湖北电线价格联盟

TD-LTE承载地铁信号无线网络规划方案 | 技术交流

轨道世界2019-01-10 04:37:01

--- Tips:点击上方蓝色【轨道世界】关注及查看往期精彩内容 ---

轨道世界 RailWorld

开放|共享|价值


导读 ID:RailWorld

TD-LTE承载地铁信号无线网络规划方案 | 技术交流


作  者 | 哈尔滨地铁 李厚锴

来  源 | 《铁路通信信号工程技术》


作为关系到列车运营体验和运行安全的特殊系统,CBTC 对可靠性、安全性要求极高。产品链和技术的成熟度是目前国内大部分城市采用WLAN技术承载CBTC 业务的主要出发点。LTE 技术与传统无线局域网相比,具有延迟降低、分组传送、广域覆盖、高数据速率和移动支持能力强等诸多优势。WLAN仅有三个完全正交的信道,而LTE组网具有丰富的干扰避免技术;从基站的覆盖范围来看,LTE 组网较传统WLAN范围更大,单个接入点支持更多的用户数,这对组网的复杂度起到降低作用,更为重要的是,对于不同等级的QoS保障,LTE也能支持,这样在承载多业务时,LTE 对业务优先级进行划分,保证关键业务的优先。对于承载地铁多业务来说,这无疑具有很大的优势,而传统的无线局域网很难达到这一点。本文将以哈尔滨地铁3号线一期为实例,探讨基于LTE的地铁信号无线传输具体方案的设计。

1 无线传输体设计

1.1 平台总体设计

TD-LTE作为下一代无线技术的主流标准,目前在商用领域已经获得较大规模的应用。TD-LTE的核心是正交频分多址/单载波频分多址(OFDMA/SC-FDMA)、多发多收(MIMO)等技术,可以明显的提高无线通信的频谱效率和数据传输效率。目前已向无线电管理委员会申请1 785~1 800 MHz用于本次工程的基于时分双工(TDD)模式的宽带无线接入网络。依照TD-LTE的技术特点,在已经申请的20 MHz的带宽,可以实现下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的信息传输。

根据ATC业务系统传送车地信息的特点,LTE网络采用A/B独立双网的冗余设计承载业务。A/B独立双网包括A/B无线双网和A/B双核心网。

如图1所示,A/B无线双网确保在轨旁由2张无线网络实现无线信号冗余覆盖。A/B无线网络分别采用不同的频点F1和F2。A无线网络内采用同频组网,B无线网络内也采用同频组网。A/B双核心网即是2个单独的核心网。A无线网络和A核心网组成可以实现端到端通信的LTE A 网络,B无线网络和B核心网组成可以实现端到端通信的LTE B网络。

TD-LTE车地无线通信系统采用A、B双网设计,双网同站址覆盖。通过POI设备与800 MHz专用通信系统共用一根泄漏同轴电缆,另一根泄漏电缆为信号专用泄漏电缆。

车地宽带无线网络覆盖包括正线、停车线、联络线。隧道轨旁主要部署RRU和泄漏同轴电缆(1.8 GHz)。BBU与RRU之间通过IR接口光缆连接。分别部署A、B网的核心网设备EPC,通过中心交换机实现信号系统业务的接入。在列车的车头和车尾,分别设置LTE网络车载设备,包括车载接入单元(TAU)天馈系统等。车头和车尾各安装一台TAU,车头的TAU工作在LTE A网;车尾的TAU工作在LTE B网。系统的整体架构如图2所示。

核心网包含MME,S/P-GW和eHSS逻辑网元。MME处理UE的移动性管理和会话管理,S/P-GW处理终端和组的媒体面数据路由和承载资源分配。MME和S/P-GW之间为S11接口,用于进行用户面承载的管理。核心网组成如图3所示。

1.2 正线覆盖方案

在全地下隧道内使用泄漏电缆进行TD-LTE的无线信号覆盖,由于隧道把地铁上行方向和下行方向物理隔离,将上行方向和下行方向分别划分为2个小区,在行车方向上配置小区邻区。RRU放置在车站信号机房,功分/合路器也放置在信号设备房,TETRA四功分后的信号经馈线接入信号设备房的功分/合路器输入端,合路器输出端接到区间漏缆上,实现隧道内覆盖。

1.3 站台区覆盖方案

岛式站台轨道间距离较大,轨道使用泄漏电缆覆盖,能够满足隔离度的要求。岛式站台的RRU连接如图4所示。

对于侧式站台,由于轨道间距离较小,不能满足隔离度要求,将站台的上下行轨道规划为一个小区,将覆盖上下行轨道的两个RRU进行小区合并,使用泄漏电缆进行无线信号覆盖。如果在侧式站台无法架设泄漏电缆,则采用天线方式覆盖。侧式站台RRU的连接如图5所示。

距离天线10 m处的传播损耗为57 dB,漏缆的耦合损耗按63 dB,双极化定向天线增益按8 dBi考虑,则采用6 dB的耦合器来耦合功率给站台覆盖的天线,可以保证漏缆和天线之间的场强平滑过渡。天线只需在一侧漏缆安装。

1.4 漏缆覆盖切换区计算

终端在移动过程中,需要从一个基站移动到下一个基站,从而发生基站信号的切换,在两个基站之间就会形成一个切换区,漏缆切换示意如图6所示。

切换区的计算:  

切换区距离 = 2dB/漏缆每米损耗 +2×(测量时长+切换时延)×车速(1)

列车最大速度按120 km/h,测量时长和切换时延一般为300 ms以内,传播模型按漏缆每 100 m最小损耗3.8 dB(1.8 G)计算,车速按120 km/h计算,切换区长度计算如下: 

2/3.8×100+2×0.3×80 000/3 600=61 m(2)

2 泄漏电缆共用方案

2.1 LTE与TETRA专用通信系统合路方案

如图7所示,全线各车站轨旁LTE和TETRA信号同时接入漏缆处,通过2个POI合路器,实现A、B网两通道RRU的接入和1路800 MHz专用通信无线信号的接入。

POI合路器a为2入2出型合路器,用于LTE A/B网信号合路;POI合路器b为4入2出型合路器,用于LTE A/B网、TETRA信号合路,需要从TETRA系统的功分器引入射频馈线接入POI合路器b,覆盖隧道的双方向。

2.2 共用漏缆隔离度分析

2.2.1 TETRA系统对TD-LTE的干扰分析

1)杂散干扰

TETRA基站带外离散杂散的辐射指标为 -30 dBm(1 MHz的测量带宽),经过4功分器(按6 dB计算)后为-36 dBm。

TD-LTE的灵敏度按照-101.5 dB,信道带宽5 MHz,热噪声功率底为-107 dBm。如果允许TD-LTE基站灵敏度恶化3 dB,可接受的干扰电平为-107 dBm,则需要:

-30-(-107)+ 10lg(5/1)≈84 dB(3)

即POI的800 MHz通道滤波器在1.8 GHz处的抑制为84 dB。

2)阻塞干扰

TETRA基站发射功率为25 W,44 dBm,经过4功分器(按6 dB计算)后为38 dBm。TD-LTE的带外阻塞指标按一般性要求为-15 dBm。因此,只要POI的1.8 G通道对800 MHz的隔离抑制度按照一般性要求需要达到53 dB,即可满足要求。

2.2.2 TD-LTE系统对TETRA的干扰分析

1)杂散干扰

TD-LTE基站带外离散的辐射指标一般要求为-36 dBm(100 kHz的测量带宽)。

TETRA基站动态灵敏度为-113 dBm,信道带宽25 kHz,共道C/I门限为19 dB。如果允许TETRA基站灵敏度恶化2 dB,则可接受的干扰电平为-124 dBm/100 kHz(等效-130 dBm/25 kHz),同时计入4功分器插损(按6 dB计算),则需要:

-36 -6-(-124)= 82 dB(4)

即POI的1.8 GHz通道滤波器在800 MHz处的抑制按一般性要求为82 dB。

2)阻塞干扰

TD-LTE基站发射功率为40 W(46 dBm)。TETRA阻塞指标为-40 dBm,同时计入4功分器插损(按6 dB计算)。可以计算得出:

46 - (-40) - 6 = 80 dB(5)

即POI的800 MHz滤波通道对1.8 G的隔离抑制度需要达到80 dB。

根据以上计算要求,选择满足隔离度要求的POI合路器。

3 抗干扰分析

TD-LTE系统内干扰主要来自同频邻区干扰,系统内小区间的同频干扰会对小区吞吐量、覆盖产生影响。需考虑同向隧道中前后同频邻区的干扰,及位于车站两侧双隧道的两个小区的相互干扰,如图8所示。

3.1 车站两侧双隧道的两个小区的相互干扰

按照室内Keenan-Motley传播模型估算车站两侧小区的同频隔离度: 

Pathloss(dB)=32.5+20×lg(f)+20×lg(D/1000)+P×W(6)

其中:f为工作频率;D为漏缆到天线距离;P为墙壁损耗参考值;W为墙壁数目。

1)岛式站台抗干扰分析

岛式站台上下行线间距由现场实际可知最小为13 m。站台车辆接收本侧小区信号的路损计算如下(距离天线即漏缆的距离D按照2 m计算,无穿透损耗):

PL1=32.5+20×lg(1800)+20×lg(2/1000)(7)

站台车辆接收对面小区信号的路损计算如下:距离天线即漏缆的距离D按13 m计算,P×W包含列车及屏蔽门穿透损耗,按10 dB计算。

PL2=32.5+20×lg(1800)+20×lg(4.8/ 1000)+10(8)

两侧小区信号隔离度=PL2-PL1=17.6 dB,满足链路预算边缘的最高解调门限值8.5。

2)侧式站台抗干扰分析

侧式站台上下行线间距由3号线贯通方案可知为4.8 m。站台车辆接收本侧小区信号的路损计算如下(距离天线即漏缆的距离D按照2 m计算,无穿透损耗):

PL1=32.5+20×lg(1800)+20×lg(2/1000)(9)

站台车辆接收对面小区信号的路损计算如下(距离天线即漏缆的距离D按4.8 m计算,无穿透损耗):

PL2=32.5+20×lg(1800)+20×lg(4.8/1000)(10)

两侧小区信号隔离度=PL2-PL1=7.6 dB,不满足链路预算边缘的最高解调门限值8.5,需要进行小区合并避免干扰。

3.2 同向隧道中同频邻区间的干扰

如图9所示,前后邻区同频,在小区边缘信噪比最差可达0 dB,如果不采取抗同频干扰的措施,小区边缘的上下行干扰很严重,SINR很低,不能满足速率需求。

通过功控算法、IRC等技术来进行小区间的干扰控制和消除。

4 总结

LTE作为一种先进的无线通信技术,具有高带宽、高可靠性是其他无线通信技术无法比拟的,轨道交通LTE的发展需要解决频段的问题和行业化的问题。首先是频率问题。哈尔滨地铁所用的1.8 GHz频段是国家给所有行业的行业专用频段,遵循先申请先得的原则,并不是轨道交通的专用频段,因此,LTE如果要在轨道交通行业广泛推广,还需要国家无线电管理委员会明确轨道交通专用频段;其次,LTE还需要针对轨道交通做大量行业适配工作。在针对轨道交通车地无线CBTC和调度业务的承载上,需要继续和业界合作,进行对接测试和匹配的终端开发。在针对越来越复杂的各种覆盖场景上(隧道、高架、换乘站等),提供定制化的覆盖解决方案。

素材来源:中国通号/《铁路通信信号工程技术》 顶图by搜索引擎推荐


工业新媒体系列/Industry Media

轨道世界

RailWorld

铁路与城市轨道交通

飞行世界

AerospaceWorld

航空航天与一切飞行器

智能机器人世界

RoboWorld

机器人与人工智能

海工世界

OffshoreWorld

海洋装备与高技术船舶

电动汽车世界

MotorsWorld

电动汽车与充电桩

新能源世界

NewEnergyWorld

新型能源技术与发展

提示:在【添加好友】-【搜索公众号】中查找并关注

(轨道世界微刊读者及行业推广联络邮箱:RailWorld@irail.cn,欢迎轨道各界人士投稿,愿本刊成为大家展示自我实力的开放平台,与天下朋友共分享!)

————————————————————

Tips:点击标题下方【轨道世界】关注及查看往期精彩内容

轨道世界,连接行业一切 | 微信号:RailWorld


Copyright © 湖北电线价格联盟@2017