LTE-M車地?zé)o線通信單雙漏纜敷設(shè)研究

張煥增

(濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250002)

1 各城市車地?zé)o線通信TD-LTE應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)國內(nèi)軌道交通運營現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結(jié)合《關(guān)于重新發(fā)布1785 ～1805 MHz 頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無[2015]65 號）和《工業(yè)和信息化部關(guān)于加強1447 ～1467 MHz和1785 ～1805 MHz 頻段無線電頻率使用管理的通知》（工信部無[2018]197 號）精神，各城市新建線路信號系統(tǒng)多采用TD-LTE 車地?zé)o線通信方式，部分線路采用TD-LTE 進行綜合承載，根據(jù)各地?zé)o委會頻率批復(fù)情況不同，采用的方案也有差異，采用TDLTE 車地?zé)o線通信方式的傳輸介質(zhì)主要是漏纜。

如頻率批復(fù)15 ～20 M，根據(jù)目前的方案可進行綜合承載，主要承載列車自動控制（CBTC）、列車緊急文本下發(fā)、列車狀態(tài)監(jiān)測、實時視頻監(jiān)控、乘客信息服務(wù)及寬帶集群調(diào)度等業(yè)務(wù)。如批復(fù)10 M 及以下，只能單獨承載信號系統(tǒng)，其他系統(tǒng)采用WLAN 方案。

漏纜價格較為昂貴，以30 km 的線路計算，漏纜需要上下行雙向敷設(shè)，知名品牌的漏纜單價在每米100 元左右。在材料費方面，單漏纜方案比雙漏纜方案節(jié)約600 萬左右，施工相關(guān)費用按照定額40 元/米，共計240萬左右，總計節(jié)約投資840 萬左右。從造價上分析，單漏纜方案要比雙漏纜方案節(jié)約很多投資，因此深入研究采用LTE 方案時使用單漏纜還是雙漏纜是非常有意義的。

2 綜合承載情況下的漏纜使用情況

考慮到CBTC 業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)囊?，車地?zé)o線綜合通信系統(tǒng)方案須采用A/B 雙網(wǎng)設(shè)計，A/B 網(wǎng)相互獨立，并行工作。信號系統(tǒng)CBTC 業(yè)務(wù)在兩套網(wǎng)絡(luò)上同時傳輸，由信號系統(tǒng)同時接收并判斷確定使用有用信息。而車載視頻監(jiān)控（CCTV）業(yè)務(wù)和車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）視頻業(yè)務(wù)以及列車運行狀態(tài)信息僅承載在A 網(wǎng)。綜合承載結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

LTE 采用基于IP 的扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由核心網(wǎng)子系統(tǒng)EPC、無線子系統(tǒng)eNB、網(wǎng)管子系統(tǒng)及終端設(shè)備組成，其中，eNB 包含基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）設(shè)備。綜合承載情況下因承載業(yè)務(wù)多，帶寬要求高，雙漏纜按照特定敷設(shè)要求可以產(chǎn)生多入多出效應(yīng)（ MIMO），能增加系統(tǒng)傳輸帶寬，AB 雙網(wǎng)通過合路器整合后將信號灌入漏纜中，目前應(yīng)用綜合承載的線路基本采用雙漏纜覆蓋，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 單獨承載情況下的漏纜使用情況

針對單獨承載信號系統(tǒng)的情況，對單漏纜布置方案進行分析，并考慮各種故障情況下的通信狀態(tài)，分析如下。

圖1 綜合承載系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of comprehensive bearing system

漏纜的傳輸指標(biāo)：以安佛施漏纜指標(biāo)為例，如圖2 所示。

圖2 中標(biāo)圈出的為1.8 G 頻率下的漏纜傳輸損耗，每100 m 損耗為4.6 dB，漏纜耦合損耗按照60 dB 考慮。

漏纜損耗計算常用信息如表1 所示。

表1 不同設(shè)備漏纜損耗計算表Tab.1 Loss calculation table of leaky cable

雙網(wǎng)單漏纜連接方式如圖3 所示。

圖2 安佛施漏纜指標(biāo)Fig.2 Index of RFS leaky cable

圖3 雙網(wǎng)單漏纜網(wǎng)絡(luò)連接圖Fig.3 Network connection diagram of double network single leaky cable

場景1：漏纜中間斷開如圖4 所示。

圖4 雙網(wǎng)單漏纜連接方式中間漏纜斷開圖Fig.4 Middle leaky cable disconnect diagram of double network single leaky cable connection mode

列車在斷點前的信號強度：廣播信號強度－電橋損耗－接頭損耗－跳線損耗－漏纜傳輸損耗－漏纜耦合損耗－寬度因子－工程余量+終端天線增益=15 － 3.5 － 1 － 2（跳線損耗）－ 4.6×6 － 60（耦合損耗)－0（寬度因子）－5+3（天線等效增益）=-81 dBm。

終端切換的判決條件：目標(biāo)小區(qū)比鄰區(qū)強3 dB，持續(xù)300 ms。

寬度因子是漏纜覆蓋衰落的原因，公式：20lg（D/2），D 是終端距離漏纜的距離。若車速為60 km/h（17 m/s），切換點原小區(qū)場強計算，列車跨過斷點3 m 后能夠滿足前方RRU 信號比后方RRU 信號強3 dB 的條件。但列車要距離前行300 ms（約5 m），才能觸發(fā)切換。切換時距離斷點8 m，信號強度=-81 dBm－20lg（8/2）dB=-93 dBm。兩個RRU 之間漏纜中斷，能正常切換。

場景2：RRU 附近漏纜中斷如圖5 所示。

圖5 雙網(wǎng)單漏纜連接方式中間RRU附近漏纜斷開圖Fig.5 Middle leaky cable disconnect (near RRU) diagram of double network single leaky cable connection mode

列車在故障點前的場強：15－3.5－1－2（跳線損耗）－4.6×12－60（耦合損耗）－0（寬度因子）－5+3（天線等效增益）=-108 dBm。

這個強度中斷切換失敗概率很高。

從場景2 分析，根據(jù)LTE-M 相關(guān)規(guī)范，列車在行駛過程中，場強大于-95 dBm 時無線通信能保持正常通信，小于-95 dBm 時信號會逐漸衰弱，但并非無線通信會立即斷掉。只是信號強度會變?nèi)?，無法保證能正常通信。按照-95 dBm 場強考慮，漏纜的單側(cè)長度大約在-95 dBm－（-108 dBm）=13 dB，13 dB/（4.6 dB/100 m）=282 m。 從 計 算 結(jié) 果來看，RRU 出線端至282 m 位置信號強度低于-95 dBm。也就是說單端RRU 可以有效的長度為1200 m－282 m=918 m。

根據(jù)常規(guī)的LTE 天線布置方案，車輛車頭車尾分別有A 網(wǎng)及B 網(wǎng)天線。以6 節(jié)編組B 型車為參考，兩端天線之間至少100 m 間距，RRU 終端附近有斷點時，當(dāng)車頭位置到達斷點時，車尾距離另一側(cè)RRU 距離大約1100 m 位置，此時場強大約為15－3.5－1－2（跳線損耗）－4.6×11－60(耦合損耗)－0（寬度因子）－5+3（天線等效增益）=-103 dBm。

在這個強度下雖然無法保證正常通信，但從-95 dB 也就是282 m（自斷點）處至100 m（自斷點）-103 dB 的過程中，無線信號可能會出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況，結(jié)合信號系統(tǒng)車地?zé)o線通信普遍存在5 ～9 s 中斷后即緊急制動的情況。因此，在這一段距離范圍內(nèi)，存在中斷并且產(chǎn)生緊急制動的情況還是存在的，但是也有一定概率是不會產(chǎn)生緊急制動。

4 總結(jié)與展望

通過本文分析，針對城市軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)，建議漏纜的配置方式如下。

1) 綜合承載的情況下，采用雙漏纜，確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠。

2) 單獨承載信號的情況下，通信系統(tǒng)采用WLAN 方式。信號系統(tǒng)采用單漏纜的覆蓋方式，根據(jù)各種漏纜中斷情況，只有在RRU 附近漏纜中斷的情況下，列車有一定概率產(chǎn)生緊急制動。

從工程實際應(yīng)用角度來講，地下段隧道漏纜通常掛在4 m 高度，施工完成之后很少會進行漏纜施工，因此，漏纜斷開的概率較小。高架段通常安裝在U 梁下方，風(fēng)吹日曬雨淋等環(huán)境較為惡劣，同時維護施工過程中可能會存在踩踏破壞等情況，損壞斷開的概率較大。從工程實際應(yīng)用角度考慮，建議采用雙漏纜，提高整個車地?zé)o線系統(tǒng)的可靠性。