基于LTE窄带宽的城市轨道交通无线通信系统

第23期

2020年12月

无线互联科技

Wireless Internet Technology

No.23

December，2020

基于LTE窄带宽的城市轨道交通无线通信系统

洪 婷，姚 楠，张 杨，白 烨

1212

（1.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430079；2.武汉智慧地铁科技有限公司，湖北 武汉 430040）

摘 要：随着2016年底武汉6号线在国内首次采用LTE承载CBTC业务开通运营，基于1.8 GHz专用频段LTE技术开始全面

取代传统基于2.4 GHz频段WLAN制式，在国内新建线路中成为主流的车地无线专用通信系统。文章介绍一种用于轨道交

通的LTE窄带宽无线接入系统。该系统由轨旁有线系统、车地无线系统和车载有线系统组成，由于1 785~1 805 MHz频段资

源的稀缺性，越来越多的城市开始面临专网频段资源紧张、多行业竞争用频矛盾突出的情况，该系统通过开发实现窄带LTE

协议栈技术，在既有频率规划无法规避同频干扰的区域，局部范围内通过细分频段的方式、采用小带宽频段组合的方式解

决频率资源紧张、同频干扰严重的问题，保障行车控制安全。

关键词：轨道交通；LTE；窄带宽；抗干扰

1 研究背景

随着城市轨道交通的不断发展和 LTE 车地通信技术已超过-40 dBm。故此沙口站存在上行阻塞的风险很大，风

的不断应用，如何充分利用 1.8 G 频率资源实现车地业务的险来源为DCS1800下行。

安全、可靠承载，并减少信号干扰是需要重点解决的问题之

一。2016年底武汉6号线在国内首次采用LTE承载CBTC业务

开通运营，基于1.8 GHz专用频段LTE技术开始全面取代传

统基于2.4 GHz频段WLAN制式，在国内新建线路中成为

[1]

[2]

主流的车地无线专用通信系统。由于1 785~1 805 MHz频

段资源的稀缺性，越来越多的城市开始面临专网频段资源紧

张、多行业竞争用频矛盾突出的情况。随着近年来城市轨

[3]

道交通建设的快速扩展，主要中心城市的线网规模不断扩

张，同步伴随着大批新建线路CBTC及综合承载系统LTE-M

网络的不断增长，现有LTE系统同频隔离需求、同站换乘和

[4-5]

同频干扰问题也开始逐步显现。特别是针对CBTC系统双

网冗余的高可靠性要求，现有LTE系统可用频段紧缺问题越

发突出，本系统采用窄带宽组网，解决了频率资源不足和同

频干扰导致行车控制安全问题。

2 问题描述及原因分析

2.1 问题描述2.2.2 武生站

武汉轨道交通21号线部分站点（特别是高架区间站点，

如武生站）受移动1 800 MHz DCS信号干扰，对轨道基站

上行接收性能影响较大，导致上行误码率抬升，性能指标下

降，甚至造成列车EB。图1为某时刻采集到的高架段站点上

行误码率统计数据（横坐标为51的点即为武生院处，上行误

码率高达51.06%）。

2.2 原因分析

对性能较差的站点进行实地扫频，分析采集数据可

以得出设备上行存在阻塞风险很大，且风险均来源于

DCS1 800 MHz下行。下面以沙口和武生两站对情况加以分

析说明（见图2）。

2.2.1 沙口站

1 785~1 795 MHz段为两个5 MHz宽带信号，该频段内LTE车地无线通信系统由轨旁有线系统、车地无线系统

最大干扰信号大于-80 dBm/100 kHz=-60 dBm/10 MHz。和车载有线系统组成。

1 805~1 815 MHz段为DCS1 800 MHz下行信号，均为200 kHz

带宽，考虑几个功率大于-60 dBm的干扰信号总功率大机、LTE网管等设备组成，通过轨旁以太网工业级交换机组

于-45 dBm+（-45 dBm）+（-48 dBm）+（-49 dBm）+（-55 dBm）+成的有线传输网络，与LTE基站连接。

（-55 dBm）+（-58 dBm）=-39.9 dBm，该频段内总干扰功率

图1 高架段上行误码统计

1 785~1 795 MHz段为两个5 MHz宽带信号，该频段

内最大干扰信号约-95 dBm/100kHz=-75 dBm/10 MHz。

1 805 MHz-1 815 MHz段为DCS1800MHz下行信号，均

为200 kHz带宽，仅1 807.2 MHz频点的干扰电平就已达

到-32 dBm。故此军民村站存在上行阻塞的风险很大，风险

来源为DCS1800下行。

注：由于设备滤波器从带外10M开始考虑抑制度指标，

且经过实际测试设备能够承受的最大干扰为-40 dBm，所

以该干扰分析报告以1 775~1 815 MHz内总干扰信号是否超

过-40 dBm作为评判依据。

3 轨道交通的LTE窄带宽无线接入系统组成

3.1 系统设备组成

（1）轨旁有线系统：主要包括LTE核心网、核心网交换

作者简介：洪婷（1989— ），女，湖北黄冈人，工程师，硕士；研究方向：通信。

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图2 沙口站基站天线处来向与去向扫频结果

图3 武生站天线处扫频结果

（2）车地无线系统：主要由LTE轨旁基站、漏缆/天线管理等，是LTE承载网络和外部网络（CBTC业务系统）的接

和LTE车载接入终端组成，构成无线传输通道。口。为实现多种业务网络连接、互联互通及必要的网络管理

（3）车载有线系统：车头、车尾LTE车载接入终端分布功能，核心网配置专门的交换机用于实现不同层面的业务和

与A、B网CBTC车载信号设备接口，构成车载有线网络。管理接口。

LTE系统组网结构如图4所示。

3.2 LTE系统设备组成

（1）LTE核心网（EPC）：主要功能是提供LTE网络侧器等。

接入控制、数据路由和转发、移动性管理、安全、无线资源（3）1588时钟服务器：为LTE基站提供微秒级的精准时

（2）网管服务器（OMC）：专门用于管理LTE系统的

主要网元设备，包括EPC、基站、车载终端、1588时钟服务

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图4 LTE车地无线通信系统结构

间同步保证。缝的移动IP连接。LTE网络主要由两部分组成：无线接入网

（4）LTE基站（eNodeB）：从设备形态上可以分为一体和核心网，其中，无线接入网主要由基站组成，核心网主要

化或分布式基站，分布式基站分为BBU（基带处理单元）和由移动性管理实体、服务网关和分组数据网络网关组成，如

RRU（射频拉远单元），BBU通常安装在机房内提供有线传

输链路接入和无线接入控制，RRU安装在轨旁，用于沿线

LTE信号覆盖。一体化基站包含基带处理和射频处理的完整

功能，只安装在轨旁，通过光纤接入到各车站接入交换机。

（5）LTE车载终端TAU：为车辆提供LTE通信接入和无

线数据传输服务。

3.3 系统功能

LTE车地无线通信系统主要包括以下功能：数据传输功

能、无线网络功能、网络管理功能。

3.3.1 数据传输功能

LTE系统具有以下数据传输功能。

（1）分组数据无线传输功能：LTE网络是基于全IP的无

线数据网络，在用户终端（UE）和分组数据网络之间建立无

图5所示。

图5 LTE分组数据网络架构

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（2）分组数据重发功能：最大重发次数满足承载业务（1）具备维护和诊断能力，以检测系统设备的失效并对

实时性要求，LTE技术采用了两层重传技术为无线传输提供其进行反应，并包含远程诊断能力和失效显示以便故障告

可靠保障。MAC层HARQ机制，主要用于解决物理信道传输警，并且及时的识别安全相关失效的组件和功能。

差错，通过物理层下行PHICH信道及上行ACK/NACK反馈（2）网管系统软件用数据库实现数据记录能力。可根

信息来实现快速错误重传，下行采用自适应异步HARQ，上据对数据库记录的数据的分析，重现导致故障的通信事件

行采用非自适应同步HARQ。HARQ重传最大次数可由基站序列。

进行配置，在满足业务实时性要求的前提下尽可能提供可靠（3）网管系统软件界面提供对网络中各设备的状态展

性保证；RLC层ARQ机制：在MAC层重传达到最大次数的示、拓扑图展示、故障检测告警和远程诊断，及对相关端口

情况下，由RLC层通过ARQ实现数据链路层完整分组数据性能的实时监测和历史查询功能，并具有日志记录和显示

的重传，进一步降低误码率，为上层业务提供给足够的传输功能。

可靠性。（4）网管设备通过对网络的监控，实现故障管理、性能

（3）分组路由转发功能：LTE系统通过核心网的PGW/管理、配置管理、安全管理、通信管理、拓扑管理、系统管

SGW网元实现业务数据的路由功能，PGW/SGW作为标准的

数据网关设备支持完整的路由功能，具有分组数据路由转发

功能。路由功能的主要工作就是为经过路由设备的每个数

据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的

站点。信，无线信号传输容易受到外界干扰。可能的干扰源有以下

（4）虚拟专网（VPN）功能：虚拟私有网VPN，是在公几个。

用网络上构建私人专用网络的一种技术。VPN有别于传统网（1）供电系统：轨旁环网，接触网/三轨供电，钢轨回

络，它并不实际存在，而是利用现有公共网络，通过资源配流，牵引供电电源频率谐波。

置而成的虚拟网络，是一种逻辑上的网络。VPN只为特定的（2）车辆系统：逆变器控制牵引和辅助设备开关行为

企业或用户群体所专用。从VPN用户角度看来，使用VPN与产生的瞬态值。

传统专网没有区别。VPN作为私有专网，一方面与底层承载（3）其他无线通信系统：调度无线系统，公安无线系

网络之间保持资源独立性，即在一般情况下，VPN资源不会统，消防无线系统，旅客信息系统。

被承载网络中的其他VPN或非该VPN用户的网络成员所使（4）乘客携带的无线设备：随着智能终端的普及，乘客

用；另一方面，VPN提供足够安全性，确保VPN内部信息不越来越多的携带具备WIFI功能的设备乘坐地铁，在站台候

受外部的侵扰。车。同时，开放线路空间也越来越多地被无线信号覆盖。若

（5）虚拟局域网（VLAN）功能，不同类型的数据经这些设备均工作在1.8G ISM频段，因此其对使用同样频率的

由不同的VLAN进行传输，控制广播控制广播风暴区域；

VLAN功能提供了将一个物理网络隔离成多个逻辑网络的

技术，通过划分不同的VLAN，每个VLAN是一个独立的广（6）其他机电系统：风机，空调，屏蔽门等。

播域，从而实现了不同VLAN广播域的隔离，能够控制广播（7）其他地铁线路的机电设备。

风暴区域。这样，广播报文被限制在一个VLAN内，从而保（8）外来干扰源：轨旁的建筑物内的无线通信系统，霓

证信息安全。虹灯，无线运营商，高压线路，机场，工矿企业，高压线路等。

（6）QoS分级控制功能，支持LTE标准定义的9级QoS（9）雷电。

优先级，LTE支持9级QoS，用户可以定义数据传输的QoS等

级，实现对重要业务的资源优先分配。在网络边缘，数据传通信，承载CBTC业务。轨道交通行业使用1.8 GHz行业专网

输性能降低的情况下，LTE系统优先保证QoS等级高的业务频段，需向当地无线电管理委员会申请，审批通过后才可合

传输。法使用，因此在合法申请使用、无委会监管前提下，该频段

3.3.2 无线网络功能

LTE系统支持1.4 MHz，3 MHz，5 MHz，10 MHz，4.2 抗干扰措施

15 MHz，20 MHz系统带宽灵活配置。LTE系统设备支持4.2.1 带内干扰

3GPP定义的所有的TDD UL/DL配比的能力，常用的TDD LTE系统同频干扰会造成LTE接收信号的解调出现误

UL/DL配比方案包含UL∶DL=1∶3，3∶1，2∶2等。无线网络

在高速场景下会产生多普勒频移，对通信质量造成较大的延时加大、甚至阻断连接。

影响。LTE基站支持AFC（自动频率控制）频率纠偏和补偿在1 785~1 805 MHz频段内，来自于和本线路LTE带宽

算法，能够有效降低或消除多普勒频移对无线通信系统的相同的其他线路LTE信号干扰，可以通过以下措施缓解或

影响。消除。

3.3.3 网络管理功能

LTE网络中A/B网可分别配置，或合设一套网络管理设

备，管理网内所有的网络设备，为系统运营和维护提供全方信道质量相对较差的终端在业务信道上与邻近同频小区隔

位的网络管理。离，降低干扰影响程度；

网络管理设备管理控制中心、正线、车辆段的基站、（2）跨线运营：例如线路1、线路2经过一片公共、开放

TAU设备，可以查询LTE设备的工作状态，并且对故障进行

告警。其功能如下：相同干扰，这时只保留线路1的无线信号覆盖，档线路2的列

理，能够通过网络配置实现统一的网络资源管理。

4 系统抗干扰措施

4.1 无线抗干扰原理

LTE系统使用无线传输方式实现车-地之间的双向通

LTE系统有可能造成干扰。

（5）电信运营商提供的无线网络：如TD-LTE等。

LTE系统采用1.8GHz频段传输无线信号，实现车地双向

[6-7]

范围内没有来自系统外部的直接同频干扰。

码，在干扰严重时将严重干扰LTE通信，造成丢包率增加、

（1）小区间干扰消除技术（ICIC）：原理是使用相同频

率的邻近小区，配置不同的边缘频带，保证处于小区边缘、

站台区域，相互之间没有足够的空间隔离，可能有比较强的

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车经过此范围时，先漫游到线路1；离开这片区域、回到线路2保证100dB以上的空间隔离度，避免造成上行接收灵敏度的

下个小区无线覆盖范围后，再重新连接回原本归属的线路2. 明显恶化。因此，工程现场实际安装之间需对沿线环境进

这种方式需要两条线路的核心网之间支持互联互通相关的行勘察，避免和运营商靠近沿线道路的高功率基站塔距离

协议标准。太近。

（3）共享小区：例如线路1、线路2在某片公共区域，共（3）频段隔离。

享一个基站提供的无线接入传输，该基站应具备两条独立的为了抑制带外邻频干扰，建议在频段使用上至少要与

光纤回传链路，分别接入到线路1和线路2的核心网；基站通

过终端身份识别，控制经过该区域的两条不同车辆对应的数

据传输路由通道，这样对两条线路的终端和核心网都互不影

响，确保业务独立性。

4.2.2 带外干扰

带外干扰信号对LTE系统的影响主要体现在对基站、

TAU LNA（低噪放）接收的干扰，降低接收灵敏度，严重抬

升噪声水平，缩小基站覆盖距离；严重时会阻塞LNA的接

收，彻底关闭上行通道。

解决带外干扰的主要措施包括：

（1）基站内部滤波器。

基站、TAU为了规避带外干扰信号带来的影响，特别选

用高抑制、低带宽的腔体滤波器，能够极大抑制带外信号进

入基站、TAU的LNA通道，保证系统接收灵敏度。

基站、TAU内部的基带滤波器设计也能够在一定程度上

抑制带外信号的干扰，在腔体滤波器抑制带外大功率信号输

入的前提下，基带滤波器能够进一步消减带外干扰，提高接

收灵敏度。

（2）天线隔离。该系统通过开发实现窄带LTE协议技术，在既有频率规

针对本工程线路为地上的特点，在正线覆盖LTE基站划无法规避同频干扰的区域，局部范围内通过细分频段的

时，需考虑和地面运营商网络之间的天线隔离，特别信号系方式、采用小带宽频段组合的方式解决频率资源紧张、同频

统专用的LTE基站和运营商GSM1800 频段RRU之间应尽量干扰严重的问题，保障行车控制安全。

GSM1800系统频段保持5 MHz隔离带，如图6所示。

图6 LTE-M 1.8GHz频段和GSM1800系统隔离频段

5 结语

[参考文献]

[1]戴克平，张艳兵，朱力，等.基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统[J]. 都市快轨交通，2016（2）：69-74.

[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.

[3]林威.基于TD-LTE的地铁无线综合承载网[J].现代城市轨道交通，2016（4）：1-5.

[4]LIN -LTE bad wireless integrated bearing network for metro[J].Modern Urban Transit，2016（4）：1-5.

[5]韩志刚.LTE FDD技术原理与网络规划[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[6]易睿得. LTE系统原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[7]肖清华，汪丁鼎，许光斌，等.TD-LTE网络规划设计与优化[M].北京：人民邮电出版社，2013.

（编辑 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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