基于4G技术的地铁专用无线通信系统研究

程璋

中国铁建电气化局集团第五工程有限公司 广西 钦州 535000

近年来，随着我国地铁系统建设的不断加速，无线通信子系统建设质量要求不断提高，并在地铁信号系统、语音数据、视频数据等方面发挥着技术支持作用，保障了地铁系统的安全运营和动态监控，为乘客安全出行提供充足保障。当前，我国地铁车地通信网络主要基于TETRA+WLAN网承载，其中，TETRA通信网络主要承载语音调度，WLAN承载地铁信号CBTC数据和PIS数据业务，但随着移动通信技术的发展，现有的地铁通信网络易受到干扰的弊端日益突出，对地铁安全运营造成一定威胁。因此，基于4G通信技术实现地铁专用无线通信系统更新和发展迫在眉睫。本文基于地铁专用无线通信需求分析，深入探讨4G无线通信技术部署方案，旨在优化地铁无线通信系统，保障地铁安全运营。

1 现阶段地铁无线通信系统现状、需求及问题分析

地铁专用无线系统网络主要包括TETRA系统、信号车地无线系统等，其业务系统承载现状及存在的问题分析如下。

1.1 地铁专用无线系统

当前，地铁专用无线系统承载主要采用TETRA组网方式，其工作频段为800～900MHz。为满足地铁车辆调度、维护维修的需求，其覆盖范围包括地铁站出入口、车站设备区、站台、隧道区间、辅助线路（渡线、停车线等）出入段线、车辆段、运用库和调度大厅等区域。无满足无线通信网络高质量覆盖要求，防止组网设备发生故障造成通信中断，因此，上述区域无线组网必须采用两种及以上的无线覆盖方式，具体包括：车站出入库、设备区、站台、运用库、控制中心大厅等区域采用城市低廓无线覆盖；正线隧道区间、辅助线路和出入段线采用漏缆覆盖方式；地铁车辆段内采用室外全向天线覆盖方式。其业务需求主要包括呼叫功能、通话功能、优先级功能、数传功能、广播功能、录音功能、越区切换功能、网络管理功能等。

1.2 信号车地无线系统

信号无线系统通过高增益定向天线向地铁线路两个方向覆盖，采用双层网络结构，即一个AP点设置两个AP和天馈。信号车地无线系统采用WLAN技术组网，在正线、辅线、出入段线等位置设置AP，完成信号车地无线网络的覆盖。该系统采用双层冗余网络结构，射频信号采用无线、漏缆、漏泄波导管方式实现无线系统的覆盖，区间轨道AP接入中心站交换机，并通过有效通道接入集中站的无线交换控制器，实现信号车地无线系统的切换和安全认证等工作。

2 基于4G技术的地铁专用无线通信系统研究

基于上述分析，现阶段地铁专用无线通信系统存在一定的问题，对地铁的高质量运行造成一定的威胁。基于此，本文基于4G(TD-LTE)技术提出一种地铁专用无线通信系统实施方案，以期提高地铁专用无线通信质量，保障地铁系统的可靠、安全运行。

2.1 总体网络架构分析

在控制中心设置TD-LTE核心网，包括WLAN核心交换机、结构服务器等网络和专用系统服务端，在地铁区间左右线分别设置RRU和AP，RRU和AP同址设置，并在地铁左右线各敷设两根漏缆，由漏缆发射1.8GHz TD-LTE射频信号和2.4GHz WLAN信号，5GHz频段WLAN由定向增益天线向隧道内发射覆盖。漏缆盘长约为500m，可满足区间信号覆盖要求。车站站厅、站台等区域可根据实际需求布设RRU和AP。并设置室内阵列天线，提高公共空间网络通信能力。

2.2 承载业务规划

本方案采用双TD-LTE组网方案，如采用10MHz+5MHz的情况下，地铁专用无线网络能够为列车提供稳定的上、下行数据传输能力，可满足地铁CBTC车地数据传输、行车集群调度等业务需求。2.4GHz WLAN通过漏缆发射信号，虽然通过漏缆敷设和AP增益方式可实现隧道网络的全覆盖，但由于2.4GHz信号连续性差，因此，2.4GHz信号主要提供单频点的业务承载要求，可在紧急情况下将地铁内调度、维修视频发送至控制中心。

5GHz WLAN采用了802.11ac技术，虽然其信号覆盖连续性差，但由于其传输速率大，可达到200mbps以上，能够满足地铁隧道内上网增值业务需求

2.3 区间设置

本方案设计的TD-LTE组网方案采用BBU+RRU模式，具有灵活性高、转换效率高等特点。左右线RRU分别接入不同的BBU，且BBU不接入车站内RRU，可有效降低单节点故障造成的网络系统故障风险，提高地铁专用无线通信系统的可靠性。根据行业实施经验，BBU覆盖距离可达6km，在地铁以140km行进的情况下，BBU切换时间约为155s切换1次，显著优于WLAN无线覆盖情况下的4.6s切换1次，为信号车地系统安全、稳定运行提供保障。

2.4 区间覆盖方式

根据国内城市地铁建设项目经验，综合其经济性、传输速率、信号损耗等因素，同轴电缆敷设方式具有显著的应用优势。同时，由于TD-LTE和WLAN技术都支持MIMO技术，通过多天线独立发送和接收信号，有利于提高地铁专用无线通信系统传输能力，为业通信扩容和业务规划提供良好的空间。

2.5 频段与频点的选取

根据我国工信部相关要求，TD-LTE主流频段为2.3G和2.6G，地铁专用TD-LTE频段为1.8G。并明确指出可将1.8GHzTDD网络扩展至20M，用于1.8G频段的无线接入。因此，在地铁专用无线通信系统组网时，可选择1..8G作为组网频段。

在频点的选择上，可采用时分OFDM或OFDMA方案，借助时间和子信道对通信终端进行识别，从而实现无线通信链路的高效复用和合理分配，降低无线干扰对地铁专用无线通信系统的影响。

3 结语

新时期背景下，地铁日益成为人们绿色出行的主要方式之一，而随着无线技术的发展，现有的地铁专用无线通信系统难以满足地铁业务系统的高效、安全运行，难以适应地铁自动化运行要求。在此背景下，4G技术的发展为地铁专用无线通信系统建设提供了解决思路，通过TD-LTE+WLAN覆盖方式，有效满足了地铁车地通信和调度控制要求，为地铁的可靠安全运行奠定了坚实的基础。