軌道交通TD-LTE 系統(tǒng)通信頻段研究

董 超 張昱敏 劉德偉

目前，TD-LTE 系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，采用無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)車地之間的雙向通信。TD-LTE 頻段為1.8 GHz（1 795 M～1 805 MHz），以A、B 雙網(wǎng)方案組網(wǎng)，即A 網(wǎng)1 795 M～1 800 MHz，B 網(wǎng)1 800 M～1 805 MHz，每個(gè)網(wǎng)有5 MHz 帶寬；A、B 網(wǎng)互為冗余，當(dāng)某個(gè)基站設(shè)備故障時(shí)，同址的另一網(wǎng)基站設(shè)備能保證信號(hào)業(yè)務(wù)正常傳輸。

由于無線信號(hào)容易受到外界干擾，雖然采用A、B 雙網(wǎng)方案，但在一些車站和區(qū)間，仍存在通信中斷故障較高、傳輸時(shí)延超標(biāo)、乒乓切換等問題，甚至引起列車緊急制動(dòng)，嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)營(yíng)。因此，必須解決線路無線干擾問題。

1 干擾分析

無線干擾主要有同頻干擾和鄰頻干擾。由于本文研究為軌道交通地下線路，線路換乘站均通過換乘通道連接，且采用無線電委員會(huì)批準(zhǔn)的專網(wǎng)頻段，故不存在同頻干擾問題，因此只對(duì)TD-LTE系統(tǒng)鄰頻干擾進(jìn)行研究。

軌道交通使用1.8 GHz 頻段，介于電信運(yùn)營(yíng)商FDD 上行頻段和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商GSM1800 下行頻段之間，如圖1 所示。

圖1 TD-LTE 系統(tǒng)頻段示意圖

同為TD-LTE 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的電信運(yùn)營(yíng)商FDD-LTE（頻分雙工）信號(hào)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，基本沒有干擾信號(hào)，與軌道交通專網(wǎng)內(nèi)部A、B 網(wǎng)相鄰頻段配置的情況類似，可以鄰頻段使用。

鄰頻干擾主要來源于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商GSM1800 系統(tǒng)基站的影響。為抑制GSM1800 基站發(fā)射對(duì)TDLTE 系統(tǒng)的干擾影響，可從以下2個(gè)方面采取措施。

1） 在頻段使用上，至少要與GSM1800 系統(tǒng)頻段保持一定范圍的隔離帶。

2）在運(yùn)營(yíng)商和信號(hào)系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)均采用漏纜覆蓋方案時(shí)，2 套無線系統(tǒng)的漏纜之間應(yīng)保證80 cm 以上的安裝間距，空間隔離度可達(dá)到80 dB以上，再計(jì)入功分器/合路器、射頻饋線等損耗，2 套系統(tǒng)RRU 之間的最小鏈路損耗可達(dá)到105 dB，可以滿足靈敏度損失要求。

線路建設(shè)時(shí)，雖然移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和信號(hào)系統(tǒng)專業(yè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)采取一定的安裝措施，來降低GSM1800 基站發(fā)射對(duì)TD-LTE 系統(tǒng)的影響，但是在頻段使用上并沒有采取隔離措施。

2 頻段方案

為抑制鄰頻GSM1800 系統(tǒng)對(duì)TD-LTE 系統(tǒng)的干擾，同時(shí)配合地方無線電委員會(huì)下達(dá)的地鐵通信頻段與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商GSM1800 MHz 信號(hào)保持2 MHz帶寬的隔離要求，在鄰頻GSM1800 系統(tǒng)頻段無法調(diào)整的情況，在傳統(tǒng)TD-LTE A、B 網(wǎng)（5 MHz+5 MHz 帶寬組網(wǎng)） 方案基礎(chǔ)上，將B 網(wǎng)基站使用5 MHz帶寬變?yōu)? MHz帶寬。即1 800 M～1 805 MHz變更為1 800 M～1 803 MHz，在1 805 MHz 頻點(diǎn)保持2 MHz 帶寬的隔離帶，來消除鄰頻干擾。

3 方案驗(yàn)證

上述5MHz+3MHz帶寬組網(wǎng)方案的效果和可行性，需通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來驗(yàn)證。為此，選取一條開通運(yùn)營(yíng)的線路，在存在較強(qiáng)干擾的車站和區(qū)間（通信中斷故障較高、時(shí)延超標(biāo)、乒乓切換）進(jìn)行動(dòng)車驗(yàn)證，主要驗(yàn)證3 MHz 帶寬網(wǎng)絡(luò)性能的傳輸時(shí)延、平均丟包率、底噪水平、吞吐量和誤碼率等性能指標(biāo)。

該運(yùn)營(yíng)線路原采用1.8 GHz 頻段5 MHz+5 MHz 的帶寬組網(wǎng)，首先進(jìn)行基站軟件版本升級(jí)和全線B 網(wǎng)帶寬變更（由5 MHz 變更為3 MHz），增加與頻點(diǎn)適配的濾波器，采用動(dòng)車測(cè)試變更后的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。

3.1 傳輸延時(shí)和丟包率測(cè)試

在該運(yùn)營(yíng)線路上，申請(qǐng)了夜間動(dòng)車作業(yè)點(diǎn)，列車以ATO 駕駛模式對(duì)全線B 網(wǎng)的丟包率及時(shí)延進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，B 網(wǎng)3 MHz 網(wǎng)絡(luò)性能滿足TD-LTE 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求：傳輸延時(shí)≤150 ms 的概率不小于98%，系統(tǒng)上下行平均丟包率＜1%。

3.2 底噪水平測(cè)試

在當(dāng)前線路網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置下，采集全線B 網(wǎng)在5 MHz 和3 MHz 帶寬配置下基站底噪數(shù)據(jù)，過濾掉底噪小于-90 dBm 的站點(diǎn)。B 網(wǎng)在5 MHz 和3 MHz 帶寬配置下基站底噪水平見表1。

表1 B 網(wǎng)在5 MHz 和3 MHz 帶寬配置下基站底噪水平

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，5 MHz 帶寬配置的B 網(wǎng)，絕大部分基站天線0 和天線1 底噪過高，會(huì)對(duì)基站的正常信號(hào)傳輸產(chǎn)生干擾。結(jié)合早期驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在關(guān)閉移動(dòng)GSM1800 MHz 信號(hào)時(shí)，B 網(wǎng)基站的底噪告警（告警閾值：-90 dBm） 消失；恢復(fù)移動(dòng)GSM1800 MHz 信號(hào)后，基站底噪告警再次出現(xiàn)。因此，需適當(dāng)調(diào)整基站的抗干擾參數(shù)，降低B 網(wǎng)基站接收增益。而將B 網(wǎng)帶寬修改為3 MHz 帶寬配置后，與GSM1800 MHz形成一個(gè)2 MHz帶寬間隔帶，加上基站接收增益的衰減，最終使得基站的底噪水平整體降低（均小于-90 dBm），降低了干擾的影響。

3.3 吞吐量測(cè)試

針對(duì)B 網(wǎng)3 MHz 帶寬配置，對(duì)吞吐量指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試，包含單天線單、雙向吞吐量測(cè)試，及單天線遠(yuǎn)點(diǎn)位置雙向吞吐量測(cè)試等。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，3 MHz 帶寬配置下的吞吐量可滿足列車通信CBTC 業(yè)務(wù)的需求。

其他測(cè)試分項(xiàng)，如駐波比實(shí)時(shí)查詢、單天線切換丟包性能、單天線切換時(shí)延性能等，因與吞吐量指標(biāo)無關(guān)，本次測(cè)試不考慮。

3.4 誤碼率對(duì)比

因?yàn)檎`碼率超過10%就會(huì)造成數(shù)據(jù)解調(diào)困難，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，因此對(duì)測(cè)試線路受干擾較為嚴(yán)重的基站，在3 MHz 帶寬和5 MHz 帶寬配置下的無線性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以從這些基站的誤碼率對(duì)比圖（圖2、圖3）中觀察到，3 MHz 帶寬配置明顯優(yōu)于5 MHz 帶寬配置下的車地通信（只需滿足CBTC 業(yè)務(wù)條件）。

圖2 車站1 PCI 44 在3 MHz 和5 MHz 帶寬配置下的誤碼率對(duì)比

圖3 車站3 PCI 54 在3 MHz 和5 MHz 帶寬配置下的誤碼率對(duì)比

3.5 終端掉線對(duì)比

從B 網(wǎng)在5 MHz 帶寬配置下全線列車運(yùn)營(yíng)一天的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，基站PCI 44 （車站1）、PCI 52（車站2）、PCI 54（車站3）、PCI 56（車站4） 均存在大量的掉線，但將B 網(wǎng)帶寬修改為3 MHz 后，動(dòng)車數(shù)據(jù)全程無異常掉線（動(dòng)車驗(yàn)證測(cè)試約2.5 h）。

3.6 承載容量

5 MHz+3 MHz 帶寬配置肯定沒有5 MHz+5 MHz 帶寬配置的承載容量大，因此在采用5 MHz+3 MHz 帶寬配置組網(wǎng)方式時(shí)，需根據(jù)線路情況及運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，包括車庫（停車場(chǎng)/車輛段）和正線多車場(chǎng)景，對(duì)3 MHz 帶寬承載容量進(jìn)行分析，以滿足TD-LTE 業(yè)務(wù)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。

在已開通線路停車場(chǎng)和車輛段內(nèi)進(jìn)行3 MHz帶寬配置下承載容量測(cè)試，單小區(qū)顯示接入的終端用戶數(shù)量有21 個(gè)，在TD-LTE 網(wǎng)管上查看信號(hào)車載接入終端狀態(tài)均正常，時(shí)延指標(biāo)在正常范圍內(nèi)；在正線隧道和高架環(huán)境下，按照多車測(cè)試場(chǎng)景，在4 輛列車同時(shí)接入一個(gè)小區(qū)，單網(wǎng)承載，有8 個(gè)終端用戶的情況下，參考車庫容量進(jìn)行測(cè)試，3 MHz帶寬配置承載容量可以滿足要求。

4 總結(jié)

經(jīng)上述系列測(cè)試，在不改變當(dāng)前TD-LTE 系統(tǒng)硬件和外界無線環(huán)境的情況下，使用3 MHz 帶寬網(wǎng)絡(luò)承載車地通信業(yè)務(wù)，性能指標(biāo)可以滿足列車CBTC 業(yè)務(wù)的需求。通信頻段隔離2 MHz 帶寬后，移動(dòng)GSM1800 信號(hào)對(duì)B 網(wǎng)的干擾影響大幅降低。因此，在滿足線路CBTC 業(yè)務(wù)需求的前提下，采用TD-LTE 5 MHz+3 MHz 帶寬組網(wǎng)方案，可有效抑制鄰頻干擾和提高網(wǎng)絡(luò)性能。選擇此方案時(shí)，需要考慮線路無線覆蓋場(chǎng)景（如高架段、隧道段環(huán)境），確保TD-LTE 方案能滿足線路CBTC 業(yè)務(wù)的需求。