轨道交通车地无线组网技术及干扰分析

ＴＤ－ＬＴＥ在２０ ＭＨｚ频谱带宽下能够提供下行 １００ Ｍｂｉｔ／ｓ、上 行 ５０ Ｍｂｉｔ／ｓ的 峰 值 速 率，在 ０～１２０ ｋｍ／ｈ移动场景下平均吞吐速率达到７０ Ｍｂｉｔ／ｓ，上行 速率 ２６ Ｍｂｉｔ／ｓ，下 行 速 率 ４４ Ｍｂｉｔ／ｓ。 因 此，ＴＤ－ ＬＴＥ 车 地 无 线 系 统 完 全 满 足 列 车 高 速 移 动 情 况 下 的 切换要求。可减少由于切换带来的时延、抖动、丢包， 保证高速切换场景下的带宽稳定，保证车地无线信息 实时传输不中断。
统［６］。但 ＷＬＡＮ 技 术 方 案 具 有 很 大 的 局 限 性： ＷＬＡＮ 网络在 固 定 情 况 下 能 提 供 ５４ Ｍｂｉｔ／ｓ的 数 据带宽，但在支持步速移动情况下 只 能 提 供 １１～１３ Ｍｂｉｔ／ｓ的数据带 宽，仅 能 实 现 标 清 信 号 的 传 输，暂 不能满足高清的要 求［７］；系 统 工 作 在ＩＳＭ（工 业、科 学和医用）频段，干 扰 源 多，且 需 在 隧 道 内 安 装 大 量 ＡＰ（接入点），增大 了 维 护 工 作 量；ＡＰ 功 率 受 限，覆 盖 范 围 小 ，切 换 频 繁 ，导 致 系 统 易 丢 包 。
系统频带
７００ ＭＨｚ，８００ ＭＨｚ，９００ ＭＨｚ，１８００ ＭＨｚ，１．９ＧＨｚ，２．１ＧＨｚ， ２．３ ＧＨｚ，２．５ ＧＨｚ ，２．６ ＧＨｚ
２．４ ＧＨｚ和 ５．８ ＧＨｚ
ＱｏＳ 保 证
切换时间 传输时延 干扰来源 发射功率 覆盖距离
接入方式
移动性管理 组网方式
可为不同业务设定不同等级 ＱｏＳ服务，易集成多种服务，可支持 ８级优先级调度
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城
市
轨
道
交
通
研 究
２０１５ 年
１．１．２ 基于 ＯＦＤＭ 的多址接入技术［５］ ＯＦＤＭ 技术的基本原 理 是：将 一 个 较 宽 的 频 带
分成若干个彼此正 交 的 子 载 波，在 每 个 子 载 波 上 进 行窄带调制和传 输。 这 样，既 减 少 了 子 载 波 间 的 相 互干扰，又提高 了 频 谱 利 用 率。 如 果 各 子 载 波 所 占 带 宽 足 够 窄 ，它 们 将 分 别 经 历 平 坦 衰 落 ，从 而 大 大 减 少符号间干扰（ＩＳＩ）。ＯＦＤＭ 技术是 ＬＴＥ 系统的技 术 基 础 ，具 有 诸 多 优 势 ，例 如 在 频 率 选 择 性 衰 落 信 道 中 具 有 良 好 的 性 能 ，基 带 接 收 机 复 杂 性 低 ，拥 有 较 好 的频谱特性和较强的多宽带处理能力等。 １．１．３ 基于 ＭＩＭ 地铁 ＴＤ－ＬＴＥ 车地无线组网方案
２．１ 网 络 总 体 架 构 基于 ＴＤ－ＬＴＥ 技术的轨道交通车地无线系统
解决方案由４层网 络 架 构 组 成，分 别 为 控 制 中 心 子 系统、车站子系统、区 间 覆 盖 子 系 统 和 车 载 子 系 统， 参 见 图 １。
２．２ 无 线 覆 盖 方 案 基于 ＴＤ－ＬＴＥ 的轨道交通车地无线通信系 统
第
４期
研究报告
轨道交通车地无线组网技术及干扰分析
孙寰宇
（郑 州 市 轨 道 交 通 有 限 公 司 ，４５０００３，郑 州 ∥ 高 级 工 程 师 ）
摘 要 目前城市轨道交通 乘 客 信 息 系 统 （ＰＩＳ）和 基 于 通 信的列车自动控制（ＣＢＴＣ）系 统 的 车 地 无 线 组 网 技 术 基 本 采用 ＷＬＡＮ 技术。针对 ＷＬＡＮ 车 地 无 线 技 术 组 网 方 案 的 不足，提出了基于 ＴＤ－ＬＴＥ（分 时 长 期 演 进 ）技 术 的 轨 道 交 通车地无线组网技术方案。结合城市轨道交通无线通信的 特点，对 ＴＤ－ＬＴＥ 车 地 无 线 网 络 存 在 的 干 扰 进 行 了 分 析 ， 并提出了具体的解决措施。 关键词 城市 轨 道 交 通；ＴＤ－ＬＴＥ；车 地 无 线 通 信；同 频 干扰 中 图 分 类 号 Ｕ ２３１．７ ＤＯＩ：１０．１６０３７／ｊ．１００７－８６９ｘ．２０１５．０４．０１２
轨道交通车地无线通信业务需求着眼于在列车 高 速 移 动 状 态 下 提 供 高 清 、实 时 监 控 、车 辆 管 理 信 息 及测试诊断信息、增 值 业 务 等，因 此，对 车 地 无 线 需 求 的 落 脚 点 是 “高 移 动 性 ＋ 稳 定 宽 带 ”。
ＷＬＡＮ 是在目前技术水平及国内政策支持下， 唯一可 以 实 现 列 车 与 地 面 之 间 的 双 向 通 信 的 系
目前国内建设的城市轨道交通车地无线系统基 本采用８０２．１１ 系 列 无 线 局 域 网 技 术 （ＷＬＡＮ）［１］， 受该技术标准体 制 限 制，其 存 在 安 全 性 差、覆 盖 难、 切换频繁、移 动 场 景 带 宽 较 小、干 扰 源 多 等 问 题 ， ［２］ 无法满足运营使用要求。国外城市轨道交通车地无 线系统实施 线 路 少，多 采 用 ＷＩＭＡＸ 技 术，但 该 技 术在我国 受 国 家 政 策 影 响，难 以 推 广 使 用。ＴＤ－ ＬＴＥ（分 时 长 期 演 进 ）作 为 一 种 新 兴 的 无 线 宽 带 接 入
ＬＴＥ 系统同时定义 了 频 分 双 工 （ＦＤＤ）和 时 分 双工（ＴＤＤ）两种方式。ＴＤＤ－ＬＴＥ 具备频谱申 请 灵 活 、上 下 行 资 源 可 调 配 的 特 点 。 １．１ ＴＤ－ＬＴＥ 的关键技术
基于 ＴＤＤ 的 双 工 技 术、基 于 ＯＦＤＭ 的 多 址 接 入技术和 基 于 ＭＩＭＯ 的 多 天 线 技 术 是 ＴＤ－ＬＴＥ 标准的三大关键技术 。 ［４］ １．１．１ 基于 ＴＤＤ 的双工技术
主要包括设置在 控 制 中 心 的 ＴＤ－ＬＴＥ 交 换 设 备、 设置在 车 站 的 ＴＤ－ＬＴＥ 基 带 设 备 （ＢＢＵ）、沿 途 隧 道内的 光 缆、设 置 在 区 间 的 ＴＤ－ＬＴＥ 远 端 设 备 （ＲＲＵ）及 合 路 设 备、车 载 的 无 线 单 元 和 天 线 等 设 备。ＴＤ－ＬＴＥ 信 号 通 过 合 路 器 与 ＰＯＩ（多 系 统 接 入 平 台 ）输 出 的 商 用 通 信 系 统 信 号 合 路 ，合 路 后 的 无 线 信 号 送 入 商 用 漏 泄 电 缆 中 ，实 现 隧 道 内 覆 盖 ，参 见 表２。 为 实 现 隧 道 长 区 间 ＴＤ－ＬＴＥ 无 线 信 号 覆 盖，采用 在 区 间 增 设 ＲＲＵ 方 式，ＴＤ－ＬＴＥ 信 号 通 过区间多频分合路 器 合 路，合 路 后 的 无 线 信 号 送 入 区间漏泄电缆中。
ＴＤ－ＬＴＥ 与 ＷＬＡＮ 相 比 有 无 可 比 拟 的 技 术 优 势 ，详 见 表 １。
比较内容 带宽
表１ ＴＤ－ＬＴＥ 与 ＷＬＡＮ 技术对比表
ＴＤ－ＬＴＥ
ＷＬＡＮ（８０２．１１ｘ）
列车速度为１２０ｋｍ／ｈ时，有效带宽＞５０ Ｍｂｉｔ／ｓ，峰值带宽可达 １００ Ｍｂｉｔ／ｓ
列车速度为１２０ｋｍ／ｈ时，有效带宽＜２ Ｍｂｉｔ／ｓ
ＴＤＤ 时 间 切 换 的 双 工 方 式 在 一 个 帧 结 构 中 定 义了它的双工过程，其 用 时 间 来 分 离 接 收 和 发 送 信 道。在 ＴＤＤ 方 式 的 移 动 通 信 系 统 中，接 收 和 发 送 使用同一频率载波 的 不 同 时 隙 作 为 信 道 的 承 载，其 单方向的资源在时 间 上 是 不 连 续 的，时 间 资 源 在 两 个方向上进行了分 配，基 站 和 移 动 台 之 间 必 须 协 同 一致才能顺利工作。
带 宽 不 稳 定 ，服 务 性 能 无 法 保 证
１００ｍｓ～数百 ｍｓ 几百 ｍｓ 受到众多ＩＳＭ 无线系统的干扰严重 ＜１００ ｍＷ 低于４００ｍ （城区）低于２００ｍ （隧道）
ＯＦＤＭＡ／ＤＳＳＳ（直 接 序 列 展 频 技 术 ）
载波侦听冲突检测 ３信道组网，ＡＰ 个数受限
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第
ＴＤ－ＬＴＥ 网 络 系 统 采 用 扁 平 网 络 架 构，网 元 节点少，大 大 减 少 了 隧 道 内 设 备 安 装 与 维 护 的 工 作量。
ＴＤ－ＬＴＥ 车地技术 采 用 专 用 频 点 进 行 轨 道 沿 线 的 无 线 覆 盖 ，并 通 过 技 术 手 段 优 化 设 计 ，可 有 效 避 免与 其 它 系 统 的 干 扰。 另 外，ＴＤ－ＬＴＥ 严 格 的 ＱｏＳ（服务质 量）机 制 保 证 了 多 种 不 同 质 量 要 求 的 业务并发的服务质量。
１００ ｍｓ左 右 １０ ｍｓ左 右 取决于系统占用的频段 车载终端约２ Ｗ，基站２０～８０ Ｗ ３～４ｋｍ （城区），１．４ｋｍ（隧道），支持多 ＲＲＵ（远端设备）共小区
ＯＦＤＭＡ／ＳＣ－ＦＤＭＡ（正 交 频 分 多 址／单 载 波 频 分 多 址 ）基 站 、 终端侧加强高速场景纠偏功能
完善的 ＭＡＣ（媒体访问控制）机制 小 区 间 干 扰 避 免 技 术 丰 富 （小 区 间 干 扰 协 调 ）
技术［３］，是在ＩＥＥＥ８０２．１１Ｘ 之 后 开 发 出 来 的 具 有 大带宽、广覆盖、高 速 移 动 适 应 性、非 视 距 传 输 等 优 势 的 无 线 传 输 技 术 ，可 用 于 组 建 车 地 无 线 传 输 网 络 ， 使轨道交通车地无线组网技术达到国际领先水平。
基于 ＴＤ－ＬＴＥ 技术的轨道交通车地无线通 信 系统在地铁中采用 泄 漏 电 缆 覆 盖，车 地 无 线 信 号 通 过合路器与 ＰＯＩ（多系统接入平台）输出的商用通信 系统信号合路，合路 后 的 无 线 信 号 馈 入 商 用 漏 泄 电 缆中，实 现 隧 道 内 覆 盖。 多 个 系 统 共 用 ＰＯＩ 和 漏 缆，因此系统间 的 干 扰 必 须 严 格 加 以 控 制。 本 文 对 ＴＤ－ＬＴＥ 车地无线通 信 系 统 存 在 的 干 扰 进 行 了 深 入 分 析 ，并 提 出 相 应 的 解 决 方 案 。
１ ＴＤ－ＬＴＥ 技术概述
ＬＴＥ 技术采用了正交频 分 复 用 （ＯＦＤＭ）、多 输 入输出（ＭＩＭＯ）、自适应调制编码（ＡＭＣ）及 混 合 自 动重传（ＨＡＲＱ）等 技 术，在 ２０ ＭＨｚ频 谱 带 宽 下 能 够提供下行１５０ Ｍｂｉｔ／ｓ与上行７５ Ｍｂｉｔ／ｓ的峰值速 率 ，同 时 在 改 善 小 区 边 缘 用 户 的 性 能 、提 高 小 区 容 量 和降低系统延迟等方面有显著提升。