王敬源

(中国铁路设计集团有限公司，天津 200071)

1 无线基本组网架构

LTE-R 沿铁路的覆盖是通过分布式基站设备来实现，分布式基站由基带控制单元（BBU）与射频拉远单元（RRU）构成，BBU 与RRU 之间通过通用无线公共接口（CPRI）接口光纤进行通信，BBU与最远的RRU 之间光缆长度可达10 km。根据目前铁路无线覆盖的要求，列出如下几种覆盖方式。

1) 跨BBU 冗余组网

跨BBU 冗余组网，主BBU 与辅BBU 同站址设置，同一个环上的RRU 可以共小区也可以独立小区设置。当主BBU 故障时，辅BBU 仍能正常工作；当RRU 故障时，同站址RRU 仍能提供无线覆盖。可适用于速度350 km/h 高速铁路。

2) 单基站冗余组网

单基站冗余组网中，BBU 与RRU 同站址设置。当BBU 或RRU 故障时，相邻基站仍能提供无线覆盖。可适用于速度350 km/h 高速铁路。

3) 单RRU 冗余组网

单RRU 交织冗余组网中，BBU 宜异址设置。BBU 与RRU 间宜采用环形组网方式。当BBU 或RRU 故障时，相邻RRU 仍能提供无线覆盖。可适用于速度350 km/h 高速铁路。

4) 非冗余组网

非冗余组网，BBU 与RRU 间应采取环形组网方式，单套RRU 故障或BBU 与RRU、RRU 间任意一处光纤中断，不影响其他RRU 设备正常工作。可适用于速度250 km/h 及以下的铁路。

2 LTE-R同频及异频组网模式

2.1 同频和异频组网模式

同频组网模式是指网络中设置的所有小区都使用相同的频率。这种组网方式，频谱利用率最高，节约频率资源，特别适合于频谱资源紧张，通信系统带宽比较宽的情况。在网络设计、建设、扩容时频率规划非常简单。

异频组网模式是指相邻小区间的频率互不相同，可以实现频率复用，有效避免同频所带来的干扰问题。异频组网减小小区间干扰，提升小区载干比，在频率资源相同的情况下，用户传输速率高。

同频组网模式和异频组网模式均可分为普通单网、交织覆盖和同站址双网3 种方案。

1) 普通单网方案

普通单网方案是非冗余的网络覆盖方案。此种覆盖方案网络架设的结构简单，在工程上实施起来相对容易，设备投资小，频率资源利用率较高。但此种覆盖方案网络容灾性能较差，系统可靠性低，单个基站出现故障时，故障区段网络会中断。同频普通单网方案是指网络架构中所有基站都采用相同的频率，异频普通单网方案是指相邻基站采用不同的频率。

2) 交织覆盖方案

交织覆盖方案是指两个相邻基站的场强覆盖区域相互交叠，基站场强边缘要覆盖到相邻基站的根部。沿线基站按照奇数与偶数进行区分，任意奇数或偶数基站故障时，网络仍然能以普通单网的模式继续运行。

同频交织覆盖是指奇数站和偶数站采用同一频率。异频交织覆盖是指奇数站和偶数站采用不同频率。

3) 同站址双网覆盖方案

同频同站址双网覆盖是指在同一物理地点设置两套独立的基站设备，形成两层网络。同频同站双网覆盖指两层网络都采用相同频率。异频同站双网覆盖指两层网络都采用不同频率。

3 工程设计布设模拟

以京沈客专试验段部分区段为蓝本，模拟进行LTE-R 系统的设计。

模拟设计段落为新北民（DK633+125）至古城子（DK675+550），两站相距42.425 km，线路沿线为开阔区域，无隧道。京沈客专设计速度为350 km/h，采用CTCS-3 信号系统，按照最小覆盖电平-90 dBm 进行考虑，RRU 间距按照3 ～4 km进行布设，每个BBU 最多连接6 个RRU。

区间基站设备采用分布式基站设备，可以按照单基站冗余组网、单RRU 冗余组网和跨BBU 冗余组网3 种组网模式进行布设，具体基站布点如表1所示。

1) 单基站冗余组网

系统示意如图1、2 所示。

a. 同频组网模式：所有基站采用同一个频点。

b. 异频组网模式：奇数站与偶数站分别采用不同的两个频点。

若采用此种组网方式，需要BBU 设备13 套，RRU 设备13 套，铁塔13 座，天线26 套。在土建施工方面需要沿线建设13 座基站设施放置相关通信设备，与采用GSM-R 系统时所需要的工程量基本相同。

2) 单RRU 冗余组网

系统示意如图3、4 所示。

a. 同频组网模式：所有基站采用同一个频点。

b. 异频组网模式：奇数站与偶数站分别采用不同的两个频点。

若采用此种组网方式，需要BBU 设备3 套，RRU 设备13 套，铁塔13 座，天线26 套。在土建施工方面需要沿线建设3 座基站设施放置分布式基站BBU+RRU 设备，以及10 座直放站设施放置RRU 设备，与单基站冗余组网模式相比，土建规模大大减小，相关基站内配套的通信设备也相应大大减小。但此种模式BBU 故障时，会导致连接在故障BBU 上的所有RRU 全部掉线，使很长区段都需要降速行驶，降低系统可靠性。

表1 各组网模式基站布点表Tab.1 Table for arrangement of base station of each networking mode

图1 同频单基站冗余组网Fig.1 Redundant networking of single base station with the same frequency

图2 异频单基站冗余组网Fig.2 Redundant networking of single base station with different frequency

图3 同频单RRU冗余组网Fig.3 Redundant networking of single RRU with the same frequency

图4 异频单RRU冗余组网Fig.4 Redundant networking of single RRU with different frequency

3) 跨BBU 冗余组网

系统示意如图5、6 所示。

同频组网模式：所有基站采用同一个频点。

异频组网模式：A 层网基站与B 层网基站分别采用不同的两个频点

若采用此种组网方式需要BBU 设备6 套，RRU 设备26 套，铁塔13 座，天线26 套。在土建施工方面需要沿线建设3 座基站设施放置分布式基站BBU+RRU 设备，以及10 座直放站设施放置RRU 设备。3 处基站需要放置双套相应传输、基站及电源设备，直放站内需要放置双套RRU 设备。此种方式的冗余能力最强，不论是BBU 设备还是RRU 设备单点故障时，都不会引起列车降速，大大增加系统的可靠性。

综上所述，在GSM-R 向LTE-R 演变的初期，推荐采用同频单基站冗余组网的方式，此方式能最大限度的利用现有的GSM-R 资源，和已有的设计、施工经验。待后期设备成本减低后可采用跨BBU冗余组网模式，可以大大加强无线系统的可靠性，减小对土建工程的依赖。

4 LTE-R的干扰协调方案

4.1 LTE-R的外部干扰及解决措施

根据《铁路宽带移动通信（LTE-R）组网暂行技术要求》（铁总科信[2019] 85 号）中的描述，国内铁路拟采用450 MHz 频段作为LTE-R 的使用频段，但此频段主要有两个方面的外部干扰：业余无线电和广电系统；铁路LTE-R 系统与公网运营商LTE 系统间干扰。

图5 同频单基站冗余组网Fig.5 Redundant networking of single base station with different frequency

图6 异频单基站冗余组网Fig.6 Redundant networking of single base station with different frequency

对于与业余无线电和广电系统间的干扰，ITU、3GPP 和CEPT 等国际通信机构已对相应问题展开研究。研究结果表明，LTE-R 系统可以实现与广电系统和业余无线电的无干扰共存。

对于公网的LTE 系统，相关干扰防护措施尚不完全。假设LTE 的RRU 发射功率为20 W，天线增益为17 dBi，考虑3 dB 的连接损耗，12 dB 的C/I，LTE 杂散为-6.9 dB/100 kHz（LTE36.141 协议），计算公式为：RRU 发射功率+天线增益-路径损耗+隔离带宽损耗+载干比=最小接收电平，干扰测算如表2 所示。

表2 LTE-R与公网LTE系统干扰测算Tab.2 Interference calculation between LTE-R and public network LTE system

目前LTE 移动端的接收灵敏度为-105 dBm，通过上述计算可以看出通过设置滤波器和隔离带宽等方式可以有效减小公网LTE 信号与铁路LTE-R信号间的干扰，因此，在工程实施中可以参考下列措施来尽可能较少或消除外部系统对LTE-R 带来的干扰。

1）事先协调，要求双方对基站加滤波器

基站与基站间干扰，在整网都受到干扰的情况下，可以考虑安装滤波器的方式解决问题。在存在一定保护带的情况下，安装合适的滤波器能够解决各种干扰问题，其中在受扰系统上安装滤波器可以解决阻塞与互调干扰，而在施扰系统上安装滤波器则可以解决杂散干扰。同时，安装滤波器也可以解决大多数基站与终端的干扰问题。根据调查，目前市场上25 dB滤波器是最容易生产安装在基站上的配套设备，但从计算结果来看25 dB 的滤波器的效果并不理想，因此采用40 dB 左右的滤波器应是未来设备厂商需要进行研发的思路，以保证不影响铁路LTE-R 网络的同时，同样能够保证公网的覆盖率。

2）增加系统间保护频带

增加保护带将会使功放的杂散及接收机的阻塞性能变优，同时双工器的抑制也会增加，如果需要外加滤波器，则滤波器的实现将会变得简单，成本也会降低。保护带的计算参考干扰系统的射频实测指标，保护带越大，杂散指标越优，被干扰的概率越低。上文计算可以看出，设置2 MHz 左右的隔离带宽是减小公网LTE 与铁路LTE-R 间的干扰最理想方式，但是由于频率带宽资源稀缺，再拿出2 MHz 的带宽作为保护隔离实施非常困难；但是1 MHz 的隔离保护带宽配合滤波器也可以达到一个不错的干扰防护效果，同时设置1 MHz 的隔离保护带宽在可行性上也强于2 MHz 带宽。

4.2 LTE-R的内部干扰及解决措施

4.2.1 同频组网模式下的干扰协调方案

在同频组网模式下，LTE 系统干扰主要来自于同频邻区干扰，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，影响到铁路业务的速率需求。

目前LTE 有以下技术消除小区间的同频干扰。

1） 小区间干扰协调技术（ICIC）

通过协调本小区和相邻小区选用不同的时频资源，或者调节特定的时频资源的发射功率大小来消除同频干扰。例如功率控制技术。干扰协调核心思想是通过小区间的协调对一个小区的可用资源进行某种限制，以减少本小区对相邻小区的干扰，提高相邻小区在这些资源上的信噪比以及小区边缘的数据速率和覆盖。

2） 小区间干扰消除技术IC

此项技术是将本地小区和同频邻区的信号都进行解调和解码，利用小区间干扰的相关性，将各自的干扰信号和有用信号进行分离。可以支持彻底的同频组网。典型IC 技术为干扰抵消合并（Interference Rejection Combining, IRC）技术，通过IRC 基带解调算法，可以将单小区来自列车方向相反方向的干扰去除。

4.2.2 异频组网模式下的干扰协调方案

在异频组网模式下，LTE 系统干扰主要来自于使用相同频率的邻小区。如果保证本地小区与最相邻的小区之间保持不同频率，则可以通过空间距离来隔离使用相同频率的小区。由于铁路无线覆盖具有链状覆盖的特点，频率可以通过交叉复用的方式进行分配，即本地小区需和其前一个相邻小区和后一个相邻小区保持使用不同的频率。通过对可用频率资源进行合理的频率规划，来减小的网络干扰。

5 总结

本文通过京沈实验部分区段进行模拟设计，对比分析同/异频普通单网模式、同/异频单基站冗余组网模式、同/异频单RRU 冗余组网模式和同/异频跨BBU 冗余组网模式这几种组网模式的优势及劣势，得出结论：LTE-R 系统在铁路工程应用初期可以采用同频单基站冗余组网的方式，待到后期设备成本减低后，可采用跨BBU 冗余组网模式，从而加强无线系统的可靠性。

面对干扰时可以采用40 dB 滤波器和设置1 MHz 隔离带宽来减少系统外部干扰，通过更加先进的算法，合理的频率规划来减少系统内部干扰。