上海軌道交通5號(hào)線LTE系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與部署

劉 建

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，200070，上?！胃呒?jí)工程師)

近年來(lái)，基于1.8 GHz頻段的無(wú)線通信的移動(dòng)性、高性能、易部署等優(yōu)點(diǎn)，LTE車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域被廣泛推廣及應(yīng)用。然而，上海軌道交通5號(hào)線是典型的高架線路，其CBTC(基于通信的列車(chē)控制)采用的是LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)。由于行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈、監(jiān)管?chē)?yán)格，頻段獲取極為困難，上海軌道交通5號(hào)線僅申請(qǐng)到非常有限的5 MHz帶寬資源(1 800～1 805 MHz)，車(chē)地?zé)o線通信子系統(tǒng)成為上海軌道交通5號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造中最難搭建的系統(tǒng)之一。本文就上述5 MHz帶寬資源闡述了LTE系統(tǒng)A網(wǎng)、B網(wǎng)(1.4 MHz+1.4 MHz)的設(shè)計(jì)與部署。

1 CBTC吞吐量計(jì)算

上海軌道交通5號(hào)線采用準(zhǔn)全自動(dòng)運(yùn)行模式(DTO)，經(jīng)上海電氣泰雷茲公司(TST)CBTC系統(tǒng)測(cè)算，處于GoA4條件下的單列車(chē)的上行/下行吞吐量最大為59.7 kbit/s，如表1所示。

表1 TST CBTC系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線數(shù)據(jù)吞吐量

2 LTE網(wǎng)絡(luò)的信道規(guī)劃及頻段劃分

根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)供貨商信道規(guī)劃，5 MHz頻寬僅能單獨(dú)承載信號(hào)CBTC系統(tǒng)，考慮到網(wǎng)絡(luò)的冗余覆蓋，按A網(wǎng)、B網(wǎng)雙網(wǎng)1.4 MHz部署：A網(wǎng)(1.4 MHz)具體工作頻段為1 801.4～1 802.8 MHz，B網(wǎng)(1.4 MHz)具體工作頻段為1 802.9～1 804.3 MHz，A網(wǎng)、B網(wǎng)間隔100 kHz，如圖1所示。

注:FDD——頻分雙工;GSM——全球移動(dòng)通信

圖1 上海軌道交通5號(hào)線LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的工作頻段劃分示意圖

LTE系統(tǒng)帶寬與子載波數(shù)、測(cè)量帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 LTE系統(tǒng)帶寬與子載波、測(cè)量帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于LTE空口采用OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)，采用了子載波間相互重疊正交的方式來(lái)消除干擾，子載波的間隔為15 kHz。而1.4 MHz信道實(shí)際占用頻寬1.08 MHz，A網(wǎng)、B網(wǎng)間隔100 kHz，A網(wǎng)、B網(wǎng)實(shí)際間距420 kHz，如圖2所示。因此，A網(wǎng)、B網(wǎng)的子載波都是正交(15 kHz的整數(shù)倍)。

圖2 上海軌道交通5號(hào)線 LTE系統(tǒng)雙網(wǎng)信道規(guī)劃

3 LTE系統(tǒng)漫游切換分析

1)終端在移動(dòng)過(guò)程中，需要從一個(gè)基站移動(dòng)到下一個(gè)基站，從而發(fā)生基站信號(hào)的切換，整個(gè)切換過(guò)程分為切換測(cè)量區(qū)、切換過(guò)渡區(qū)和切換執(zhí)行區(qū)，如圖3所示。

2)漫游切換重疊區(qū)的計(jì)算。根據(jù)漫游切換過(guò)程可知，重疊覆蓋區(qū)域=2(切換區(qū)域+切換余量)。其中：切換區(qū)域=車(chē)速·(測(cè)量上報(bào)周期+切換遲滯時(shí)間+切換執(zhí)行時(shí)延)；切換余量一般為50 m左右。

圖3 LTE系統(tǒng)漫游切換示意圖

不同的列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的重疊區(qū)距離需求如表3所示。

表3 不同列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的漫游切換重疊區(qū)距離表

3)LTE系統(tǒng)小區(qū)覆蓋半徑計(jì)算。根據(jù)測(cè)算，一般單個(gè)RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)可實(shí)現(xiàn)1.2～1.6 km的無(wú)線覆蓋。上海軌道交通5號(hào)線單網(wǎng)只有1.4 MHz帶寬，考慮到小區(qū)間的切換重疊區(qū)域設(shè)計(jì)和RRU基于漏纜的覆蓋能力，經(jīng)鏈路覆蓋預(yù)算，單個(gè)RRU的覆蓋半徑按850 m左右進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了達(dá)到無(wú)線信號(hào)無(wú)縫覆蓋的效果，上海軌道交通5號(hào)線采用無(wú)線同站址冗余覆蓋提高系統(tǒng)可靠性，并通過(guò)LTE的快速切換算法保證切換平滑且切換時(shí)間小于100 ms，以確保在任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)，列車(chē)都能夠接收到高質(zhì)量的射頻信號(hào)。

4 LTE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與部署

4.1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)

上海軌道交通5號(hào)線正線高架區(qū)段占比達(dá)80%以上，漏纜敷設(shè)的條件較差，全線A網(wǎng)、B網(wǎng)雙網(wǎng)合用1根漏纜，同時(shí)車(chē)載LTE無(wú)線天線設(shè)于列車(chē)底部，每端設(shè)4個(gè)。

上海軌道交通5號(hào)線的LTE系統(tǒng)采用的BBU(基帶處理單元)均設(shè)置在設(shè)備集中站，RRU雙網(wǎng)設(shè)備采用同站址方式布設(shè)，并盡可能設(shè)置在便于安裝和維護(hù)的軌旁，有效減少饋線路徑損耗。當(dāng)車(chē)站間距大于相鄰車(chē)站RRU的覆蓋能力時(shí)，將RRU拉遠(yuǎn)到區(qū)間中，通過(guò)合路器饋入漏纜的方式進(jìn)行覆蓋，如圖4所示。

注:EPC——4G核心網(wǎng)絡(luò);TAU——列車(chē)接入單元

圖4 上海軌道交通5號(hào)線LTE系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

4.2 典型場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與部署

1)高架區(qū)間的設(shè)計(jì)與部署。在高架區(qū)間，為避免上下行RRU之間的同頻干擾，采用上下行共享RRU的方式，RRU分別連接線路兩側(cè)的2條漏纜，使上行和下行位于同一小區(qū)，統(tǒng)一覆蓋，預(yù)防乒乓切換。

(1)站間距小于1.6 km區(qū)間的設(shè)計(jì)與部署。在站間距小于1.6 km的區(qū)間，LTE系統(tǒng)的軌旁RRU盡量布置于站臺(tái)，如圖5所示。

注:ZC——區(qū)域控制器

圖5 站間距小于1.6 km區(qū)間的LTE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與部署

(2)站間距大于1.6 km區(qū)間的設(shè)計(jì)與部署。在站間距大于1.6 km區(qū)間，為保證車(chē)地通信傳輸可靠性，除在站臺(tái)部署外，將在站間部署1處RRU，如圖6所示。

2)隧道區(qū)間的設(shè)計(jì)與部署。在隧道區(qū)間，由于均采用單圓盾構(gòu)，上下行線路間有墻體隔離，設(shè)計(jì)時(shí)采用上行、下行獨(dú)立布設(shè)RRU的方式，RRU各自連接線路側(cè)的漏纜。

3)車(chē)場(chǎng)的設(shè)計(jì)與部署。相對(duì)于正線而言，停車(chē)場(chǎng)和車(chē)輛段主要面臨的問(wèn)題是：區(qū)域開(kāi)闊，泄漏電纜安裝不便；咽喉區(qū)的道岔較多，泄漏電纜跳接難度高，衰減大，維護(hù)不便；車(chē)庫(kù)內(nèi)的停車(chē)線股數(shù)較多，泄漏電纜分路多，維護(hù)不便等困難。因此，在停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛段(含試車(chē)線)的LTE無(wú)線系統(tǒng)采用自由波天線進(jìn)行覆蓋。

4)試車(chē)線的設(shè)計(jì)與部署。在試車(chē)線獨(dú)立部署EPC，車(chē)載TAU(列車(chē)接入單元)設(shè)備采用雙SIM(用戶(hù)身份識(shí)別)卡，試車(chē)線與正線完全隔離。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從僅有的5 MHz帶寬資源入手，通過(guò)吞吐量計(jì)算、LTE網(wǎng)絡(luò)信道規(guī)劃、頻段劃分、系統(tǒng)漫游切換、小區(qū)覆蓋半徑計(jì)算和針對(duì)性場(chǎng)景設(shè)計(jì)等，介紹了上海軌道交通5號(hào)線LTE 系統(tǒng)A網(wǎng)、B網(wǎng)(1.4 MHz+1.4 MHz)的設(shè)計(jì)與部署情況。雖然5 MHz的帶寬資源緊缺，但通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和資源分配，LTE系統(tǒng)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，為CBTC系統(tǒng)提供了優(yōu)良的車(chē)地?zé)o線通信服務(wù)。該成果可為今后類(lèi)似的工程設(shè)計(jì)提供了借鑒。