浅谈城市轨道交通中无线通信系统的应用

浅谈城市轨道交通中无线通信系统的应用

王 瑾

清远磁浮交通有限公司 广东清远 511500

摘要：无线通信系统主要用于解决OCC（控制中心）行车调度员、段场信号调度员、车站值班员与列车司机等移动用户之间的通话以及信息传递。为了提高城市轨道交通运行效率、保障行车安全及应对紧急事件的必要传输工具，在城市轨道交通中无线通信系统可以通过不同的技术来实现信息数据的传递。本文主要将简要陈述城市轨道交通中的TETRA数字集群系统（简称“TETRA系统”）和LTE技术的应用。

关键词：城市轨道交通； 无线通信系统； TETRA系统； LTE技术

什么是无线通信系统？无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。目前，城市轨道交通中无线通信系统主要采用TETRA数字集群系统和LTE技术。

一、TETRA数字集群系统在城市轨道交通中的应用

在城市轨道交通中TETRA系统是基于数字时分多址（TDMA）技术的专业移动通信系统，是欧洲电信标准协会( European Telecommunications Standards Institute, ETSI)设计、制定的开放性通信系统，便于欧洲各国集群用户的使用，初步形成无线数字集群通信系统的标准化。目前，随着TETRA数字集群系统技术在城市轨道交通广泛应用，技术十分成熟。TETRA系统可以满足各种不同的系统配置和对信号覆盖的需求，即可以实现单站和多站的配置，可以在25KHz的带宽内提供4个通信信道；根据工业和信息化部文件要求，TETRA系统工作频段采用350MH和800MHz。

在城市轨道交通中TETRA系统频率的配置原则：（1）降低和减少各种类型的频率干扰和提高频率资源的利用率。（2）应考虑如何降低同频干扰、邻道干扰、互调干扰等，特别是三阶互调干扰。（3）应有效利用包括射频的窄带调制、话音的压缩编码、信道的时分多址复用、多信道共用（集群）、频率的复用等。

在城市轨道交通中TETRA系统由集群交换控制设备(MSO)、基站、天馈系统和移动终端组成，各部分系统设备通过传输子系统以太网接口或其他协议接入，保障TETRA系统各设备有机协调运行，实现各部分的功能，TETRA系统以集群交换控制设备(MSO)与各基站构成星形拓扑结构，由集群交换控制设备(MSO)、基站、天馈系统、移动终端以及二次开发系统共同实现无线系统的通信传递。

在城市轨道交通中TETRA系统一般会采用集中式网络架构，其鲜明特点：（1）在交换控制中心实现所有的语音和数据通信以及连接PABX/PSTN等外部网关。（2）网络容量大，系统性能强大，可部署较多的应用和网关。集中式网络架构如图所示：

图：集中式网络架构图

TETRA数字集群系统在城市轨道交通中应用较为广泛，如：长沙地铁1号线及长沙地铁3号线均采用TETRA数字集群系统设备、二次开发设备及系统解决方案。并负责项目的管理、实施与服务。长沙地铁4号线采用基于1号线集群交换机的扩容方案。TETRA数字集群系统共覆盖长沙地铁1/3/4号线，并通过VPN对三条线基站、终端设备进行独立管理，确保了运营调度的准确无误。

2. LTE技术在城市轨道交通中的应用

LTE技术第一次出现是在2004年，LTE支持FDD和TDD两种双工方式。在LTE系统中,上行链路使用OFDM衍生技术SC－FDMA（单载波频分多址）,在保证系统性能的同时可以有效降低峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR),减少终端发射功率,增加使用时间。下行链路使用0FDM技术，可以将最高速率提升到l00Mbit/s。此外,LTE可以把智能天线技术和MIMO技术相结合,提高系统在不同应用场景的性能。

在城市轨道交通中，LTE技术由核心网、BBU、RRU、TAU及天馈系统组成，具备冗余组网、抗干扰性强、高带宽、低时延、场强覆盖均匀、支持高速移动的特点，通过路由器实现列车控制信号系统（CBTC）、乘客信息系统（PIS）和车载视频监控（IMS）等业务的接入，同时实现不同业务之间的隔离和网络安全需求。无线网络可结合实际情况，采用天线、波导管、漏泄电缆、天线与波导管结合或天线与漏泄电缆结合的方式发送/接收射频信号。在城市轨道交通中，基站侧采用漏缆、定向天线、室分天线发射/接收信号。彻底解决轨道交通车地无线传输的技术瓶颈，可实现传统城市轨道交通信号车地无线系统、PIS车地无线系统、专用无线调度系统的三网合一，降低用户的建设和维护成本。

LTE技术具有创新性核心网架构，开创性采用1.8G专用频率综合承载了列车控制信息、多媒体信息、车载视频信息和宽带集群等业务，LTE分别与专用无线系统和公安无线系统合路共用漏缆，开发了专属于轨道交通LTE 车载终端（TAU），可实现LTE与WLAN混合组网等技术特点。

在城市轨道交通中一般采用A/B双网冗余覆盖设计，A网络包括A无线网络和A核心网，B网络包括B无线网络和B核心网。如：清远磁浮交通工程采用LTE技术，频率配置按1.8G频段（1785M～1805M），A网使用10MHz带宽同频组网，B网使用3MHz带宽同频组网。无线综合通信系统采用A/B双网冗余组网，部署两套完全相同的分布式基带处理单元（BBU）+射频拉远单元（RRU）网络，通过传输通道分别接入设置在控制中心的A/B网核心设备，同时承载业务数据传输。B网络完全独立，并行工作，互不影响。清远磁浮交通整网架构如下图所示：

图：清远磁浮交通核心网EPC A/EPC B整网架构

LTE技术适用于国内外城市轨道交通领域多场景车地无线信息传输，在1785MHz～1805MHz频段中，具有1.4M、3M、5M、10M、20M多种组网设备方案，适用于专用承载或综合承载。实际应用中，根据频率资源和业务需求进行组网，可承载列车控制、紧急文本、列车状态监测、集群调度、视频监控和乘客信息等业务。

三、结束语

在城市轨道交通中，TETRA数字集群通信系统实现频率资源共享、无线信道动态分配功能，确保了城市轨道交通的无线通信信息的传输。其以专用网络方式为用户提供集群模式、优先级呼叫等公共移动通信无法提供的专业服务，广泛应用于城市轨道交通领域。LTE技术实现同一网络内、使用同一频率，在同一设备终端上同时提供专业的宽带数据传输、高清视频上传及分发调度等丰富的多媒体通信手段，同时为无线信息传输网络安全、可靠、稳定等各个方面提供强大的技术支撑。随着城市轨道交通的不断发展，LTE技术将与TETRA数字集群系统一样，在城市轨道交通领域中的应用将更为普及。

参考文献：

[1] 徐小涛 数字集群移动通信系统原理与应用 北京 人民邮电出版社， 2008

[2] 高泽华 TD-LTE技术标准与实践 北京 人民邮电出版社, 2011