浅议基于LTE技术的城市轨道交通车地通信综合承载环形道试验方案

浅议基于LTE技术的城市轨道交通车地通信综合承载环形道试验方案
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随着无线宽带技术的普及和支撑城市轨道交通安全运营生产业务不断增加，现有基于 GWLAN的车地通信面临挑战。

将LTE移动通信技术用于承载城市轨道交通CBTC、PIS、CCTV等生产系统的业务信息，高效运用现有轨道交通基础设施，提高运营效率，以满足人们日益增长的出行需求成为交通运输领域最新关注的焦点。

2014年4月至6月，在北京交通大学进行LTE实验室测试，初步证明LTE能够综合承载轨道交通的生产业务。

为进一步验证LTE在列车运行状态和真实电磁环境下的综合承载性能，经过多种试验段方案比选，从工程实施难易程度、测试时长要求、干扰环境、对运营或在建线路影响等因素考虑，最终确定在铁科院城轨试验线即环形道进行LTE系统试验段测试。

1城市轨道交通生产业务需求及业务优先级
基于LTE技术的城市轨道交通车地通信综合承载
平台，需在列车运行状态下满足实时、宽带、稳定、具有服务质量(QoS)保障的生产业务需求。

当前城市轨道交通生产业务主要有CBTC业务信息、PIS紧急文本信息、列车实时状态信息、车载CCTV监控图像信息和PIS图像信息。

利用LTE具有不同QoS等级的优点，将轨道交通生产业务的优先级进行划分。

2环形道LTE试验方案
电磁环境
环形道试验段LTE系统试验方案采用 G频段(1 447 MHz～1 467 MHz)共计20 M带宽组网，该频段与北京政务网LTE使用频段相同。

在对1 447 MHz～1 467 MHz频段的电磁环境测试中，发现环形道范围内存在较强的同频干扰信号，某些地段干扰信号强度高达-60～-50 dBm。

LTE系统的网络性能主要取决无线链路可获得的SINR值。

无线网络通常采用系统的优化配置及基带抗干扰算法等手段实现SINR值提升。

环形道LTE试验系统的优化设置方案通过摸底测试确定，规避干扰的优化方案包括减少基站覆盖范围、采用高增益车载天线、利用车体自身空间隔离及漏缆定向辐射等技术手段。

LTE系统方案
环形道建设LTE无线综合通信系统，并在国家铁道试验中心调度楼和列车上分别搭建配合测试的业务系统。

建设方案
LTE系统采用A、B网冗余组网方式，每个网络均包括核心网(EPC)、基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)、车载无线终端(TAU)，BBU通过以太网交换机直接接入2套LTE核心网设备，区间主要采用RRU+漏泄同轴电缆方式覆盖。

1)网络建设方案
在国家铁道试验中心调度楼控制中心内，A网新设EPC核心网设备、BBU、三层交换机以及网管设备;B网新设EPC核心网设备、BBU、三层交换机以及网管设备。

EPC与BBU之间通过以太网交换机连接。

LTE网络设备通过GPS进行同步，GPS天线架设在调度楼楼顶位置。

业务系统设备通过路由设备接入到LTE网络EPC核心网。

为验证LTE系统满足信号系统的功能需求，需要测试跨BBU(eNB)切换的LTE传输性能。

在A、B网各设置2台BBU，为增加切换次数，同网的两个BBU 交叉到连接相邻的RRU，使得车载无线终端每经过一个RRU就产生一次BBU间的切换，增加测试样本数。

为规避政务网干扰，采用RRU+漏缆的覆盖方式实现环形道的信号覆盖。

RRU与漏缆通过跳线连接。

区间覆盖可采用单漏缆和双漏缆2种方式，双漏缆方式具有设备数据吞吐能力强，可靠性和安全性高的特点。

当其中一根漏缆出现问题时，另外一根漏缆仍可以正常使用，减小单点故障对业务的影响;另外双漏缆部署可以利用MIMO空间复用和SFBC发射分集技术提高信道的容量和可靠性，降低误码率。

综合以上分析，环形道沿线敷设2根漏缆，2根漏缆之间的间隔为 m。

2)车载系统
车载由LTE网络车载设备和承载业务车载设备组成。

在测试车辆车头车尾安装双极化车载天线，在司机室设置车载无线设备TAU和三层交换机设备。

在车头设置CBTC模拟业务车载测试设备、模拟PIS紧急文本业务车载测试设备、模拟列车实时状态信息业务车载测试设备及PIS车载设备和CCTV车载设备;在车尾设置CBTC模拟业务车载测试设备和模拟PIS紧急文本业务车载测试设备。

车头和车尾的承载业务通过相应的交换机与LTE网络车载无线设备TAU连接。

测试方案
环形道LTE系统的A、B网，共同承载测试相关业务数据。

A网承载CBTC业务信息、PIS紧急文本信息、列车实时状态信息、车载CCTV监控图像信息和PIS 图像信息等业务;B网承载CBTC业务信息和PIS紧急文本信息。

CBTC业务信息和PIS紧急文本信息在两套网络上同时传输，保证其对网络可靠性的要求。

CBTC业务信息、PIS紧急文本信息、列车实时状态信息采用模拟方式进行业务数据的发送和接收，车载CCTV监控图像信息和PIS图像信息采用真实设备进行发送和接收。

PIS系统由PIS系统车载设备、PIS中心服务器等组成。

PIS流媒体直播信息由下行信道承载，承载带宽为每列车2～6 Mbit/s。

由中心下发到列车的PIS信息有MBMS多播和单播2种承载方案可供选择。

MBMS多播传输可在移动网络中提供一个数据源向多个用户同时发送点到多点业务，实现网络资源共享，提高网络资源的利用率，尤其是空口接口资源。

同时，MBMS多播方式在消除小区边界邻小区同频干扰，满足同小区多列车同时接收信息方面比单播承载具有较大的优势。

但由于目前参与测试的厂家尚不支持视频
组播业务，因此试验段工程中仍采用单播空口分发模式。

3无线网络规划
频率规划
环形道采用 G频段(1 447 M～1 467 M)，A网使用15 MHz(1 447 M～1 462 M)带宽同频组网，B网使用5 MHz带宽(1 462 M～1 467 M)同频组网。

重叠覆盖区
相同切换时延情况下，移动终端移动速度越大，小区间需要设置越长的切换重叠覆盖区。

LTE系统中，从终端测量邻小区电平开始，到切换完成所需时间为切换迟滞时间+周期测量报告上报时间+切换执行时间，周期测量报告上报时间约200 ms。

切换执行时间为300 ms，切换迟滞2 dB。

在这个考虑下，按列车最高速度为80 km/h计算，重叠区覆盖半径为40 m。

所以，相邻站间漏缆重叠覆盖距离为80 m。

链路预算
根据规划的频率分配方案，采用15 M(A 网)+5 M(B网)双网结构。

则A网子载波数为900个，而B网子载波数为300个。

当采用相同功率RRU设备时，B网的子载波发射功率较A网大 dB，所以B 网的覆盖范围大于A网。

环形道采用A、B网RRU
同址统一与漏缆相接，链路预算以A网15 MHz为基准进行计算。

根据以上预算说明及各厂家设备的性能，选定合适的参数，计算每段漏缆支持的覆盖长度。

通过上述计算和分析，考虑到小区间切换所需的重叠区域，整个环形道单网设置9个RRU。

根据不同覆盖区域政务网干扰强度的差异确定RRU站址，强干扰区RRU站间距为800 m左右，弱干扰区RRU站间距为1 200 m 左右。

无线传输容量规划
A网、B网传输容量规划如下：
*指配A网上下行带宽各100 kbit/s供CBTC业务信息使用;
*指配A网上下行带宽各100 kbit/s供PIS紧急文本业务信息使用;
*指配A网上行带宽100 kbit/s供列车实时状态业务信息使用;
*指配A网2～6 Mbit/s上行带宽供通信车载CCTV监控图像信息使用，满足同时回传2路1～3 Mbit/s图像需求;
*指配A网2～6 Mbit/s下行带宽供PIS图像信息传输使用，满足同时下传2路1～3 Mbit/s图像需求;
*指配B网上下行带宽各100 kbit/s供CBTC业务信息;
*指配B网上下行带宽各100 kbit/s供PIS紧急文本信息使用;
*其余带宽预留。

4测试情况
在环形道进行LTE性能测试，包括场强测试、时延测试、小区边缘性能测试、丢包率测试、越区切换测试和吞吐量测试;进行5 MHz和15 MHz频谱下CBTC、PIS/CCTV综合承载业务测试;进行LTE设备稳定性测试，包括系统稳定性测试、核心网故障条件下LTE功能测试、BBU故障条件下LTE功能测试、RRU冗余保障测试;同时进行LTE设备抗干扰测试。

试验结果满足预期，验证了LTE系统抗干扰能力强、综合承载能力强、频谱利用率高的特点，能够满足轨道交通业务需求。

测试结果表明，LTE系统用于承载轨道交通综合业务，在保障CBTC业务高可靠传输的同时，能够满足紧急文本下发和列车实时状态的传输需求，且能为CCTV和PIS等业务提供有效的传输通道。

试验段测试中城轨LTE系统受政务网干扰(在-60～-80 dBm之间)时性能会有所下降，但仍然能够满足综合承载的传输需求。

5结束语
2014年8月，按照以上组网方案在环形道搭建LTE系统，成功进行LTE综合承载轨道交通生产业务的测试，同时也验证了LTE网络设计的合理性。

环形道组网方案为LTE在城市轨道交通的示范应用奠定了技术基础，可供轨道交通车地通信系统建设参考。

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