宋高云

(中铁建电气化局集团第一工程有限公司， 471013， 洛阳∥高级工程师)

0 引言

随着LTE(长期演进)技术的发展和成熟，国内外轨道交通已有基于LTE技术的相关应用。2010年12月，在UIC(国际铁路联盟)组织的第七届世界高速铁路大会上首次提出将LTE-R(下一代轨道无线通信)系统作为高速铁路移动通信的解决方案。2015年3月，工业和信息化部正式确定1.785～1.805 GHz频段作为交通、电力、石油等行业的专用通信网频段。2016年12月，武汉地铁6号线一期工程通车并投入运营，该线采用LTE-M(城市轨道交通车地综合通信系统)承载CBTC(基于通信的列车控制)业务，成为国内首条使用LTE技术进行列车控制信息承载的城市轨道交通线路。

迄今已有许多学者对漏泄电缆的辐射特性进行了研究。文献[1]研究了雪厚度和含水量对漏泄圆波导辐射特性的影响，并提出相应的解决措施。文献[2]为解决室内5G (第5代移动通信技术)信号覆盖盲区的问题，对单侧漏泄同轴电缆进行了改进，设计了一种新型的双侧漏泄同轴电缆。文献[3]利用传输线理论对隧道中漏泄电缆的传输损耗及其他因素对其性能的影响进行了研究。文献[4]利用模式匹配和傅里叶变换，从理论上研究了漏泄电缆近场和远场的耦合特性。北京市轨道交通建设管理有限公司与北京交通大学交通运行控制与安全国家重点实验室依据LTE-M标准，组建了可应用于城市轨道交通综合承载的车地无线通信系统，并对其进行了试验[5]，验证了使用漏泄电缆作为传输媒介组建的LTE-M在综合承载、传输速率等方面能够满足城市轨道交通业务的基本需求。文献[6]利用调整时隙配比、漏泄电缆定向覆盖、优化车载天线布置位置等方式，验证了车地无线通信系统的抗干扰性。北京市地铁运营有限公司在北京地铁5号线上应用了以定向天线作为传输媒介的LTE-M，并进行了现场测试，测试结果表明：使用无线自由波作为传输媒介的组网方式存在被干扰的风险，在有较强干扰的情况下车地无线通信系统的传输速率会受到影响，实现最低标准的CBTC、PIS(乘客信息系统)和CCTV(闭路电视)业务的综合承载较为勉强。这表明在实际运行线路中，基于LTE-M组建车地无线通信系统在实现运营状态下的综合承载方面还有待改进。

上述文献对漏泄电缆的辐射特性、耦合特性进行了研究，同时使用漏泄电缆的车地无线通信系统也得到了相关的应用。但是在单漏泄电缆、相同极化方向的双漏泄电缆及不同极化方向的双漏泄电缆3种不同形式下，电缆对于LTE传输速率的影响、不同漏泄电缆间距对于传输速率的影响等方面的研究还比较少。使用漏泄电缆作为LTE-M，基本可以实现CBTC、标准清晰度PIS及标准清晰度CCTV的综合承载需求，但也暴露出在有限频谱带宽情况下该系统存在数据传输速率小、MIMO(多输入多输出)技术效果不好等不足。为此，本文提出了适用于城市轨道交通隧道环境的双漏泄电缆覆盖方案，即采用由HV方式(一根为水平极化、另一根为垂直极化)组成双漏泄电缆，并将漏缆间距设为0.3 m。该方案可以在最小的漏缆间距下获得最佳的信号传输速率。

1 模拟环境下的试验设计

本试验的目的是：在隧道模拟环境搭建双漏缆覆盖的LTE-M，通过不同极化方式及不同缆间距对双漏泄电缆覆盖的LTE-M进行测试。模拟隧道采用长100 m、宽5 m的钢筋混凝土结构。在隧道壁上依据不同的漏缆间距安装相应的卡具，以用于放置漏泄同轴电缆。

本文基于最小信息准则建立隧道环境下双漏泄同轴电缆无线信道传播模型。由于模拟隧道的长度只有100 m，且需要在两个小区间切换测试，所以每个小区漏泄同轴电缆的覆盖范围只有50 m。为了尽量真实地模拟实际运营环境，需要将两个小区的信号强度调整到真实小区覆盖的最末端50 m的信号强度水平。因此，本文通过RRU(射频拉远单元)与漏泄同轴电缆间增加衰减，模拟小区覆盖末端的环境。一般情况下，RSRP(参考信号接收功率)小于-85 dBm时即可认为是远点，因此测试时将漏泄同轴电缆起点处测得的RSRP控制在-85 dBm，在单小区50 m长度的漏泄同轴电缆覆盖范围内每个小区的信号强度在-85～-88 dBm之间。模拟的车地无线通信系统由2台BBU(基带处理单元)、2台RRU、1台EPC(演进型分组核心)、1台交换机组成。该系统承担了包含两个小区的通信，其测试系统结构如图1所示。

注：PC——个人计算机；TAU——车载接入单元。图1 模拟测试系统结构示意图Fig.1 Diagram of simulation test system structure

该测试系统外部连接笔记本电脑的运行测试软件，用以测试场强、信噪比、传输速率等3项性能。在移动台侧将双极化定向天线与移动台连接，并与笔记本电脑相连，收集模拟环境下的场强数据及传输速率数据。其中：场强数据通过移动台自带的软件读取，以最真实地反映LTE设备接收到的场强数据值，同时记录其位置信息；传输速率数据通过Ixchariot软件进行数据流获取。在网络端和移动台侧分别安装软件客户端，通过使用传输速率脚本获取传输速率数据。

受模拟隧道的环境限制，测试模拟小车只能以低速运行，模拟隧道测试在不同极化方式及不同漏缆间距下的双漏泄电缆的覆盖性能及传输速率，进而为提出最佳漏缆覆盖方案提供依据。高速移动状态下的系统性能将在后续的运营线路测试中进一步验证。

2 试验结果分析

本次测试共设定了3种双漏泄电缆覆盖方式，分别为HH方式(两根漏缆均为水平极化)、VV方式(两根漏缆均为垂直极化)及HV方式(一根漏缆为水平极化、另一根为垂直极化)。考虑漏缆的干扰因素，两根漏缆的间距至少为0.3 m，而采用MIMO技术传输时所要求的漏缆间隔至少为0.5 m。考虑到实验中模拟隧道的长度和实际工程中的长度不同，本文选用了3种有代表性的漏缆间距(0.3 m、0.6 m、1.0 m)进行测试。

针对3种双漏泄电缆覆盖方式，对每种方式分别在缆间距为0.3 m、0.6 m、1.0 m时信号的场强、信噪比及传输速率进行测试。测试时，LTE系统使用频点为1 790～1 800 MHz共10 MHz带宽，该系统使用的子帧配比为1(即上下行配比为2∶2)，特殊子帧配比为10∶2∶2。模拟隧道试验得到试验数据的统计结果如表1—3所示。

表1 3种双漏泄电缆覆盖方式下的场强测试结果Tab.1 Field strength test results under 3 double leaky cable coverage modes

表2 3种双漏泄电缆覆盖方式下的信噪比测试结果Tab.2 Signal to noise ratio test results under 3 double leaky cable coverage modes

由表1～2可知：将漏泄电缆间距由1.0 m减少至0.3 m，3种双漏泄电缆覆盖方式下作为接收端的用户设备UE(用户设备)所接收到的信号场强及信噪比均无明显变化。这证明了1.8 GHz频段下漏泄电缆缆间距从1.0 m减少至0.3 m时，双漏泄电缆间的耦合损耗无明显增加，漏缆间距的缩小不会对信号场强及信噪比产生明显影响。

由表3可知：与HH方式、VV方式相比，采用HV方式覆盖时信号平均传输速率有约50%的提升，这表明采用HV方式时在相同的漏缆间距下两路信号信道的相关性更低。此外，纵向对比不同漏缆间距下的信号传输速率可知：当漏泄电缆间距由1.0 m减少至0.3 m时，系统的传输速率没有明显下降，这说明将漏缆间距缩小至0.3 m，对信道相关度没有明显的影响。

表3 3种双漏泄电缆覆盖方式下的传输速率测试结果Tab.3 Transmission rate test results under 3 double leaky cable coverage modes

综上所述，采用HV方式组成双漏泄电缆且漏缆间距为0.3 m时，可以在最小漏缆间距下获得最佳的信息传输速率，且相比于漏缆间距1.0 m的信号传输速率并无明显下降。因此，可以考虑将该方案作为后续在运营线路上进行试验时的漏泄电缆部署方案。

3 结语

基于定量模拟测试可知，LTE-M利用自由波和漏泄波导的综合组网方案基本能够支撑城市轨道交通综合业务承载的需求。但是，在漏泄波导区段为了提升切换时延指标，需要针对漏泄波导的衰落性能对其切换机制进行优化。通过对漏泄同轴电缆传输特性、耦合特性的研究，以及不同双漏泄电缆覆盖方式的测试和分析，本文提出了一种适用于城市轨道交通隧道环境的采用HV方式组成的双漏泄电缆覆盖方案。

相比于单漏泄同轴电缆方案，由HV方式组成的双漏泄电缆覆盖方案因应用了LTE车地无线通信技术，其传输速度可提高20%～30%。而与现有的双漏泄同轴电缆方案相比，采用HV方式的双漏泄同轴电缆方案在传输速率下降幅度不大于10%的条件下,漏缆间距可减少50%～60%。同时，该方案能够满足城市轨道交通相关业务对通信系统网络性能的如下指标：

1) 列车运行控制业务单项传输时延不超过150 ms的概率不小于98%，不超过2 s的概率不小于99.92%，丢包率不大于1%。

2) 列车紧急文本下发业务传输时延不超过300 ms的概率不小于98%，丢包率不大于1%。

3) 视频监控业务传输时延不超过500 ms的概率不小于98%，丢包率不大于1%。

4) PIS业务传输时延不超过300 ms的概率不小于98%，丢包率不大于1%。