主頁（http://www.www.jjxinkai.com）：城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)1.4 GHz LTE網(wǎng)絡(luò)共存分析

來源：《鐵道通信信號工程技術(shù)》雜志

針對北京軌道交通LTE車地通信建網(wǎng)的必要性和網(wǎng)間干擾進(jìn)行分析，提出城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)1.4GHz LTE網(wǎng)絡(luò)共存措施和建議。

葛淑云1 戴克平2 尹尚國3

1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司 2．北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 3．深圳市中興高達(dá)技術(shù)有限公司

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程大大加快，城市人口急劇增加，大量流動人口涌進(jìn)城市，使城市交通面臨著嚴(yán)峻的局勢。截至到2014年底，北京已開通軌道交通線路 527.2 km、單日最高客流量1156萬人次、日均客流量約1 000萬人次。到2020年，北京將建成軌道交通線路1000 km，運營車輛2000列。國內(nèi)多個城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營已初具規(guī)模，在城市運行中發(fā)揮著越來越重要的作用。在當(dāng)前形勢下，城市軌道交通運營安全也成為各方關(guān)注的重 點。

北京市委、市政府一直十分重視城市軌道交通的運營安全，專門成立軌道交通運營安全領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一協(xié)調(diào)解決涉及軌道交通運營安全的突出問題。2014年 初召開會議，支持市交通委利用1.4 GHz專網(wǎng)頻率（北京市政務(wù)網(wǎng)專用頻率）建設(shè)軌道交通運營和安全防范的地下無線專網(wǎng)，并與已建成的地面網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián) 互通，保證軌道交通運營安全。

國家無線電管理局將1 447～1 467 MHz共20 MHz頻帶寬度分配給政務(wù)網(wǎng)使用，北京無線政務(wù)網(wǎng)技術(shù)實驗城市之一，采用TD-LTE技術(shù) 組建政務(wù)物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)（簡稱政務(wù)網(wǎng)）。截止2014年底，政務(wù)網(wǎng)已經(jīng)覆蓋了北京市五環(huán)以內(nèi)90%以上的區(qū)域，以20 MHz同頻蜂窩連續(xù)組網(wǎng)，主要承載視 頻監(jiān)控服務(wù)。

2 軌道交通LTE獨立建網(wǎng)必要性分析

城市軌道交通車地?zé)o線通信是保障城市軌道交通安全運營的重要環(huán)節(jié)，提供列車和地面控制中心的通信。

北京市軌道交通LTE車地綜合無線通信系統(tǒng)主要考慮傳輸以下4類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)，并預(yù)留其他生產(chǎn)業(yè)務(wù)的接入條件。

1）基于通信的列車運行控制（Communications Based Train Control System，CBTC）系統(tǒng)，完成對車輛安全行駛的控制功能。

2）列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于保障車輛運行期間關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)。

3）車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)（Closed Circuit Television，CCTV)，用于車內(nèi)視頻圖像實時上傳。

4）軌道交通乘客信息（Passenger Information System，PIS）系統(tǒng)，用于路網(wǎng)異常情況下的乘客通知及運營服務(wù)信息發(fā)布。

城市軌道交通的車地?zé)o線通信包括地下隧道、高架區(qū)段、地面路段和車輛段等不同的車地通信傳播環(huán)境，業(yè)務(wù)帶寬需求在車輛運行區(qū)域基本是恒定的需求。

如果城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)共網(wǎng)，即地下由地鐵公司承載一張獨立的1.4 G網(wǎng)絡(luò)，出地面時使用1.4 G的北京政務(wù)網(wǎng)，則存在以下問題。

1）CBTC業(yè)務(wù)的雙網(wǎng)冗余無法保證。CBTC在地面需要部署紅藍(lán)雙網(wǎng)，與政務(wù)網(wǎng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沖突。

2）政務(wù)網(wǎng)LTE在軌道交通沿線的覆蓋無法滿足軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需求。

3）20 MHz頻譜帶寬下，熱點地區(qū)無法同時滿足軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)和政務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳輸帶寬需求，兩者業(yè)務(wù)均會受到影響。

4）為保證車地帶寬需求，地面沿軌道線的信號覆蓋強度在-82 dBm以上，因此LTE系統(tǒng)采用漏纜進(jìn)行覆蓋，與政務(wù)網(wǎng)鐵塔天線覆蓋方式不同。

5）若地下線路由地鐵公司建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)，地面使用1.4 G的北京政務(wù)網(wǎng)，由于是兩個不同的LTE核心網(wǎng)管理的網(wǎng)絡(luò)，存在設(shè)備和業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通問題；車載接入終端需要在兩個核心網(wǎng)下進(jìn)行用戶的開戶，存在用戶管理問題。

因此，通過以上分析，建議基于LTE的軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該和政務(wù)網(wǎng)獨立建網(wǎng),即在北京城市軌道交通運行區(qū)域，由地鐵單位建設(shè)獨立的軌道 交通LTE專用網(wǎng)絡(luò)，采用“5 MHz+15 MHz”雙網(wǎng)組網(wǎng)方案。5 MHz網(wǎng)絡(luò)作為CBTC專用承載網(wǎng)絡(luò)，15 MHz網(wǎng)絡(luò)作為CBTC、 CCTV/PIS的綜合承載網(wǎng)絡(luò)。

3 同頻干擾分析

3.1 政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)對城市軌道交通LTE的影響

由于政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)采用的頻段與城市軌道交通LTE系統(tǒng)采用相同的頻段，針對政務(wù)網(wǎng)的干擾問題，用Okumura-Hata模型對鏈路損耗進(jìn)行預(yù)算，如表1所示，根據(jù)無線自由波模型的路損計算公式由

其中：

a（h2）為天線高度增益校正因子。

K為在郊區(qū)和開闊區(qū)域中應(yīng)用小城市的校正因子。

針對北京政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)，進(jìn)行基本的參數(shù)界定，政務(wù)網(wǎng)基站天線高度選取30 m，車載TAU終端天線高度取值3 m，按郊區(qū)計算，RS取值18  dBm，TAU終端天線增益8 dBi，終端發(fā)射功率23 dBm，基站發(fā)射功率49 dBm，帶寬20 MHz，中心頻率1 457 MHz，如此的信 號對城市軌道交通的切換中點（也就是小區(qū)邊緣）進(jìn)行干擾，如表2所示。

如果TAU終端天線放置到1 m及以下，相應(yīng)的距離如表3所示。

從表3中可以看出，在正常情況下，為了使城市軌道交通LTE系統(tǒng)接收信干噪比（SINR）大于-2 dB，即使在終端天線高度為1 m時，仍然需要政務(wù)網(wǎng)的天線口與軌道的距離大于4 km。

3.2 城市軌道交通LTE系統(tǒng)對政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)的影響

在保證政務(wù)網(wǎng)和城市軌道交通LTE系統(tǒng)同步且時隙配比一致的前提下，需要考慮城市軌道交通LTE下行鏈路干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行和城市軌道交通LTE終端上行干擾政務(wù)網(wǎng)上行兩個方面。

城市軌道交通LTE下行鏈路干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行屬于帶內(nèi)同頻干擾，距離城市軌道交通RRU越近，政務(wù)網(wǎng)終端受到的干擾越大，政務(wù)網(wǎng)終端接收SINR按 照-2～10 dB考慮，則政務(wù)網(wǎng)終端定點時接收到城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)和政務(wù)網(wǎng)基站的RSRP差距為-2和10 dB。按照漏泄電纜55 dB的耦合 損耗，再加上合路器5 dB損耗以及老化損耗，城市軌道交通LTE下行網(wǎng)絡(luò)最大出口功率為11.2-65=-53.8（dBm），如果政務(wù)網(wǎng)設(shè)計的邊緣電 平為-115 dBm，在不考慮其他干擾的前提下，終端距離城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)的空間隔離要求為-53.8+115+SNIR[-2，10]=61.2+[-2，10]=[59.2，71.2]（dB）。

城市軌道交通LTE終端上行干擾政務(wù)網(wǎng)上行也屬于帶內(nèi)干擾，由于政務(wù)網(wǎng)速率要求低于城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)，隔離度要求應(yīng)小于城市軌道交通LTE下行鏈路干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行的情況。

因此，分析城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)下行干擾政務(wù)網(wǎng)終端下行鏈路的情況，終端距離城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)的空間隔離要求為 [59.2，71.2]dB，直視場景下的距離如表4所示。

由于城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)與政務(wù)網(wǎng)終端間存在一定的遮擋，假設(shè)城市軌道交通LTE網(wǎng)絡(luò)與政務(wù)網(wǎng)終端間存在20 dB遮擋損耗，則計算結(jié)果如表5所示。

從上述分析來看，在工程上做一定的隔離措施，例如漏纜地面敷設(shè)或者距離地面較低敷設(shè)，與政務(wù)網(wǎng)終端處于非直視狀態(tài)，則對于政務(wù)網(wǎng)終端影響范圍很小。

4 城市軌道交通與政務(wù)網(wǎng)1.4 GHz LTE網(wǎng)絡(luò)共存的工程化措施

為了滿足接收信號SINR（信干噪比）的要求，可采取如下措施優(yōu)化城市軌道交通LTE系統(tǒng)，實現(xiàn)政務(wù)網(wǎng)和城市軌道交通LTE共存。

4.1 采用漏纜進(jìn)行覆蓋

為能與政務(wù)網(wǎng)共用1.4 GHz頻段，提高信號強度和抗干擾能力，并降低對政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)影響，軌道交通LTE系統(tǒng)無論地面還是地下在軌行區(qū)均采用 輻射型漏泄電纜進(jìn)行定向覆蓋，在停車場/車輛段的邊界區(qū)段也采用漏纜進(jìn)行1.4 GHz頻段的無線信號覆蓋，弱場區(qū)采用自由波天線方式或室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行 覆蓋。

4.2 增強無線信號接收強度

為了增強覆蓋區(qū)域信號強度，工程中采用高增益定向天線。增益與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線增益決定蜂窩邊緣的 信號電平，增加定向增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量,提升網(wǎng)絡(luò)信噪比。

基于天線增益的重要性，車載天線采用室外型雙極化平板天線，天線增益為8～13 dBi，能提高TAU的接收信號電平，車載TAU的最大輸出功率建議不小于33 dBm。

4.3 降低車載天線安裝位置

降低終端天線的高度，通過車體或其他隔離物防止多徑的政務(wù)網(wǎng)信號直射；將車載天線設(shè)置為車體底部，漏纜開槽正對車載平板天線，減小城市軌道交通LTE系統(tǒng)和政務(wù)網(wǎng)的相互干擾。如圖1所示。

4.4 軌道交通LTE系統(tǒng)無線參數(shù)優(yōu)化

對LTE設(shè)備切換參數(shù)、無線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要采用ICIC(小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù))進(jìn)行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化。

ICIC小區(qū)間干擾消除技術(shù)是降低TD-LTE小區(qū)間干擾的重要手段。ICIC通過管理無線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個小區(qū)中資源使 用和負(fù)載等情況而進(jìn)行的多小區(qū)無線資源管理功能。具體而言，ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個小區(qū)中無線資源的使用進(jìn)行限制，包括限制時頻資源，或者在一 定的時頻資源上限制其發(fā)射功率。

同時還可進(jìn)行終端鎖頻等優(yōu)化性操作，以達(dá)到最佳的優(yōu)化效果。

4.5 軌道交通軌行區(qū)降低政務(wù)網(wǎng)LTE覆蓋

政務(wù)網(wǎng)的在城市軌道交通的覆蓋信號不能過強（按9 Mbit/s下行保證帶寬計算，車載天線處接收到的政務(wù)網(wǎng)RS電平不超過-87 dBm）；政務(wù)網(wǎng) 手持終端（23 dBm）盡可能遠(yuǎn)離城市軌道交通漏纜。在距離城市軌道交通漏纜20 m范圍之內(nèi)，政務(wù)網(wǎng)手持終端理論上不會影響CBTC業(yè)務(wù)，但可能會影 響上行視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。

政務(wù)網(wǎng)在軌道交通地面線路的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要充分考慮對軌道交通線路影響，保持500 m以上的距離。

4.6 共存時頻率規(guī)劃

建議政務(wù)網(wǎng)在軌道交通周邊采用15 MHz組網(wǎng)，載波頻率和軌道交通的15 MHz載波頻率配置相同，這樣，在一定區(qū)域內(nèi)，軌道交通的5 MHz專網(wǎng) 將不會與政務(wù)網(wǎng)出現(xiàn)干擾問題，保證了CBTC信號專網(wǎng)的可靠性，保障行車安全。軌道交通的15 MHz綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)，允許政務(wù)網(wǎng)的任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)漫游 接入。

軌道交通業(yè)務(wù)和政務(wù)網(wǎng)業(yè)務(wù)統(tǒng)一進(jìn)行QoS 的設(shè)置，優(yōu)先保障軌道交通關(guān)鍵業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。對政務(wù)網(wǎng)來說，未來支持的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)，比如公安、反恐等可以覆蓋到軌道交通的公共區(qū)域，有利地保障人民群眾的出行安全。

5 結(jié)論

總之，軌道交通LTE系統(tǒng)采用1.4 GHz頻段（1 447 MHz～1 467 MHz），通過采取與政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)時隙配比保持一致、漏纜定 向覆蓋、合理布設(shè)車載天線、降低軌行區(qū)政務(wù)網(wǎng)LTE覆蓋以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等措施，理論上能夠與1.4 GHz政務(wù)網(wǎng)共存。2014年8月份，在環(huán)形道進(jìn)行了軌道交通LTE綜合承載和與政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)共存的測試，測試結(jié)果驗證了軌道交通LTE綜合承載的可行性和與政務(wù)網(wǎng)LTE系統(tǒng)共存措施的有效性。但為了保證 軌道交通行車安全，仍建議采用專用頻段構(gòu)建傳輸生產(chǎn)指揮業(yè)務(wù)的LTE通信系統(tǒng)。

素材來源：中國通號/《鐵道通信信號工程技術(shù)》雜志 頂圖源于搜索引擎僅供參考