市域铁路与国铁共线运营专用无线通信系统方案研究

刘惠林

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

市域铁路是城市中心城区联接周边城镇组团及其城镇组团之间的通勤化、快速度、大运量的轨道交通系统，提供城市公共交通服务，是城市综合交通体系的重要组成部分。随着城市综合交通体系的快速发展，部分市域铁路已开始兼顾城际客流，市域铁路与国铁等交通系统的衔接已成趋势，市域铁路和国铁共线运营的情况将越来越多。本文以某城市机场联络线为例，对市域铁路和国铁共营线路的专用无线通信系统技术方案进行探讨分析。

2 业务需求分析

该机场联络线是市域快速通道，主要承担两机场间及城市内市域客流，并兼顾城际客流；采用本线市域列车与跨线城际列车共线运行的运输组织模式。对于本线，属于市域铁路与国铁（城际铁路）共营线路，设置的专用无线通信系统需要同时满足市域铁路和国铁（城际铁路）运营要求。

本线城际铁路的调度指挥由铁路局调度中心负责，遵循《城际铁路设计规范》，列车运行控制方式采用列车运行控制系统+列车自动运行系统（CTCS2+ATO）方式；市域铁路的调度指挥由城市市域铁路调度中心负责，遵循《市域快速轨道交通设计规范》，列车运行控制采用城市轨道列车自动控制CBTC 制式。

根据目前技术现状和标准规范要求，为满足CTCS2+ATO 系统业务需求，国铁城际列车采用GSM-R 无线通信系统来承载列控业务和语音调度业务。

城市轨道交通车地无线通信网络以往主要采用无线局域网 (WLAN) 技术，工作在开放频段, 受到的干扰频繁，甚至影响信号系统的正常运行。随着工信部无[2015]65 号文《关于重新发布1 785 ～1 805 MHz 频段无线接入系统频率使用事宜的通知》的施行，已普遍采用工作在1.8 GHz 频段的LTE-M无线通信技术承载CBTC 列控业务数据。

综上，对于本线，为满足市域铁路列车运营要求，应设置LTE-M 专用无线通信系统；为满足国铁（城际铁路）列车运营要求，应设置GSM-R 专用无线通信系统。

3 专用无线通信系统方案

3.1 系统总体方案

根据上文分析，该机场联络线需同时建设LTE-M 和GSM-R 两套专用无线通信系统。下面就两套系统共存的总体技术方案和区间无线覆盖方案进行分析。

3.1.1 国铁专用无线通信系统方案

GSM-R 系统是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，是非常有效的调度指挥通信工具。GSM-R 系统能够提供GSM 系统所具备的基本电信业务，如点对点呼叫、GPRS、短消息等；此外，通过GSM-R 系统特殊的组呼叫、广播呼叫、多优先级强占及强拆业务以及功能寻址、基于位置的寻址、紧急呼叫、呼叫接入矩阵等功能可提供中国铁路的特殊应用业务。

本线GSM-R 系统利用铁路局既有核心网系统，在共营线路车站设置基站，区间设置光纤直放站，沿线采用架设天线或敷设漏泄同轴电缆实现弱场覆盖。同时，为国铁运营工作人员配置GSM-R 手持电台。

3.1.2 市域铁路专用无线通信系统方案

LTE-M 系统是目前城市轨道交通和市域铁路领域内承载列控业务和语音调度业务的主流技术，2015 年工信部和城市轨道交通协会已明确发文支持LTE 在轨道交通内的应用，同时中国城市轨道交通协会已制定相关LTE-M 技术规范用来指导系统的建设，LTE 技术在城轨交通行业内已成为技术发展趋势。

本线市域铁路采用城轨ATC 列车自动控制制式，采用LTE-M 网络建设冗余的LTE-M 系统A/B 双网来保障业务的可靠性。因此，在城市市域铁路控制中心设置LTE-M 系统A/B 网的核心网设备（EPC）及集群语音调度服务器和相关调度台；在共营线路车站设置LTE-M 系统A/B 网的BBU+RRU 设备，在线路区间根据需要设置A/B 的网RRU 设备，沿线采用架设天线或敷设漏泄同轴电缆实现弱场覆盖。同时，为市域铁路列车配置LTE 语音电台和TAU 单元，运营工作人员配置相应的手持电台。

3.2 无线网络方案

3.2.1 无线网络技术要求

1）GSM-R 系统

本线国铁城际列车在共营线路运营速度≤160 km/h，GSM-R 网络主要提供语音业务和CTC业务，其无线技术指标如下。

工作频率：上行885 ～889 MHz，下行930 ～934 MHz，频道间隔200 kHz。

覆盖要求：无线场强覆盖以最小可用接收电平表示Prmin，在95%的统计概率下列调机车台机车顶部接收天线位置的Prmin ≥-98 dBm。

2）LTE-M 系统

工作频率：1 785 ～1 805 MHz，可配置带宽1.4/3/5/10 MHz。

覆盖要求：无线场强覆盖质量指标用RSRP 和SINR 表示，无线覆盖在不小于98%概率条件下，车载TAU 终端天线处输入信号应符合车地通信区域RSRP 不小于-95 dBm，且SINR 不小于3 dB。

3.2.2 覆盖方案

共营线路沿线有地面区段和地下隧道区段两种情况：对于地下隧道区段的无线覆盖采用敷设漏泄同轴电缆实现；对于地面区段可采用架设天线作为辐射源的空间波覆盖方式或敷设漏泄同轴电缆的覆盖方式加以解决。

1）地面区段覆盖方案选择

a.敷设漏泄同轴电缆

敷设漏泄同轴电缆方案沿线传输信号稳定，通信质量高，不易受外界干扰，也不会对环境产生较大的电磁危害，有利于避免与城市其他无线通信系统相互干扰。但漏泄同轴电缆敷设于线路两侧的护墙、护栏或声屏障上，需与土建专业协调，安装实施有一定的配合难度。

b.架设天线覆盖

通过天线辐射覆盖地面区段，这种方式天线安装简便，节省投资。但天线支撑体（铁塔）的设置有一定工程难度，有极大的土建配合量，并对城市景观造成不协调。

天线是空间传播方式，易受外界干扰，也易干扰外界。根据城市的发展速度，机场联络线沿线城市建筑会日趋增加，可能会不定期阻碍轨道交通的电波传播，由于理论模型计算与实际相差较大，无法准确确定间隔多少距离设置天线，需要通过路测及其他测试才能确定；另外，该方案区间同频干扰的处理及信号平稳过渡的矛盾难以调和。

通过对两种覆盖方案进行综合比较，本线沿线全部采用敷设漏泄同轴电缆实现无线场强覆盖。

2）共用覆盖系统

GSM-R 系统工作在900 MHz 频段，LTE-M 系统工作在1 800 MHz 频段，现有多家漏泄同轴电缆品牌均可实现在一条漏缆中同时传输此两个频段信号，因而两个无线系统可以共用漏泄同轴电缆覆盖。一方面线路沿线漏缆安装空间有限，两系统单独敷设漏缆不仅会多占用有限的空间资源，还会增加与土建工程的配合复杂度；另一方面从经济角度来讲，可以节省一条漏缆的工程投资。

根据上述3.2.1 无线网络技术要求的指标来看，由于LTE-M 系统工作频段较GSM-R 系统高，相应在漏缆中的传播损耗也较大，且覆盖要求指标高于GSM-R 系统，两系统合路共用漏缆时以LTE-M 系统技术指标来计算漏缆传输距离。以LTE-M 系统配置5 MHz 带宽为例，计算如表1 所示。

表1 LTE-M系统配置表Tab.1 LTE-M system configuration table

从表1 中可以看出，当GSM-R 系统与LTE-M系统通过合路器共用漏缆时，其小区漏缆覆盖半径大约为650 m，即在车站区间长度超过1 300 m 时，需要增加区间中继设备（LTE-M 系统的RRU 设备、GSM-R 系统的直放站设备），其具体共用方案如图1、2 所示。

图1 车站合路示意图Fig.1 Schematic diagram of station co-existance

3.2.3 频率因素

图2 区间合路示意图Fig.2 Schematic diagram of section co-existance

GSM-R 系统基站频率实际可用19 对频点，采用频率复用方式配置。

LTE-M 系统需要向当地无线电管理部门申请频率，根据国内轨道交通行业情况来看，基本上每个城市至少能申请10 MHz 频率。市域铁路LTE-M 系统根据语音调度和列车控制业务的需求，至少需要在1 785 ～1 805 MHz 频 段 内 申 请10 MHz 频 率，采用同频组网方式，所有RRU 均配置5 MHz 带宽。若LTE-M 系统申请到频率＞10 MHz 频率以上，则可以采用LTE-M 系统进行市域铁路车地业务综合承载，增加车载视频业务和PIS 视频业务的应用。

4 结语

随着国内城市化进程的发展，将来国铁与市域铁路共线运营的状况将会越来越多，本文以某市域线机场联络线工程为例，针对共线运营情况下国铁和市域铁路的专用无线业务需求，提出的国铁专用无线通信系统采用GSM-R 网络和市域铁路采用LTE-M 网络的共存技术方案，希望能为同类工程建设提供参考。当然，随着目前5G 无线通信技术的发展和应用，利用5G 技术的高带宽、低时延和高可靠连接的技术特点，将有可能采用5G 技术能同时解决国铁和市域铁路共线运营时的业务需求。