基于LTE窄帶寬的城市軌道交通無線通信系統

第23期

2020年12月

無線互聯科技

Wireless Internet Technology

No.23

December，2020

基于LTE窄帶寬的城市軌道交通無線通信系統

洪 婷，姚 楠，張 楊，白 燁

1212

（1.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430079；2.武漢智慧地鐵科技有限公司，湖北 武漢 430040）

摘 要：隨著2016年底武漢6號線在國內首次采用LTE承載CBTC業務開通運營，基于1.8 GHz專用頻段LTE技術開始全面

取代傳統基于2.4 GHz頻段WLAN制式，在國內新建線路中成為主流的車地無線專用通信系統。文章介紹一種用于軌道交

通的LTE窄帶寬無線接入系統。該系統由軌旁有線系統、車地無線系統和車載有線系統組成，由于1 785~1 805 MHz頻段資

源的稀缺性，越來越多的城市開始面臨專網頻段資源緊張、多行業競爭用頻矛盾突出的情況，該系統通過開發實現窄帶LTE

協議棧技術，在既有頻率規劃無法規避同頻干擾的區域，局部范圍內通過細分頻段的方式、采用小帶寬頻段組合的方式解

決頻率資源緊張、同頻干擾嚴重的問題，保障行車控制安全。

關鍵詞：軌道交通；LTE；窄帶寬；抗干擾

1 研究背景

隨著城市軌道交通的不斷發展和 LTE 車地通信技術已超過-40 dBm。故此沙口站存在上行阻塞的風險很大，風

的不斷應用，如何充分利用 1.8 G 頻率資源實現車地業務的險來源為DCS1800下行。

安全、可靠承載，并減少信號干擾是需要重點解決的問題之

一。2016年底武漢6號線在國內首次采用LTE承載CBTC業務

開通運營，基于1.8 GHz專用頻段LTE技術開始全面取代傳

統基于2.4 GHz頻段WLAN制式，在國內新建線路中成為

[1]

[2]

主流的車地無線專用通信系統。由于1 785~1 805 MHz頻

段資源的稀缺性，越來越多的城市開始面臨專網頻段資源緊

張、多行業競爭用頻矛盾突出的情況。隨著近年來城市軌

[3]

道交通建設的快速擴展，主要中心城市的線網規模不斷擴

張，同步伴隨著大批新建線路CBTC及綜合承載系統LTE-M

網絡的不斷增長，現有LTE系統同頻隔離需求、同站換乘和

[4-5]

同頻干擾問題也開始逐步顯現。特別是針對CBTC系統雙

網冗余的高可靠性要求，現有LTE系統可用頻段緊缺問題越

發突出，本系統采用窄帶寬組網，解決了頻率資源不足和同

頻干擾導致行車控制安全問題。

2 問題描述及原因分析

2.1 問題描述2.2.2 武生站

武漢軌道交通21號線部分站點（特別是高架區間站點，

如武生站）受移動1 800 MHz DCS信號干擾，對軌道基站

上行接收性能影響較大，導致上行誤碼率抬升，性能指標下

降，甚至造成列車EB。圖1為某時刻采集到的高架段站點上

行誤碼率統計數據（橫坐標為51的點即為武生院處，上行誤

碼率高達51.06%）。

2.2 原因分析

對性能較差的站點進行實地掃頻，分析采集數據可

以得出設備上行存在阻塞風險很大，且風險均來源于

DCS1 800 MHz下行。下面以沙口和武生兩站對情況加以分

析說明（見圖2）。

2.2.1 沙口站

1 785~1 795 MHz段為兩個5 MHz寬帶信號，該頻段內LTE車地無線通信系統由軌旁有線系統、車地無線系統

最大干擾信號大于-80 dBm/100 kHz=-60 dBm/10 MHz。和車載有線系統組成。

1 805~1 815 MHz段為DCS1 800 MHz下行信號，均為200 kHz

帶寬，考慮幾個功率大于-60 dBm的干擾信號總功率大機、LTE網管等設備組成，通過軌旁以太網工業級交換機組

于-45 dBm+（-45 dBm）+（-48 dBm）+（-49 dBm）+（-55 dBm）+成的有線傳輸網絡，與LTE基站連接。

（-55 dBm）+（-58 dBm）=-39.9 dBm，該頻段內總干擾功率

圖1 高架段上行誤碼統計

1 785~1 795 MHz段為兩個5 MHz寬帶信號，該頻段

內最大干擾信號約-95 dBm/100kHz=-75 dBm/10 MHz。

1 805 MHz-1 815 MHz段為DCS1800MHz下行信號，均

為200 kHz帶寬，僅1 807.2 MHz頻點的干擾電平就已達

到-32 dBm。故此軍民村站存在上行阻塞的風險很大，風險

來源為DCS1800下行。

注：由于設備濾波器從帶外10M開始考慮抑制度指標，

且經過實際測試設備能夠承受的最大干擾為-40 dBm，所

以該干擾分析報告以1 775~1 815 MHz內總干擾信號是否超

過-40 dBm作為評判依據。

3 軌道交通的LTE窄帶寬無線接入系統組成

3.1 系統設備組成

（1）軌旁有線系統：主要包括LTE核心網、核心網交換

作者簡介：洪婷（1989— ），女，湖北黃岡人，工程師，碩士；研究方向：通信。

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圖2 沙口站基站天線處來向與去向掃頻結果

圖3 武生站天線處掃頻結果

（2）車地無線系統：主要由LTE軌旁基站、漏纜/天線管理等，是LTE承載網絡和外部網絡（CBTC業務系統）的接

和LTE車載接入終端組成，構成無線傳輸通道。口。為實現多種業務網絡連接、互聯互通及必要的網絡管理

（3）車載有線系統：車頭、車尾LTE車載接入終端分布功能，核心網配置專門的交換機用于實現不同層面的業務和

與A、B網CBTC車載信號設備接口，構成車載有線網絡。管理接口。

LTE系統組網結構如圖4所示。

3.2 LTE系統設備組成

（1）LTE核心網（EPC）：主要功能是提供LTE網絡側器等。

接入控制、數據路由和轉發、移動性管理、安全、無線資源（3）1588時鐘服務器：為LTE基站提供微秒級的精準時

（2）網管服務器（OMC）：專門用于管理LTE系統的

主要網元設備，包括EPC、基站、車載終端、1588時鐘服務

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圖4 LTE車地無線通信系統結構

間同步保證。縫的移動IP連接。LTE網絡主要由兩部分組成：無線接入網

（4）LTE基站（eNodeB）：從設備形態上可以分為一體和核心網，其中，無線接入網主要由基站組成，核心網主要

化或分布式基站，分布式基站分為BBU（基帶處理單元）和由移動性管理實體、服務網關和分組數據網絡網關組成，如

RRU（射頻拉遠單元），BBU通常安裝在機房內提供有線傳

輸鏈路接入和無線接入控制，RRU安裝在軌旁，用于沿線

LTE信號覆蓋。一體化基站包含基帶處理和射頻處理的完整

功能，只安裝在軌旁，通過光纖接入到各車站接入交換機。

（5）LTE車載終端TAU：為車輛提供LTE通信接入和無

線數據傳輸服務。

3.3 系統功能

LTE車地無線通信系統主要包括以下功能：數據傳輸功

能、無線網絡功能、網絡管理功能。

3.3.1 數據傳輸功能

LTE系統具有以下數據傳輸功能。

（1）分組數據無線傳輸功能：LTE網絡是基于全IP的無

線數據網絡，在用戶終端（UE）和分組數據網絡之間建立無

圖5所示。

圖5 LTE分組數據網絡架構

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（2）分組數據重發功能：最大重發次數滿足承載業務（1）具備維護和診斷能力，以檢測系統設備的失效并對

實時性要求，LTE技術采用了兩層重傳技術為無線傳輸提供其進行反應，并包含遠程診斷能力和失效顯示以便故障告

可靠保障。MAC層HARQ機制，主要用于解決物理信道傳輸警，并且及時的識別安全相關失效的組件和功能。

差錯，通過物理層下行PHICH信道及上行ACK/NACK反饋（2）網管系統軟件用數據庫實現數據記錄能力。可根

信息來實現快速錯誤重傳，下行采用自適應異步HARQ，上據對數據庫記錄的數據的分析，重現導致故障的通信事件

行采用非自適應同步HARQ。HARQ重傳最大次數可由基站序列。

進行配置，在滿足業務實時性要求的前提下盡可能提供可靠（3）網管系統軟件界面提供對網絡中各設備的狀態展

性保證；RLC層ARQ機制：在MAC層重傳達到最大次數的示、拓撲圖展示、故障檢測告警和遠程診斷，及對相關端口

情況下，由RLC層通過ARQ實現數據鏈路層完整分組數據性能的實時監測和歷史查詢功能，并具有日志記錄和顯示

的重傳，進一步降低誤碼率，為上層業務提供給足夠的傳輸功能。

可靠性。（4）網管設備通過對網絡的監控，實現故障管理、性能

（3）分組路由轉發功能：LTE系統通過核心網的PGW/管理、配置管理、安全管理、通信管理、拓撲管理、系統管

SGW網元實現業務數據的路由功能，PGW/SGW作為標準的

數據網關設備支持完整的路由功能，具有分組數據路由轉發

功能。路由功能的主要工作就是為經過路由設備的每個數

據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的

站點。信，無線信號傳輸容易受到外界干擾。可能的干擾源有以下

（4）虛擬專網（VPN）功能：虛擬私有網VPN，是在公幾個。

用網絡上構建私人專用網絡的一種技術。VPN有別于傳統網（1）供電系統：軌旁環網，接觸網/三軌供電，鋼軌回

絡，它并不實際存在，而是利用現有公共網絡，通過資源配流，牽引供電電源頻率諧波。

置而成的虛擬網絡，是一種邏輯上的網絡。VPN只為特定的（2）車輛系統：逆變器控制牽引和輔助設備開關行為

企業或用戶群體所專用。從VPN用戶角度看來，使用VPN與產生的瞬態值。

傳統專網沒有區別。VPN作為私有專網，一方面與底層承載（3）其他無線通信系統：調度無線系統，公安無線系

網絡之間保持資源獨立性，即在一般情況下，VPN資源不會統，消防無線系統，旅客信息系統。

被承載網絡中的其他VPN或非該VPN用戶的網絡成員所使（4）乘客攜帶的無線設備：隨著智能終端的普及，乘客

用；另一方面，VPN提供足夠安全性，確保VPN內部信息不越來越多的攜帶具備WIFI功能的設備乘坐地鐵，在站臺候

受外部的侵擾。車。同時，開放線路空間也越來越多地被無線信號覆蓋。若

（5）虛擬局域網（VLAN）功能，不同類型的數據經這些設備均工作在1.8G ISM頻段，因此其對使用同樣頻率的

由不同的VLAN進行傳輸，控制廣播控制廣播風暴區域；

VLAN功能提供了將一個物理網絡隔離成多個邏輯網絡的

技術，通過劃分不同的VLAN，每個VLAN是一個獨立的廣（6）其他機電系統：風機，空調，屏蔽門等。

播域，從而實現了不同VLAN廣播域的隔離，能夠控制廣播（7）其他地鐵線路的機電設備。

風暴區域。這樣，廣播報文被限制在一個VLAN內，從而保（8）外來干擾源：軌旁的建筑物內的無線通信系統，霓

證信息安全。虹燈，無線運營商，高壓線路，機場，工礦企業，高壓線路等。

（6）QoS分級控制功能，支持LTE標準定義的9級QoS（9）雷電。

優先級，LTE支持9級QoS，用戶可以定義數據傳輸的QoS等

級，實現對重要業務的資源優先分配。在網絡邊緣，數據傳通信，承載CBTC業務。軌道交通行業使用1.8 GHz行業專網

輸性能降低的情況下，LTE系統優先保證QoS等級高的業務頻段，需向當地無線電管理委員會申請，審批通過后才可合

傳輸。法使用，因此在合法申請使用、無委會監管前提下，該頻段

3.3.2 無線網絡功能

LTE系統支持1.4 MHz，3 MHz，5 MHz，10 MHz，4.2 抗干擾措施

15 MHz，20 MHz系統帶寬靈活配置。LTE系統設備支持4.2.1 帶內干擾

3GPP定義的所有的TDD UL/DL配比的能力，常用的TDD LTE系統同頻干擾會造成LTE接收信號的解調出現誤

UL/DL配比方案包含UL∶DL=1∶3，3∶1，2∶2等。無線網絡

在高速場景下會產生多普勒頻移，對通信質量造成較大的延時加大、甚至阻斷連接。

影響。LTE基站支持AFC（自動頻率控制）頻率糾偏和補償在1 785~1 805 MHz頻段內，來自于和本線路LTE帶寬

算法，能夠有效降低或消除多普勒頻移對無線通信系統的相同的其他線路LTE信號干擾，可以通過以下措施緩解或

影響。消除。

3.3.3 網絡管理功能

LTE網絡中A/B網可分別配置，或合設一套網絡管理設

備，管理網內所有的網絡設備，為系統運營和維護提供全方信道質量相對較差的終端在業務信道上與鄰近同頻小區隔

位的網絡管理。離，降低干擾影響程度；

網絡管理設備管理控制中心、正線、車輛段的基站、（2）跨線運營：例如線路1、線路2經過一片公共、開放

TAU設備，可以查詢LTE設備的工作狀態，并且對故障進行

告警。其功能如下：相同干擾，這時只保留線路1的無線信號覆蓋，檔線路2的列

理，能夠通過網絡配置實現統一的網絡資源管理。

4 系統抗干擾措施

4.1 無線抗干擾原理

LTE系統使用無線傳輸方式實現車-地之間的雙向通

LTE系統有可能造成干擾。

（5）電信運營商提供的無線網絡：如TD-LTE等。

LTE系統采用1.8GHz頻段傳輸無線信號，實現車地雙向

[6-7]

范圍內沒有來自系統外部的直接同頻干擾。

碼，在干擾嚴重時將嚴重干擾LTE通信，造成丟包率增加、

（1）小區間干擾消除技術（ICIC）：原理是使用相同頻

率的鄰近小區，配置不同的邊緣頻帶，保證處于小區邊緣、

站臺區域，相互之間沒有足夠的空間隔離，可能有比較強的

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車經過此范圍時，先漫游到線路1；離開這片區域、回到線路2保證100dB以上的空間隔離度，避免造成上行接收靈敏度的

下個小區無線覆蓋范圍后，再重新連接回原本歸屬的線路2. 明顯惡化。因此，工程現場實際安裝之間需對沿線環境進

這種方式需要兩條線路的核心網之間支持互聯互通相關的行勘察，避免和運營商靠近沿線道路的高功率基站塔距離

協議標準。太近。

（3）共享小區：例如線路1、線路2在某片公共區域，共（3）頻段隔離。

享一個基站提供的無線接入傳輸，該基站應具備兩條獨立的為了抑制帶外鄰頻干擾，建議在頻段使用上至少要與

光纖回傳鏈路，分別接入到線路1和線路2的核心網；基站通

過終端身份識別，控制經過該區域的兩條不同車輛對應的數

據傳輸路由通道，這樣對兩條線路的終端和核心網都互不影

響，確保業務獨立性。

4.2.2 帶外干擾

帶外干擾信號對LTE系統的影響主要體現在對基站、

TAU LNA（低噪放）接收的干擾，降低接收靈敏度，嚴重抬

升噪聲水平，縮小基站覆蓋距離；嚴重時會阻塞LNA的接

收，徹底關閉上行通道。

解決帶外干擾的主要措施包括：

（1）基站內部濾波器。

基站、TAU為了規避帶外干擾信號帶來的影響，特別選

用高抑制、低帶寬的腔體濾波器，能夠極大抑制帶外信號進

入基站、TAU的LNA通道，保證系統接收靈敏度。

基站、TAU內部的基帶濾波器設計也能夠在一定程度上

抑制帶外信號的干擾，在腔體濾波器抑制帶外大功率信號輸

入的前提下，基帶濾波器能夠進一步消減帶外干擾，提高接

收靈敏度。

（2）天線隔離。該系統通過開發實現窄帶LTE協議技術，在既有頻率規

針對本工程線路為地上的特點，在正線覆蓋LTE基站劃無法規避同頻干擾的區域，局部范圍內通過細分頻段的

時，需考慮和地面運營商網絡之間的天線隔離，特別信號系方式、采用小帶寬頻段組合的方式解決頻率資源緊張、同頻

統專用的LTE基站和運營商GSM1800 頻段RRU之間應盡量干擾嚴重的問題，保障行車控制安全。

GSM1800系統頻段保持5 MHz隔離帶，如圖6所示。

圖6 LTE-M 1.8GHz頻段和GSM1800系統隔離頻段

5 結語

[參考文獻]

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[2]DAI K P，ZHANG Y B，ZHU L，et al. An integrated LTE-bad urban rail train ground communication system[J].Urban Rapid

Rail Transit，2016（2）：69-74.

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（編輯 姚 鑫）

Wireless communication system for urban rail transit bad on LTE narrow bandwidth

Hong Ting, Yao Nan, Zhang Yang, Bai Ye

1212

（1. Wuhan Metro Group Co., Ltd., Wuhan 430079, China; Wisdom Metro Technology Co., Ltd., Wuhan 430040, China）

With Wuhan Line 6 in China at the end of 2016 for the first time to adopt the LTE bearing CBTC business operation, The

Abstract：

special frequency band LTE technology bad on 1.8 GHz began to replace the traditional frequency band WLAN system bad on 2.4, It

has become the mainstream wireless special communication system in the new line in China. A LTE narrow bandwidth wireless access

system for rail transit is introduced in this paper. The system consists of rail-side wired system, vehicle-ground wireless system and on-

board wired system, Becau of the scarcity of 1785-1805 MHz band resources, More and more cities are facing the shortage of special

network frequency band resources and the contradiction of multi-industry competition, By developing the narrowband LTE protocol stack

technology, In areas where existing frequency planning can not circumvent the same frequency interference, To solve the problem of high

frequency resource and rious interference in the same frequency by subdividing the frequency band and combining the small bandwidth

frequency band, Ensure the safety of driving control.

rail transit; LTE; narrow bandwidth; anti-jamming

Key words：

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