LTE-M系統(tǒng)在同站臺(tái)平行換乘車站覆蓋方案的應(yīng)用研究

張世銘

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

LTE-M 系統(tǒng)具有專用頻段、高帶寬、低延遲、廣域覆蓋、高速切換不中斷等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通中已得到廣泛應(yīng)用。在工程建設(shè)中，LTE-M 系統(tǒng)需解決多條線路共用場(chǎng)段、同站臺(tái)平行換乘、單洞/單橋雙軌等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的覆蓋問題。本文針對(duì)LTE-M 系統(tǒng)在同站臺(tái)平行換乘車站的覆蓋問題進(jìn)行分析，并將推薦方案在工程中進(jìn)行驗(yàn)證。

1 LTE-M系統(tǒng)簡(jiǎn)述

LTE-M 系統(tǒng)由核心網(wǎng)、基站、數(shù)據(jù)終端、運(yùn)營(yíng)與支撐子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用A/B 雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，雙網(wǎng)相互獨(dú)立，并行工作。A 網(wǎng)為綜合承載業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，B 網(wǎng)為信號(hào)業(yè)務(wù)專用網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)與支撐設(shè)備設(shè)置在控制中心和車輛段，BBU 設(shè)置在車站和場(chǎng)段，RRU 設(shè)置在區(qū)間和場(chǎng)段，車載終端設(shè)置在司機(jī)室，手持終端配發(fā)給工作人員。

2 同站臺(tái)平行換乘車站型式對(duì)覆蓋方案的影響

同站臺(tái)平行換乘車站型式有地下兩層雙島、地下兩層單島兩側(cè)、地下三層疊島同向、地下三層疊島反向、地下雙站雙向。車站型式直接決定RRU輸出功率、漏纜輻射角度、天線輻射角度，車站非站臺(tái)層區(qū)域應(yīng)采用全向吸頂天線覆蓋，站臺(tái)層軌行區(qū)優(yōu)先采用漏纜覆蓋，在不具備漏纜安裝條件的區(qū)域應(yīng)采用高增益窄波束定向天線覆蓋。

3 綜合承載業(yè)務(wù)類型對(duì)覆蓋方案的影響

LTE-M 系統(tǒng)綜合承載業(yè)務(wù)包括：列車運(yùn)行控制、列車緊急文本下發(fā)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車載視頻監(jiān)控、車載PIS、集群調(diào)度業(yè)務(wù)。除集群調(diào)度業(yè)務(wù)須覆蓋全站外，其他業(yè)務(wù)僅需覆蓋軌行區(qū)。在工程建設(shè)中，在本站單獨(dú)設(shè)置RRU，將其對(duì)應(yīng)覆蓋區(qū)域限定為本站及從本站起終點(diǎn)分別向區(qū)間延伸50 ～100 m，達(dá)到本小區(qū)內(nèi)最多同時(shí)出現(xiàn)本線兩列車的目的。根據(jù)上述條件，系統(tǒng)帶寬需求如表1 所示。

表1 LTE-M系統(tǒng)綜合承載業(yè)務(wù)帶寬需求表Tab.1 Bandwidth demand table of integrated carrying services of LTE-M system

從LTE-M 系統(tǒng)帶寬速率表查表可知：

1）A 網(wǎng)在承載含集群調(diào)度業(yè)務(wù)的安全數(shù)據(jù)時(shí)至少需要1.4 MHz 頻寬，在承載所有數(shù)據(jù)時(shí)至少需要5 MHz 頻寬；

2）B 網(wǎng)至少需要1.4 MHz 頻寬。

4 覆蓋方案比選

LTE-M 系統(tǒng)在在同站臺(tái)平行換乘車站有以下5 類覆蓋方案。

1）頻率隔離

各線路在中心側(cè)分別建設(shè)本線核心網(wǎng)，在車站分別建設(shè)本線側(cè)無線接入網(wǎng)，各線路選用兩組相異頻段。

2）空間隔離

各線路在中心側(cè)分別建設(shè)本線核心網(wǎng)，在車站分別建設(shè)本線側(cè)無線接入網(wǎng)，各線路選用兩組相同或部分重疊頻段。

3）核心網(wǎng)共用

各線路在中心側(cè)共用核心網(wǎng)，在車站分別建設(shè)本線側(cè)無線接入網(wǎng)，各線路任意選用兩組頻段。

4）核心網(wǎng)互聯(lián)互通

各線路在中心側(cè)分別建設(shè)本線核心網(wǎng)，并做互聯(lián)互通。由先建線路完整建設(shè)本站無線接入網(wǎng)，后建線路在已建成無線接入網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行跨網(wǎng)切換。

5）基站共享

基站共享有4 種類型。方案一為各線路在中心側(cè)分別建設(shè)本線核心網(wǎng)，先建線路建設(shè)本站所有基站，并虛擬為各線基站。基站通過S1 鏈路同時(shí)接入各線核心網(wǎng)，為各線服務(wù)，各線小區(qū)采用兩組相異頻段。方案二與方案一類似，但各線小區(qū)采用相同或部分重疊頻段，且配置為載波聚合模式。方案三、方案四為各線除共享本站基站外，還共享部分核心網(wǎng)設(shè)備，區(qū)別在于是否采用相異的頻段。因LTE-M 系統(tǒng)的頻段資源有限，且承載業(yè)務(wù)對(duì)帶寬有較高要求，在此類方案中推薦采用方案二。

上述覆蓋方案的對(duì)比如表2 所示。

表2 LTE-M系統(tǒng)在同站臺(tái)平行換乘車站覆蓋方案對(duì)比表Tab.2 Comparison table of LTE-M system coverage scheme of parallel transfer form with the same platform

在現(xiàn)階段應(yīng)用中，LTE-M 系統(tǒng)較少承載集群調(diào)度業(yè)務(wù)，也極少存在列車跨線運(yùn)營(yíng)需求。因此覆蓋常采用頻率隔離或空間隔離方案，而頻率隔離的頻譜利用率低，在適用性和帶寬方面劣于空間隔離，因此，應(yīng)優(yōu)先采用空間隔離方案。

5 空間隔離方案分析

空間隔離方案的原理是通過合理的器件選型和天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用站臺(tái)層公共區(qū)、屏蔽門、設(shè)備區(qū)隔墻、列車車體等障礙物因素減少系統(tǒng)間相互干擾。各線LTE-M 系統(tǒng)按獲批頻段進(jìn)行配置，并采用相同的發(fā)射功率、傳輸模式、子幀配比和GPS時(shí)鐘，確保雙方系統(tǒng)的上下行時(shí)隙同步，本方系統(tǒng)下行信號(hào)不會(huì)影響對(duì)方系統(tǒng)上行信號(hào)，這樣僅需對(duì)下行信號(hào)的干擾裕量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)》的規(guī)范要求，當(dāng)參考信號(hào)接收功率（RSRP）不小于-95 dBm 時(shí)，信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）應(yīng)≥3 dB。結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，宜將SINR 設(shè)定為≥9 dB。

vN是包含底噪和其他異系統(tǒng)的干擾信號(hào)以及來自對(duì)方線路的同頻干擾信號(hào)，則公式等價(jià)為：SINRdB=RSRP本線－20lg（V異系統(tǒng)+V底噪） 。

一般情況下，底噪為高斯白噪聲與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中其他異頻段無線系統(tǒng)的綜合作用，其值常小于－115 dB，且遠(yuǎn)小于來自同頻段對(duì)方線路的干擾，因此可設(shè)定V異系統(tǒng)=V底噪，并定義V異系統(tǒng)為來自對(duì)方線路的同頻干擾，則系統(tǒng)所需的隔離度為：SINRdB=RSRP本線－RSRP對(duì)方線路－6，代入SINR值，得RSRP本線＞RSRP對(duì)方線路+15，即在覆蓋范圍內(nèi)，本線與他線RSRP 的差值不小于15 dB，則可認(rèn)為滿足空間隔離的要求。

在站臺(tái)屏蔽門設(shè)置區(qū)域?qū)?yīng)的軌行區(qū)范圍內(nèi)，應(yīng)在結(jié)構(gòu)側(cè)墻或隔墻上安裝漏纜，若現(xiàn)場(chǎng)未設(shè)置墻體，則應(yīng)通過在軌行區(qū)結(jié)構(gòu)柱間加裝輔助掛架完成漏纜安裝。在站臺(tái)設(shè)備區(qū)對(duì)應(yīng)的軌行區(qū)內(nèi)，因現(xiàn)場(chǎng)不具備兩根漏纜并行敷設(shè)的空間，故在軌行區(qū)隔墻或結(jié)構(gòu)柱起始端頭處加裝定向天線。典型車站覆蓋示意如圖1 所示。

6 測(cè)試方案

1）測(cè)試環(huán)境

圖1 同站臺(tái)平行換乘車站（地下兩層一島兩側(cè)四線）覆蓋平面示意圖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

西安地鐵4 號(hào)線與機(jī)場(chǎng)線在北客站形成同站臺(tái)平行換乘關(guān)系，車站型式為地下兩層一島兩側(cè)四線，兩線LTE-M 系統(tǒng)均為承載除集群調(diào)度業(yè)務(wù)以外的其他業(yè)務(wù)，因此在北客站采用空間隔離方案。4 號(hào)線與機(jī)場(chǎng)線分別建設(shè)各自的LTE-M 系統(tǒng)，并在北客站采用相同子幀配比、時(shí)隙、發(fā)射功率和GPS 時(shí)鐘。

2）測(cè)試步驟

a. 4 號(hào)線和機(jī)場(chǎng)線同時(shí)開啟LTE-M 系統(tǒng)。

b.測(cè)試設(shè)備在4 號(hào)線覆蓋區(qū)域接入4 號(hào)線，獲取4 號(hào)線SINR 值、丟包率和時(shí)延。

c.測(cè)試設(shè)備在機(jī)場(chǎng)線覆蓋區(qū)域接入機(jī)場(chǎng)線，獲取機(jī)場(chǎng)線SINR 值、丟包率和時(shí)延。

d.關(guān)閉機(jī)場(chǎng)線、維持開啟4 號(hào)線的LTE-M 系統(tǒng)。測(cè)試設(shè)備在機(jī)場(chǎng)線覆蓋區(qū)域接入4 號(hào)線，獲取的場(chǎng)強(qiáng)值為4 號(hào)線對(duì)機(jī)場(chǎng)線的干擾值。

e.關(guān)閉4 號(hào)線、維持開啟機(jī)場(chǎng)線的LTE-M 系統(tǒng)。測(cè)試設(shè)備在4 號(hào)線覆蓋區(qū)域接入機(jī)場(chǎng)線，獲取的場(chǎng)強(qiáng)值為機(jī)場(chǎng)線對(duì)4 號(hào)線的干擾值。

7 測(cè)試結(jié)果及分析

1）步驟a 的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

2）步驟b 測(cè)得4 號(hào)線系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)為-100 dBm。

3）步驟c 測(cè)得機(jī)場(chǎng)線系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)為-100 dBm。

4）干擾裕量分析

干擾裕量為有用信號(hào)強(qiáng)度與干擾信號(hào)強(qiáng)度差值。結(jié)合上述數(shù)據(jù)得出，4 號(hào)線系統(tǒng)干擾裕量為（-80 dBm）－（-100 dBm）=22 dB，機(jī)場(chǎng)線系統(tǒng)干擾裕量為（-79 dBm）－（-100 dBm）=21 dB，均大于預(yù)設(shè)的15 dB，滿足隔離要求。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data

8 結(jié)語

從4 號(hào)線LTE-M 系統(tǒng)投入運(yùn)行至今，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)踐證明，當(dāng)LTE-M 系統(tǒng)不承載集群調(diào)度業(yè)務(wù)時(shí)，空間隔離方案是解決同站臺(tái)平行換乘車站覆蓋問題的有效措施。對(duì)有其他需求的LTE-M系統(tǒng)而言，應(yīng)統(tǒng)籌考慮承載業(yè)務(wù)類型、獲批頻段資源、跨線運(yùn)營(yíng)需求、招標(biāo)模式等因素，對(duì)覆蓋方案進(jìn)行合理選擇。