向传输时延

在试验中共发生了100次以上越区切换，成功率为100%，最大切换时延为74.4 ms，满足LTE-M 通信延时不超过150 ms的概率不小于98%、单设备切换成功率应不小于99.92%的要求。

各业务丢包率均为0，满足表1需求。

4 应用建议

1)无线环境方面：地面环境具有多样性、发展性和不确定性；在工程改造设计前，需对沿线电磁环境进行扫描，为频率规划提供重要参考依据。

2)业务需求方面：业务需求直接关系到车地通信技术的选择，因此明确业务需求，尤其是传输速率需求是技术选择的根本要求。

3)信号覆盖方面：在工程改造实施时，做好无线网络优化，特别是在弯道区域，确保无线信号覆盖良好，杜绝传输速率下降。采用水平和垂直双极化漏缆覆盖，可缩短漏缆的安装距离，提高小区边缘传输速率。

4)抗干扰方面：射频口建议采用优质滤波器，以减小相互之间的阻塞干扰和杂散干扰。当非轨道交通行业的LTE系统也分配了1.8 GHz频段时，还需考虑提高二者之间的空间隔离度，尽量减少干扰。在高架段的上下行区间采用共小区规划，以规避上、下行同频干扰。

5)信息安全方面：LTE-M系统支持高级加密标准加密算法(AES)、第三代移动通信字节流密码加密算法(SNOW 3G)和祖冲之加密算法；但是只有祖冲之加密算法是我国提出的，符合国家密码管理局的要求，应优先采用。

5 结语

本文从北京地铁运营实际情况和需求出发，设计了基于LTE-M技术的车地无线通信系统，并在运营线典型试验段进行了实地动态试验测试，验证了在10 MHz和20 MHz频宽时，LTE-M系统的基本性能和承载能力，结论如下：

1)双极化漏缆能够很好地实现LTE-M系统信号覆盖，且能够提高系统传输速率。

2)满足车地通信切换时延小于150 ms的要求。

3)无论是10 MHz还是20 MHz频宽在不同时隙配比下的上下行传输速率和都远大于车地通信总传输速率7.2 Mbit/s的最低需求。

4)满足承载CBTC、紧急文本、TCMS、PIS和CCTV视频业务时丢包率小于1%和传输时延分别不大于150 ms、300 ms、300 ms、500 ms、500 ms的传输要求。

5)满足列车90 km/h时的越区切换时延小于150 ms的要求。