市域鐵路與國鐵共線運營專用無線通信系統方案研究

劉惠林

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

市域鐵路是城市中心城區聯接周邊城鎮組團及其城鎮組團之間的通勤化、快速度、大運量的軌道交通系統，提供城市公共交通服務，是城市綜合交通體系的重要組成部分。隨著城市綜合交通體系的快速發展，部分市域鐵路已開始兼顧城際客流，市域鐵路與國鐵等交通系統的銜接已成趨勢，市域鐵路和國鐵共線運營的情況將越來越多。本文以某城市機場聯絡線為例，對市域鐵路和國鐵共營線路的專用無線通信系統技術方案進行探討分析。

2 業務需求分析

該機場聯絡線是市域快速通道，主要承擔兩機場間及城市內市域客流，并兼顧城際客流；采用本線市域列車與跨線城際列車共線運行的運輸組織模式。對于本線，屬于市域鐵路與國鐵（城際鐵路）共營線路，設置的專用無線通信系統需要同時滿足市域鐵路和國鐵（城際鐵路）運營要求。

本線城際鐵路的調度指揮由鐵路局調度中心負責，遵循《城際鐵路設計規范》，列車運行控制方式采用列車運行控制系統+列車自動運行系統（CTCS2+ATO）方式；市域鐵路的調度指揮由城市市域鐵路調度中心負責，遵循《市域快速軌道交通設計規范》，列車運行控制采用城市軌道列車自動控制CBTC 制式。

根據目前技術現狀和標準規范要求，為滿足CTCS2+ATO 系統業務需求，國鐵城際列車采用GSM-R 無線通信系統來承載列控業務和語音調度業務。

城市軌道交通車地無線通信網絡以往主要采用無線局域網 (WLAN) 技術，工作在開放頻段, 受到的干擾頻繁，甚至影響信號系統的正常運行。隨著工信部無[2015]65 號文《關于重新發布1 785 ～1 805 MHz 頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》的施行，已普遍采用工作在1.8 GHz 頻段的LTE-M無線通信技術承載CBTC 列控業務數據。

綜上，對于本線，為滿足市域鐵路列車運營要求，應設置LTE-M 專用無線通信系統；為滿足國鐵（城際鐵路）列車運營要求，應設置GSM-R 專用無線通信系統。

3 專用無線通信系統方案

3.1 系統總體方案

根據上文分析，該機場聯絡線需同時建設LTE-M 和GSM-R 兩套專用無線通信系統。下面就兩套系統共存的總體技術方案和區間無線覆蓋方案進行分析。

3.1.1 國鐵專用無線通信系統方案

GSM-R 系統是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統，是非常有效的調度指揮通信工具。GSM-R 系統能夠提供GSM 系統所具備的基本電信業務，如點對點呼叫、GPRS、短消息等；此外，通過GSM-R 系統特殊的組呼叫、廣播呼叫、多優先級強占及強拆業務以及功能尋址、基于位置的尋址、緊急呼叫、呼叫接入矩陣等功能可提供中國鐵路的特殊應用業務。

本線GSM-R 系統利用鐵路局既有核心網系統，在共營線路車站設置基站，區間設置光纖直放站，沿線采用架設天線或敷設漏泄同軸電纜實現弱場覆蓋。同時，為國鐵運營工作人員配置GSM-R 手持電臺。

3.1.2 市域鐵路專用無線通信系統方案

LTE-M 系統是目前城市軌道交通和市域鐵路領域內承載列控業務和語音調度業務的主流技術，2015 年工信部和城市軌道交通協會已明確發文支持LTE 在軌道交通內的應用，同時中國城市軌道交通協會已制定相關LTE-M 技術規范用來指導系統的建設，LTE 技術在城軌交通行業內已成為技術發展趨勢。

本線市域鐵路采用城軌ATC 列車自動控制制式，采用LTE-M 網絡建設冗余的LTE-M 系統A/B 雙網來保障業務的可靠性。因此，在城市市域鐵路控制中心設置LTE-M 系統A/B 網的核心網設備（EPC）及集群語音調度服務器和相關調度臺；在共營線路車站設置LTE-M 系統A/B 網的BBU+RRU 設備，在線路區間根據需要設置A/B 的網RRU 設備，沿線采用架設天線或敷設漏泄同軸電纜實現弱場覆蓋。同時，為市域鐵路列車配置LTE 語音電臺和TAU 單元，運營工作人員配置相應的手持電臺。

3.2 無線網絡方案

3.2.1 無線網絡技術要求

1）GSM-R 系統

本線國鐵城際列車在共營線路運營速度≤160 km/h，GSM-R 網絡主要提供語音業務和CTC業務，其無線技術指標如下。

工作頻率：上行885 ～889 MHz，下行930 ～934 MHz，頻道間隔200 kHz。

覆蓋要求：無線場強覆蓋以最小可用接收電平表示Prmin，在95%的統計概率下列調機車臺機車頂部接收天線位置的Prmin ≥-98 dBm。

2）LTE-M 系統

工作頻率：1 785 ～1 805 MHz，可配置帶寬1.4/3/5/10 MHz。

覆蓋要求：無線場強覆蓋質量指標用RSRP 和SINR 表示，無線覆蓋在不小于98%概率條件下，車載TAU 終端天線處輸入信號應符合車地通信區域RSRP 不小于-95 dBm，且SINR 不小于3 dB。

3.2.2 覆蓋方案

共營線路沿線有地面區段和地下隧道區段兩種情況：對于地下隧道區段的無線覆蓋采用敷設漏泄同軸電纜實現；對于地面區段可采用架設天線作為輻射源的空間波覆蓋方式或敷設漏泄同軸電纜的覆蓋方式加以解決。

1）地面區段覆蓋方案選擇

a.敷設漏泄同軸電纜

敷設漏泄同軸電纜方案沿線傳輸信號穩定，通信質量高，不易受外界干擾，也不會對環境產生較大的電磁危害，有利于避免與城市其他無線通信系統相互干擾。但漏泄同軸電纜敷設于線路兩側的護墻、護欄或聲屏障上，需與土建專業協調，安裝實施有一定的配合難度。

b.架設天線覆蓋

通過天線輻射覆蓋地面區段，這種方式天線安裝簡便，節省投資。但天線支撐體（鐵塔）的設置有一定工程難度，有極大的土建配合量，并對城市景觀造成不協調。

天線是空間傳播方式，易受外界干擾，也易干擾外界。根據城市的發展速度，機場聯絡線沿線城市建筑會日趨增加，可能會不定期阻礙軌道交通的電波傳播，由于理論模型計算與實際相差較大，無法準確確定間隔多少距離設置天線，需要通過路測及其他測試才能確定；另外，該方案區間同頻干擾的處理及信號平穩過渡的矛盾難以調和。

通過對兩種覆蓋方案進行綜合比較，本線沿線全部采用敷設漏泄同軸電纜實現無線場強覆蓋。

2）共用覆蓋系統

GSM-R 系統工作在900 MHz 頻段，LTE-M 系統工作在1 800 MHz 頻段，現有多家漏泄同軸電纜品牌均可實現在一條漏纜中同時傳輸此兩個頻段信號，因而兩個無線系統可以共用漏泄同軸電纜覆蓋。一方面線路沿線漏纜安裝空間有限，兩系統單獨敷設漏纜不僅會多占用有限的空間資源，還會增加與土建工程的配合復雜度；另一方面從經濟角度來講，可以節省一條漏纜的工程投資。

根據上述3.2.1 無線網絡技術要求的指標來看，由于LTE-M 系統工作頻段較GSM-R 系統高，相應在漏纜中的傳播損耗也較大，且覆蓋要求指標高于GSM-R 系統，兩系統合路共用漏纜時以LTE-M 系統技術指標來計算漏纜傳輸距離。以LTE-M 系統配置5 MHz 帶寬為例，計算如表1 所示。

表1 LTE-M系統配置表Tab.1 LTE-M system configuration table

從表1 中可以看出，當GSM-R 系統與LTE-M系統通過合路器共用漏纜時，其小區漏纜覆蓋半徑大約為650 m，即在車站區間長度超過1 300 m 時，需要增加區間中繼設備（LTE-M 系統的RRU 設備、GSM-R 系統的直放站設備），其具體共用方案如圖1、2 所示。

圖1 車站合路示意圖Fig.1 Schematic diagram of station co-existance

3.2.3 頻率因素

圖2 區間合路示意圖Fig.2 Schematic diagram of section co-existance

GSM-R 系統基站頻率實際可用19 對頻點，采用頻率復用方式配置。

LTE-M 系統需要向當地無線電管理部門申請頻率，根據國內軌道交通行業情況來看，基本上每個城市至少能申請10 MHz 頻率。市域鐵路LTE-M 系統根據語音調度和列車控制業務的需求，至少需要在1 785 ～1 805 MHz 頻 段 內 申 請10 MHz 頻 率，采用同頻組網方式，所有RRU 均配置5 MHz 帶寬。若LTE-M 系統申請到頻率＞10 MHz 頻率以上，則可以采用LTE-M 系統進行市域鐵路車地業務綜合承載，增加車載視頻業務和PIS 視頻業務的應用。

4 結語

隨著國內城市化進程的發展，將來國鐵與市域鐵路共線運營的狀況將會越來越多，本文以某市域線機場聯絡線工程為例，針對共線運營情況下國鐵和市域鐵路的專用無線業務需求，提出的國鐵專用無線通信系統采用GSM-R 網絡和市域鐵路采用LTE-M 網絡的共存技術方案，希望能為同類工程建設提供參考。當然，隨著目前5G 無線通信技術的發展和應用，利用5G 技術的高帶寬、低時延和高可靠連接的技術特點，將有可能采用5G 技術能同時解決國鐵和市域鐵路共線運營時的業務需求。