市域鐵路專用無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：隨著城市化進(jìn)程的加速，市域鐵路在城市交通系統(tǒng)中扮演著日益重要的角色，在緩解城市交通壓力、提高出行效率方面發(fā)揮著重要作用。市域鐵路無線通信系統(tǒng)作為保障列車運(yùn)行安全、提升運(yùn)營(yíng)效率的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，其設(shè)計(jì)和實(shí)施對(duì)市域鐵路發(fā)展具有重要意義。該文以上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線為例，探討了市域鐵路LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其實(shí)際系統(tǒng)組成。

關(guān)鍵詞：市域鐵路；無線通信；LTE；上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.12.024

中圖分類號(hào)：TN 92；U 285.2" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）12-00-03

Design and Practice of Wireless Communication System for Urban Railway

--Taking Shanghai Airport Connection Line as an Example

GU Ying

（China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070， China）

Abstract： With the acceleration of urbanization， urban railways play an increasingly important role in the urban transportation system， alleviating urban traffic pressure and improving travel efficiency. The design and implementation of the wireless communication system for urban railways， as a key technical equipment to ensure train operation safety and improve operational efficiency， are of great significance to the development of urban railways. This article takes the Shanghai Airport Link Line as an example to explore the design scheme and actual system composition of the LTE mobile communication system for urban railways.

Keywords： urban railway; wireless communication; LTE; Shanghai airport connection Line

隨著城市化進(jìn)程的加速，市域鐵路的發(fā)展提高了城市交通的效率。市域鐵路無線通信系統(tǒng)，作為保障列車運(yùn)行安全、提供乘客信息服務(wù)、提高運(yùn)營(yíng)效率的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，其設(shè)計(jì)和實(shí)施對(duì)于提升市域鐵路服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)效率具有重要意義。

國(guó)際上，許多發(fā)達(dá)國(guó)家的鐵路與城市軌道交通已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，隨著高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展，無線通信技術(shù)也得到了迅速推廣。例如，北京地鐵采用TETRA系統(tǒng)，為地鐵運(yùn)營(yíng)提供了穩(wěn)定可靠的調(diào)度通信服務(wù)。上海地鐵則在部分線路上部署了LTE-M技術(shù)，以支持智能監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)。

本文首先概述了市域鐵路無線通信系統(tǒng)的重要性和發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線無線通信系統(tǒng)的功能需求和技術(shù)方案。接著，詳細(xì)闡述了上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線專用無線通信系統(tǒng)的總體方案、無線網(wǎng)絡(luò)方案和系統(tǒng)構(gòu)成，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備展開探究。最后，對(duì)市域鐵路無線通信系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，特別是5G技術(shù)在市域鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1" "市域鐵路專用無線通信系統(tǒng)概述

市域鐵路作為城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其無線通信系統(tǒng)主要用于承載信號(hào)業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)、列車廣播和列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控業(yè)務(wù)，這些功能對(duì)于保障列車安全運(yùn)行、提高運(yùn)營(yíng)效率以及為乘客提供服務(wù)具有至關(guān)重要的作用。

無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，從窄帶到寬帶的重大轉(zhuǎn)變。早期的模擬無線通信系統(tǒng)帶寬有限，數(shù)字無線通信技術(shù)的興起，如GSM和CDMA，極大提高了頻譜利用率和通信質(zhì)量；TETRA（Terrestrial Trunked Radio）技術(shù)，專為關(guān)鍵通信設(shè)計(jì)，以其快速的呼叫建立時(shí)間和高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性，在需要高可靠性通信的場(chǎng)合，如緊急響應(yīng)和優(yōu)先級(jí)調(diào)度中發(fā)揮著重要作用；LTE技術(shù)因其高速數(shù)據(jù)傳輸能力和良好的頻譜效率，成為市域鐵路無線通信的主流選擇，可支持傳統(tǒng)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信，以及復(fù)雜的控制信號(hào)和高清視頻傳輸。

2" "上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線無線通信系統(tǒng)

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的專用無線通信系統(tǒng)是確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全、提升效率和乘客體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。本章將詳細(xì)闡述該系統(tǒng)的技術(shù)方案和系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 系統(tǒng)總體方案

市域鐵路的調(diào)度指揮由城市市域鐵路調(diào)度中心負(fù)責(zé)，遵循《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》，列車運(yùn)行控制采用城市軌道列車自動(dòng)控制CBTC制式[1-3]。

城市軌道交通車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)以往主要采用無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)，該技術(shù)在開放頻段工作，容易受到外界的頻繁干擾，有時(shí)甚至?xí)绊懙叫盘?hào)系統(tǒng)的正常功能。隨著工業(yè)和信息化部〔2015〕65號(hào)《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1785～1805MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》的發(fā)布與執(zhí)行，1.8 GHz頻段的LTE-M無線通信技術(shù)開始被廣泛采納，用以承載CBTC列控業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

LTE-M系統(tǒng)是目前城市軌道交通和市域鐵路領(lǐng)域內(nèi)承載列控業(yè)務(wù)和語(yǔ)音調(diào)度業(yè)務(wù)的主流技術(shù)，2015年工業(yè)和信息化部和中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)已明確發(fā)文支持LTE在軌道交通控制方面的應(yīng)用，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)還制定了相應(yīng)的LTE-M技術(shù)規(guī)范，為L(zhǎng)TE系統(tǒng)建設(shè)提供了指導(dǎo)。LTE技術(shù)在城軌交通行業(yè)內(nèi)已成為主流趨勢(shì)[5]。

基于上述情況，為了滿足市域鐵路列車的運(yùn)營(yíng)需求，本線路建立專用的LTE-M無線通信系統(tǒng)，以確保列車運(yùn)行的高效與安全；為滿足與國(guó)鐵互聯(lián)互通的運(yùn)營(yíng)要求，預(yù)留GSM-R專用無線通信系統(tǒng)接入條件[6]。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)方案

本工程使用頻率資源為L(zhǎng)TE-M規(guī)范定義的1.8 GHz頻段（1 785～1 805 MHz共20 MHz），該頻段位于運(yùn)營(yíng)商Band3頻段（上行1 710～1 785 MHz/下行1 805～1 880 MHz）FDD系統(tǒng)的上下行無線鏈路隔離帶上。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線LTE車地?zé)o線通信綜合承載系統(tǒng)采用LTE-M技術(shù)體制，其由核心網(wǎng)設(shè)備、基站BBU設(shè)備、基站RRU設(shè)備、應(yīng)用接口服務(wù)器、調(diào)度臺(tái)、無線終端〔車載TAU設(shè)備、車載臺(tái)設(shè)備（含錄音及打印設(shè)備）、車站固定臺(tái)、移動(dòng)人員手持臺(tái)〕、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理設(shè)備（含維護(hù)終端及打印機(jī)等）、監(jiān)測(cè)檢測(cè)設(shè)備、天饋系統(tǒng)（由功分器、耦合器、泄漏型同軸電纜及天線構(gòu)成）、防雷設(shè)備以及傳輸通道組成。

LTE-M車地?zé)o線通信綜合承載系統(tǒng)滿足調(diào)度命令和無線車次號(hào)校核信息傳送業(yè)務(wù)、信號(hào)ATO業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列控系統(tǒng)車載監(jiān)測(cè)（DMS）業(yè)務(wù)、動(dòng)車組司機(jī)操控信息分析（EOAS）業(yè)務(wù)、IMS視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、乘客信息系統(tǒng)等業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)按單網(wǎng)建設(shè)。LTE-M車地?zé)o線通信綜合承載系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

本工程在正線區(qū)間、車站站廳、站臺(tái)、車輛段等區(qū)域采用同址雙套R(shí)RU設(shè)備的配置方式實(shí)現(xiàn)20 MHz頻段小區(qū)組網(wǎng)；在與虹橋、浦東機(jī)場(chǎng)LTE覆蓋重疊區(qū)采用5 MHz+15 MHz的單網(wǎng)分頻組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用；其中5 MHz（1 800～1 805 MHz）頻段獨(dú)立承載行車安全告警類業(yè)務(wù)，15 MHz（機(jī)場(chǎng)區(qū)域共享1 785～

1 800 MHz）頻段承載多媒體寬帶及運(yùn)維業(yè)務(wù)。具體頻率運(yùn)用方案可根據(jù)可用頻率情況調(diào)整。

2.4 設(shè)備組成

2.4.1 調(diào)度中心設(shè)置

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程LTE-M系統(tǒng)在調(diào)度中心設(shè)LTE-M核心網(wǎng)設(shè)備、應(yīng)用接口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)（配備網(wǎng)管終端和打印設(shè)備）、調(diào)度服務(wù)器、二次開發(fā)網(wǎng)管、通信接口服務(wù)器及基站等設(shè)備。調(diào)度中心的LTE-M網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)及設(shè)備設(shè)置納入上海市域鐵路調(diào)度中心工程。

2.4.2 接入網(wǎng)設(shè)備設(shè)置

由于本工程信號(hào)列控系統(tǒng)采用CTCS2+ATO方式，LTE-M移動(dòng)通信系統(tǒng)在車站區(qū)域采用冗余覆蓋。

（1）覆蓋范圍。LTE-M系統(tǒng)（含集群調(diào)度業(yè)務(wù)）通信服務(wù)范圍包括但不限于以下范圍，以滿足通信質(zhì)量指標(biāo)的要求：雙正線區(qū)間線路（含車站站屬區(qū)間）、折返線；各車站站廳、站臺(tái)、主要設(shè)備用房、辦公用房、公共區(qū)域、換乘通道（建筑限界內(nèi)）、出入口等區(qū)域；車輛段出入段線、咽喉區(qū)、停車列檢庫(kù)、檢修庫(kù)、綜合樓、變電所等；

（2）覆蓋方式。主要由基站BBU設(shè)備（含GNSS天線）、RRU、信號(hào)合路設(shè)備、漏纜、吸頂或定向天線及配套附屬設(shè)備等實(shí)現(xiàn)覆蓋。在全線車站、4個(gè)通風(fēng)井、調(diào)度中心、車輛段及停車場(chǎng)設(shè)置BBU/RRU設(shè)備，在區(qū)間設(shè)置RRU，覆蓋區(qū)間的RRU設(shè)備均設(shè)置在上下行側(cè)軌旁設(shè)備安裝平臺(tái)；每個(gè)區(qū)間站點(diǎn)設(shè)置雙套R(shí)RU形成冗余覆蓋。其中區(qū)間BBU通過傳輸網(wǎng)提供的傳輸通道與調(diào)度中心的核心網(wǎng)設(shè)備相連，并通過傳輸網(wǎng)與集群調(diào)度核心網(wǎng)設(shè)備相連，BBU與RRU之間通過光纜連接。

RRU設(shè)備負(fù)責(zé)車站內(nèi)部的信號(hào)覆蓋，安裝在專用通信設(shè)備室、配線間或弱電間（壁掛或放置于機(jī)柜內(nèi)），確保站廳、站臺(tái)的公共區(qū)、設(shè)備區(qū)、辦公區(qū)以及出入口、換乘通道的無線通信需求得到滿足。每站用于室內(nèi)覆蓋的RRU數(shù)量暫按2套考慮。

⊙ 站廳、設(shè)備區(qū)、辦公區(qū)、出入口采用吸頂天線覆蓋。

⊙ 站臺(tái)層：島式站臺(tái)、側(cè)式站臺(tái)根據(jù)站房結(jié)構(gòu)選擇采用漏纜覆蓋或吸頂天線覆蓋。

⊙ 區(qū)間覆蓋：隧道區(qū)間采用漏纜覆蓋，隧道單側(cè)敷設(shè)1條1～5/8英寸漏纜，收發(fā)共用1條漏纜，與其他系統(tǒng)敷設(shè)的漏纜間隔為350 mm以上；其中含島式站臺(tái)軌行區(qū)漏纜安裝位置接近車頂，側(cè)式站臺(tái)軌行區(qū)漏纜安裝位置接近車地，具體安裝方案設(shè)計(jì)在聯(lián)絡(luò)階段確定。原則上隧道區(qū)間按每1.2 km考慮設(shè)置一個(gè)RRU延伸信號(hào)覆蓋距離，以保證覆蓋質(zhì)量。

⊙ 車輛段覆蓋：車輛段列檢庫(kù)與隧道口之間（咽喉區(qū)）的場(chǎng)內(nèi)線路采用室外鐵塔天線覆蓋。車輛段停車列檢庫(kù)、綜合樓等單體建筑采用室分天線覆蓋。

2.4.3 與機(jī)場(chǎng)頻率復(fù)用方案

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線與虹橋、浦東樞紐兩個(gè)機(jī)場(chǎng)區(qū)域1 785～1 800 MHz頻段頻率復(fù)用的LTE專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)可采用共享基站（RAN Sharing）方案實(shí)現(xiàn)，提高頻率利用率，降低網(wǎng)內(nèi)干擾。

機(jī)場(chǎng)線新設(shè)的LTE核心網(wǎng)設(shè)備，與既有機(jī)場(chǎng)核心網(wǎng)（虹橋機(jī)場(chǎng)、浦東機(jī)場(chǎng)各一套）相對(duì)獨(dú)立。為最大效率地利用15 MHz頻率資源，滿足各自的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，在可能產(chǎn)生干擾的區(qū)域可采用接入網(wǎng)共享的方式共用頻率資源，每套eNodeB通過S1-T接口分別接入兩套核心網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。

通過業(yè)務(wù)可靠性調(diào)度算法，確保重要業(yè)務(wù)的可靠性。當(dāng)機(jī)場(chǎng)或市域鐵路出現(xiàn)應(yīng)急狀況時(shí)，在覆蓋重疊區(qū)的共享基站處，僅保證兩家優(yōu)先級(jí)較高的業(yè)務(wù)，優(yōu)先級(jí)較低的業(yè)務(wù)在應(yīng)急狀況下可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施綜合考慮功能需求、技術(shù)方案和系統(tǒng)構(gòu)成，以確保系統(tǒng)的高效性、安全性和可持續(xù)性。

3" "結(jié)束語(yǔ)

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，5G技術(shù)以其超高速的數(shù)據(jù)傳輸、極低的延遲和更高的連接密度，推動(dòng)著通信領(lǐng)域的革命。未來的市域鐵路無線通信系統(tǒng)將可能集成5G技術(shù)，以滿足不斷增長(zhǎng)的寬帶需求和實(shí)現(xiàn)更高效的列車控制與乘客服務(wù)，同時(shí)解決國(guó)鐵和市域鐵路共線運(yùn)營(yíng)時(shí)的業(yè)務(wù)需求。

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