基于4G技術(shù)的地鐵專用無線通信系統(tǒng)研究

程璋

中國鐵建電氣化局集團(tuán)第五工程有限公司 廣西 欽州 535000

近年來，隨著我國地鐵系統(tǒng)建設(shè)的不斷加速，無線通信子系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量要求不斷提高，并在地鐵信號系統(tǒng)、語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等方面發(fā)揮著技術(shù)支持作用，保障了地鐵系統(tǒng)的安全運營和動態(tài)監(jiān)控，為乘客安全出行提供充足保障。當(dāng)前，我國地鐵車地通信網(wǎng)絡(luò)主要基于TETRA+WLAN網(wǎng)承載，其中，TETRA通信網(wǎng)絡(luò)主要承載語音調(diào)度，WLAN承載地鐵信號CBTC數(shù)據(jù)和PIS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的地鐵通信網(wǎng)絡(luò)易受到干擾的弊端日益突出，對地鐵安全運營造成一定威脅。因此，基于4G通信技術(shù)實現(xiàn)地鐵專用無線通信系統(tǒng)更新和發(fā)展迫在眉睫。本文基于地鐵專用無線通信需求分析，深入探討4G無線通信技術(shù)部署方案，旨在優(yōu)化地鐵無線通信系統(tǒng)，保障地鐵安全運營。

1 現(xiàn)階段地鐵無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀、需求及問題分析

地鐵專用無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包括TETRA系統(tǒng)、信號車地?zé)o線系統(tǒng)等，其業(yè)務(wù)系統(tǒng)承載現(xiàn)狀及存在的問題分析如下。

1.1 地鐵專用無線系統(tǒng)

當(dāng)前，地鐵專用無線系統(tǒng)承載主要采用TETRA組網(wǎng)方式，其工作頻段為800～900MHz。為滿足地鐵車輛調(diào)度、維護(hù)維修的需求，其覆蓋范圍包括地鐵站出入口、車站設(shè)備區(qū)、站臺、隧道區(qū)間、輔助線路（渡線、停車線等）出入段線、車輛段、運用庫和調(diào)度大廳等區(qū)域。無滿足無線通信網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量覆蓋要求，防止組網(wǎng)設(shè)備發(fā)生故障造成通信中斷，因此，上述區(qū)域無線組網(wǎng)必須采用兩種及以上的無線覆蓋方式，具體包括：車站出入庫、設(shè)備區(qū)、站臺、運用庫、控制中心大廳等區(qū)域采用城市低廓無線覆蓋；正線隧道區(qū)間、輔助線路和出入段線采用漏纜覆蓋方式；地鐵車輛段內(nèi)采用室外全向天線覆蓋方式。其業(yè)務(wù)需求主要包括呼叫功能、通話功能、優(yōu)先級功能、數(shù)傳功能、廣播功能、錄音功能、越區(qū)切換功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能等。

1.2 信號車地?zé)o線系統(tǒng)

信號無線系統(tǒng)通過高增益定向天線向地鐵線路兩個方向覆蓋，采用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即一個AP點設(shè)置兩個AP和天饋。信號車地?zé)o線系統(tǒng)采用WLAN技術(shù)組網(wǎng)，在正線、輔線、出入段線等位置設(shè)置AP，完成信號車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。該系統(tǒng)采用雙層冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，射頻信號采用無線、漏纜、漏泄波導(dǎo)管方式實現(xiàn)無線系統(tǒng)的覆蓋，區(qū)間軌道AP接入中心站交換機(jī)，并通過有效通道接入集中站的無線交換控制器，實現(xiàn)信號車地?zé)o線系統(tǒng)的切換和安全認(rèn)證等工作。

2 基于4G技術(shù)的地鐵專用無線通信系統(tǒng)研究

基于上述分析，現(xiàn)階段地鐵專用無線通信系統(tǒng)存在一定的問題，對地鐵的高質(zhì)量運行造成一定的威脅?；诖?，本文基于4G(TD-LTE)技術(shù)提出一種地鐵專用無線通信系統(tǒng)實施方案，以期提高地鐵專用無線通信質(zhì)量，保障地鐵系統(tǒng)的可靠、安全運行。

2.1 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

在控制中心設(shè)置TD-LTE核心網(wǎng)，包括WLAN核心交換機(jī)、結(jié)構(gòu)服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)和專用系統(tǒng)服務(wù)端，在地鐵區(qū)間左右線分別設(shè)置RRU和AP，RRU和AP同址設(shè)置，并在地鐵左右線各敷設(shè)兩根漏纜，由漏纜發(fā)射1.8GHz TD-LTE射頻信號和2.4GHz WLAN信號，5GHz頻段WLAN由定向增益天線向隧道內(nèi)發(fā)射覆蓋。漏纜盤長約為500m，可滿足區(qū)間信號覆蓋要求。車站站廳、站臺等區(qū)域可根據(jù)實際需求布設(shè)RRU和AP。并設(shè)置室內(nèi)陣列天線，提高公共空間網(wǎng)絡(luò)通信能力。

2.2 承載業(yè)務(wù)規(guī)劃

本方案采用雙TD-LTE組網(wǎng)方案，如采用10MHz+5MHz的情況下，地鐵專用無線網(wǎng)絡(luò)能夠為列車提供穩(wěn)定的上、下行數(shù)據(jù)傳輸能力，可滿足地鐵CBTC車地數(shù)據(jù)傳輸、行車集群調(diào)度等業(yè)務(wù)需求。2.4GHz WLAN通過漏纜發(fā)射信號，雖然通過漏纜敷設(shè)和AP增益方式可實現(xiàn)隧道網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，但由于2.4GHz信號連續(xù)性差，因此，2.4GHz信號主要提供單頻點的業(yè)務(wù)承載要求，可在緊急情況下將地鐵內(nèi)調(diào)度、維修視頻發(fā)送至控制中心。

5GHz WLAN采用了802.11ac技術(shù)，雖然其信號覆蓋連續(xù)性差，但由于其傳輸速率大，可達(dá)到200mbps以上，能夠滿足地鐵隧道內(nèi)上網(wǎng)增值業(yè)務(wù)需求

2.3 區(qū)間設(shè)置

本方案設(shè)計的TD-LTE組網(wǎng)方案采用BBU+RRU模式，具有靈活性高、轉(zhuǎn)換效率高等特點。左右線RRU分別接入不同的BBU，且BBU不接入車站內(nèi)RRU，可有效降低單節(jié)點故障造成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障風(fēng)險，提高地鐵專用無線通信系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)行業(yè)實施經(jīng)驗，BBU覆蓋距離可達(dá)6km，在地鐵以140km行進(jìn)的情況下，BBU切換時間約為155s切換1次，顯著優(yōu)于WLAN無線覆蓋情況下的4.6s切換1次，為信號車地系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行提供保障。

2.4 區(qū)間覆蓋方式

根據(jù)國內(nèi)城市地鐵建設(shè)項目經(jīng)驗，綜合其經(jīng)濟(jì)性、傳輸速率、信號損耗等因素，同軸電纜敷設(shè)方式具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。同時，由于TD-LTE和WLAN技術(shù)都支持MIMO技術(shù)，通過多天線獨立發(fā)送和接收信號，有利于提高地鐵專用無線通信系統(tǒng)傳輸能力，為業(yè)通信擴(kuò)容和業(yè)務(wù)規(guī)劃提供良好的空間。

2.5 頻段與頻點的選取

根據(jù)我國工信部相關(guān)要求，TD-LTE主流頻段為2.3G和2.6G，地鐵專用TD-LTE頻段為1.8G。并明確指出可將1.8GHzTDD網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至20M，用于1.8G頻段的無線接入。因此，在地鐵專用無線通信系統(tǒng)組網(wǎng)時，可選擇1..8G作為組網(wǎng)頻段。

在頻點的選擇上，可采用時分OFDM或OFDMA方案，借助時間和子信道對通信終端進(jìn)行識別，從而實現(xiàn)無線通信鏈路的高效復(fù)用和合理分配，降低無線干擾對地鐵專用無線通信系統(tǒng)的影響。

3 結(jié)語

新時期背景下，地鐵日益成為人們綠色出行的主要方式之一，而隨著無線技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的地鐵專用無線通信系統(tǒng)難以滿足地鐵業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高效、安全運行，難以適應(yīng)地鐵自動化運行要求。在此背景下，4G技術(shù)的發(fā)展為地鐵專用無線通信系統(tǒng)建設(shè)提供了解決思路，通過TD-LTE+WLAN覆蓋方式，有效滿足了地鐵車地通信和調(diào)度控制要求，為地鐵的可靠安全運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。