基于4G技術的地鐵專用無線通信系統研究

程璋

中國鐵建電氣化局集團第五工程有限公司 廣西 欽州 535000

近年來，隨著我國地鐵系統建設的不斷加速，無線通信子系統建設質量要求不斷提高，并在地鐵信號系統、語音數據、視頻數據等方面發揮著技術支持作用，保障了地鐵系統的安全運營和動態監控，為乘客安全出行提供充足保障。當前，我國地鐵車地通信網絡主要基于TETRA+WLAN網承載，其中，TETRA通信網絡主要承載語音調度，WLAN承載地鐵信號CBTC數據和PIS數據業務，但隨著移動通信技術的發展，現有的地鐵通信網絡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通信技術實現地鐵專用無線通信系統更新和發展迫在眉睫。本文基于地鐵專用無線通信需求分析，深入探討4G無線通信技術部署方案，旨在優化地鐵無線通信系統，保障地鐵安全運營。

1 現階段地鐵無線通信系統現狀、需求及問題分析

地鐵專用無線系統網絡主要包括TETRA系統、信號車地無線系統等，其業務系統承載現狀及存在的問題分析如下。

1.1 地鐵專用無線系統

當前，地鐵專用無線系統承載主要采用TETRA組網方式，其工作頻段為800～900MHz。為滿足地鐵車輛調度、維護維修的需求，其覆蓋范圍包括地鐵站出入口、車站設備區、站臺、隧道區間、輔助線路（渡線、停車線等）出入段線、車輛段、運用庫和調度大廳等區域。無滿足無線通信網絡高質量覆蓋要求，防止組網設備發生故障造成通信中斷，因此，上述區域無線組網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、設備區、站臺、運用庫、控制中心大廳等區域采用城市低廓無線覆蓋；正線隧道區間、輔助線路和出入段線采用漏纜覆蓋方式；地鐵車輛段內采用室外全向天線覆蓋方式。其業務需求主要包括呼叫功能、通話功能、優先級功能、數傳功能、廣播功能、錄音功能、越區切換功能、網絡管理功能等。

1.2 信號車地無線系統

信號無線系統通過高增益定向天線向地鐵線路兩個方向覆蓋，采用雙層網絡結構，即一個AP點設置兩個AP和天饋。信號車地無線系統采用WLAN技術組網，在正線、輔線、出入段線等位置設置AP，完成信號車地無線網絡的覆蓋。該系統采用雙層冗余網絡結構，射頻信號采用無線、漏纜、漏泄波導管方式實現無線系統的覆蓋，區間軌道AP接入中心站交換機，并通過有效通道接入集中站的無線交換控制器，實現信號車地無線系統的切換和安全認證等工作。

2 基于4G技術的地鐵專用無線通信系統研究

基于上述分析，現階段地鐵專用無線通信系統存在一定的問題，對地鐵的高質量運行造成一定的威脅。基于此，本文基于4G(TD-LTE)技術提出一種地鐵專用無線通信系統實施方案，以期提高地鐵專用無線通信質量，保障地鐵系統的可靠、安全運行。

2.1 總體網絡架構分析

在控制中心設置TD-LTE核心網，包括WLAN核心交換機、結構服務器等網絡和專用系統服務端，在地鐵區間左右線分別設置RRU和AP，RRU和AP同址設置，并在地鐵左右線各敷設兩根漏纜，由漏纜發射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發射覆蓋。漏纜盤長約為500m，可滿足區間信號覆蓋要求。車站站廳、站臺等區域可根據實際需求布設RRU和AP。并設置室內陣列天線，提高公共空間網絡通信能力。

2.2 承載業務規劃

本方案采用雙TD-LTE組網方案，如采用10MHz+5MHz的情況下，地鐵專用無線網絡能夠為列車提供穩定的上、下行數據傳輸能力，可滿足地鐵CBTC車地數據傳輸、行車集群調度等業務需求。2.4GHz WLAN通過漏纜發射信號，雖然通過漏纜敷設和AP增益方式可實現隧道網絡的全覆蓋，但由于2.4GHz信號連續性差，因此，2.4GHz信號主要提供單頻點的業務承載要求，可在緊急情況下將地鐵內調度、維修視頻發送至控制中心。

5GHz WLAN采用了802.11ac技術，雖然其信號覆蓋連續性差，但由于其傳輸速率大，可達到200mbps以上，能夠滿足地鐵隧道內上網增值業務需求

2.3 區間設置

本方案設計的TD-LTE組網方案采用BBU+RRU模式，具有靈活性高、轉換效率高等特點。左右線RRU分別接入不同的BBU，且BBU不接入車站內RRU，可有效降低單節點故障造成的網絡系統故障風險，提高地鐵專用無線通信系統的可靠性。根據行業實施經驗，BBU覆蓋距離可達6km，在地鐵以140km行進的情況下，BBU切換時間約為155s切換1次，顯著優于WLAN無線覆蓋情況下的4.6s切換1次，為信號車地系統安全、穩定運行提供保障。

2.4 區間覆蓋方式

根據國內城市地鐵建設項目經驗，綜合其經濟性、傳輸速率、信號損耗等因素，同軸電纜敷設方式具有顯著的應用優勢。同時，由于TD-LTE和WLAN技術都支持MIMO技術，通過多天線獨立發送和接收信號，有利于提高地鐵專用無線通信系統傳輸能力，為業通信擴容和業務規劃提供良好的空間。

2.5 頻段與頻點的選取

根據我國工信部相關要求，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網絡擴展至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組網時，可選擇1..8G作為組網頻段。

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行識別，從而實現無線通信鏈路的高效復用和合理分配，降低無線干擾對地鐵專用無線通信系統的影響。

3 結語

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，而隨著無線技術的發展，現有的地鐵專用無線通信系統難以滿足地鐵業務系統的高效、安全運行，難以適應地鐵自動化運行要求。在此背景下，4G技術的發展為地鐵專用無線通信系統建設提供了解決思路，通過TD-LTE+WLAN覆蓋方式，有效滿足了地鐵車地通信和調度控制要求，為地鐵的可靠安全運行奠定了堅實的基礎。