基于LTE-M技術(shù)的城市軌道交通車地通信應(yīng)用

張 衡 侯筱巖 辛 鑫

(1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司技術(shù)創(chuàng)新研究院分公司，100044，北京；2.地鐵運(yùn)營安全保障技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，102208，北京; 3.北京市地鐵運(yùn)營有限公司通信信號分公司，100082，北京∥第一作者，高級工程師)

車地通信是城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)中行車信息上傳與下發(fā)的重要傳輸橋梁，是PIS(乘客信息系統(tǒng))車載視頻直播、緊急文本下發(fā)，以及CCTV(閉路電視)和TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))信息上傳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其移動性能、抗干擾性和傳輸速率等指標(biāo)直接影響整個系統(tǒng)的傳輸效果。

北京市地鐵運(yùn)營有限公司所轄線路受建設(shè)時的技術(shù)條件限制，其車地通信在線路運(yùn)營中陸續(xù)暴露出了易受干擾、硬件易損、設(shè)備老化、覆蓋距離短、切換頻繁、丟包率高及傳輸速率局限等問題。LTE-M(地鐵長期演進(jìn))技術(shù)具有抗干擾能力更強(qiáng)、移動性更高、穩(wěn)定性更好、QoS(服務(wù)質(zhì)量)更有保證的特點(diǎn)[1-3]；因此，逐步在鄭州地鐵1號線、深圳地鐵11號線、杭州地鐵4號線、武漢地鐵6號線等線路的車地通信中得以應(yīng)用。

1 車地通信業(yè)務(wù)需求

結(jié)合文獻(xiàn)[4]，北京地鐵車地通信系統(tǒng)每列列車無線業(yè)務(wù)指標(biāo)最低需求如表1所示。

表1 每列列車無線業(yè)務(wù)指標(biāo)最低需求

2 LTE-M系統(tǒng)應(yīng)用測試試驗(yàn)

2.1 測試環(huán)境

本研究選擇北京地鐵15號線馬泉營站至孫河站下行區(qū)間為試驗(yàn)段(如圖1所示)，進(jìn)行改造試驗(yàn)測試。試驗(yàn)段共長3.3 km，涵蓋了隧道、高架、直道、彎道等典型線路環(huán)境，具有代表意義。試驗(yàn)列車以正常運(yùn)行速度(最高90 km/h)通過測試區(qū)間，并進(jìn)行往返動態(tài)測試，以驗(yàn)證LTE-M系統(tǒng)在運(yùn)營線的傳輸性能和業(yè)務(wù)承載能力。

圖1 區(qū)間試驗(yàn)段

2.2 LTE-M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LTE-M系統(tǒng)由地面控制中心核心網(wǎng)、軌旁無線接入網(wǎng)和車載單元共同組成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示?？刂浦行闹饕蒅PS(全球定位系統(tǒng))、EPC(核心網(wǎng))和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)整個試驗(yàn)系統(tǒng)的控制與管理。軌旁無線接入網(wǎng)主要由BBU(基帶處理單元)、RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)以及2根分別為垂直極化與水平極化的漏纜組成。車載單元主要包含TAU(列車接入單元)、車載交換機(jī)、車載POI(合路器)和分別接收隧道壁和高架橋漏纜信號的2×2 MIMO(雙輸入雙輸出)雙極化天線組成。地面和車載的模擬測試終端、PIS及CCTV設(shè)備主要負(fù)責(zé)傳輸性能和業(yè)務(wù)模擬承載測試。

圖2 LTE-M網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

2.3.1 頻率規(guī)劃

本次試驗(yàn)頻率分別采用1 795～1 805 MHz、1 785～1 805 MHz同頻組網(wǎng)，來驗(yàn)證2種不同頻寬下的傳輸性能。

2.3.2 小區(qū)規(guī)劃與切換

為了在測試過程中增加切換次數(shù)，獲得更多的切換數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)部署的2臺BBU交叉組網(wǎng)分別連接到4臺RRU，形成2個邏輯小區(qū)，列車在2個邏輯小區(qū)的邊緣發(fā)生切換，如圖2所示。

2.3.3 鏈路預(yù)算

無線覆蓋鏈路預(yù)算是信號覆蓋范圍的量值依據(jù)，其目的是在工程實(shí)施前，確定每一個信號源最大可能的覆蓋范圍。

LTE-M一般是上行覆蓋距離受限，故本文以上行覆蓋距離為估算的最大覆蓋距離。如圖3所示，從RRU至車載終端的整個信號收發(fā)鏈路損耗包括：RRU與合路器之間的接頭與饋線損耗La=1 dB；合路器的插入損耗Lb=1 dB；合路器與漏纜之間饋線損耗Lc=1 dB；漏纜的插入損耗Ld；根據(jù)工程需要計(jì)算可得,漏纜與車載天線之間的耦合損耗Le，2 m范圍95%覆蓋概率的耦合損耗為66 dB；車載天線的增益G1=6 dB；車載平板天線與TAU之間的饋線損耗Lg=2 dB；RRU接收機(jī)靈敏度Pt=-82 dB；車載TAU發(fā)射功率級Pr=20 dB。此外，在工程中還應(yīng)考慮衰落余量Lo1和干擾余量Lo2，分別取10 dB、8 dB；漏纜傳輸單位損耗β=40 dB/km。

圖3 漏纜覆蓋鏈路損耗構(gòu)成

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

G1+Pr

(1)

則：

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

Lg+Lo1+Lo2)

(2)

每個RRU單向覆蓋距離d為：

(3)

由式(1)—式(3)可得，d=475 m。在實(shí)際工程中，為滿足現(xiàn)場線路情況、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和考慮到小區(qū)規(guī)劃與切換所需的重疊區(qū)域，最終確定整個試驗(yàn)段共設(shè)置4臺RRU，且RRU單向覆蓋距離最小值取400 m、最大值取450 m。

2.4 抗干擾措施

本次試驗(yàn)采用了以下抗干擾措施：① 采用專用頻段，規(guī)避頻段干擾;② 采取垂直極化與水平極化雙漏纜，規(guī)避傳統(tǒng)2根同極化漏纜覆蓋時因信號相互干擾而導(dǎo)致的邊緣信號無法實(shí)現(xiàn)MIMO，以保證邊緣信號的傳輸速率;③ 在射頻饋線端增設(shè)帶通濾波器，減小了雜散干擾。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 信號覆蓋率

信號覆蓋率直接關(guān)系到通信系統(tǒng)傳輸性能。根據(jù)LTE-M需求規(guī)范，無線覆蓋指標(biāo)應(yīng)滿足在98%統(tǒng)計(jì)概率下RSRP(參考信號接收功率)不低于-95 dBm，SINR(信噪比)不低于3 dB。測試結(jié)果為：RSRP最小值為-85 dBm，SINR最小值為2.6 dB；RSRP>-95 dBm的概率為100%，SINR>3.0 dB的概率高于98%。測試結(jié)果滿足LTE-M信號覆蓋率要求。

3.2 傳輸性能

傳輸性能測試包括傳輸速率、傳輸時延、丟包率和越區(qū)切換測試。傳輸速率按單漏纜和雙漏纜傳輸時不同時隙配比(SA0為1∶3,SA1為2∶2)的傳輸速率分別測試，結(jié)果如表2及表3所示。

表2 單漏纜傳輸速率測試

表3 雙漏纜傳輸速率測試

測試結(jié)果表明，無論是20 MHz還是10 MHz在不同時隙配比下的上下行傳輸速率都遠(yuǎn)大于表1中車地通信各業(yè)務(wù)傳輸速率之和7.2 Mbit/s的最低需求。

各業(yè)務(wù)單向傳輸時延如圖4所示。單向傳輸時延均滿足表1中需求。

圖4 各業(yè)務(wù)單向傳輸時延

在試驗(yàn)中共發(fā)生了100次以上越區(qū)切換，成功率為100%，最大切換時延為74.4 ms，滿足LTE-M 通信延時不超過150 ms的概率不小于98%、單設(shè)備切換成功率應(yīng)不小于99.92%的要求。

各業(yè)務(wù)丟包率均為0，滿足表1需求。

4 應(yīng)用建議

1)無線環(huán)境方面：地面環(huán)境具有多樣性、發(fā)展性和不確定性；在工程改造設(shè)計(jì)前，需對沿線電磁環(huán)境進(jìn)行掃描，為頻率規(guī)劃提供重要參考依據(jù)。

2)業(yè)務(wù)需求方面：業(yè)務(wù)需求直接關(guān)系到車地通信技術(shù)的選擇，因此明確業(yè)務(wù)需求，尤其是傳輸速率需求是技術(shù)選擇的根本要求。

3)信號覆蓋方面：在工程改造實(shí)施時，做好無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，特別是在彎道區(qū)域，確保無線信號覆蓋良好，杜絕傳輸速率下降。采用水平和垂直雙極化漏纜覆蓋，可縮短漏纜的安裝距離，提高小區(qū)邊緣傳輸速率。

4)抗干擾方面：射頻口建議采用優(yōu)質(zhì)濾波器，以減小相互之間的阻塞干擾和雜散干擾。當(dāng)非軌道交通行業(yè)的LTE系統(tǒng)也分配了1.8 GHz頻段時，還需考慮提高二者之間的空間隔離度，盡量減少干擾。在高架段的上下行區(qū)間采用共小區(qū)規(guī)劃，以規(guī)避上、下行同頻干擾。

5)信息安全方面：LTE-M系統(tǒng)支持高級加密標(biāo)準(zhǔn)加密算法(AES)、第三代移動通信字節(jié)流密碼加密算法(SNOW 3G)和祖沖之加密算法；但是只有祖沖之加密算法是我國提出的，符合國家密碼管理局的要求，應(yīng)優(yōu)先采用。

5 結(jié)語

本文從北京地鐵運(yùn)營實(shí)際情況和需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于LTE-M技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)，并在運(yùn)營線典型試驗(yàn)段進(jìn)行了實(shí)地動態(tài)試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了在10 MHz和20 MHz頻寬時，LTE-M系統(tǒng)的基本性能和承載能力，結(jié)論如下：

1)雙極化漏纜能夠很好地實(shí)現(xiàn)LTE-M系統(tǒng)信號覆蓋，且能夠提高系統(tǒng)傳輸速率。

2)滿足車地通信切換時延小于150 ms的要求。

3)無論是10 MHz還是20 MHz頻寬在不同時隙配比下的上下行傳輸速率和都遠(yuǎn)大于車地通信總傳輸速率7.2 Mbit/s的最低需求。

4)滿足承載CBTC、緊急文本、TCMS、PIS和CCTV視頻業(yè)務(wù)時丟包率小于1%和傳輸時延分別不大于150 ms、300 ms、300 ms、500 ms、500 ms的傳輸要求。

5)滿足列車90 km/h時的越區(qū)切換時延小于150 ms的要求。