劉惠林
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)
市域鐵路是城市中心城區(qū)聯(lián)接周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)及其城鎮(zhèn)組團(tuán)之間的通勤化、快速度、大運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng),提供城市公共交通服務(wù),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(fā)展,部分市域鐵路已開始兼顧城際客流,市域鐵路與國(guó)鐵等交通系統(tǒng)的銜接已成趨勢(shì),市域鐵路和國(guó)鐵共線運(yùn)營(yíng)的情況將越來越多。本文以某城市機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線為例,對(duì)市域鐵路和國(guó)鐵共營(yíng)線路的專用無線通信系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行探討分析。
該機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線是市域快速通道,主要承擔(dān)兩機(jī)場(chǎng)間及城市內(nèi)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(yùn)行的運(yùn)輸組織模式。對(duì)于本線,屬于市域鐵路與國(guó)鐵(城際鐵路)共營(yíng)線路,設(shè)置的專用無線通信系統(tǒng)需要同時(shí)滿足市域鐵路和國(guó)鐵(城際鐵路)運(yùn)營(yíng)要求。
本線城際鐵路的調(diào)度指揮由鐵路局調(diào)度中心負(fù)責(zé),遵循《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》,列車運(yùn)行控制方式采用列車運(yùn)行控制系統(tǒng)+列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(CTCS2+ATO)方式;市域鐵路的調(diào)度指揮由城市市域鐵路調(diào)度中心負(fù)責(zé),遵循《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》,列車運(yùn)行控制采用城市軌道列車自動(dòng)控制CBTC 制式。
根據(jù)目前技術(shù)現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,為滿足CTCS2+ATO 系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求,國(guó)鐵城際列車采用GSM-R 無線通信系統(tǒng)來承載列控業(yè)務(wù)和語(yǔ)音調(diào)度業(yè)務(wù)。
城市軌道交通車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)以往主要采用無線局域網(wǎng) (WLAN) 技術(shù),工作在開放頻段, 受到的干擾頻繁,甚至影響信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。隨著工信部無[2015]65 號(hào)文《關(guān)于重新發(fā)布1 785 ~1 805 MHz 頻段無線接入系統(tǒng)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(shù)承載CBTC 列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
綜上,對(duì)于本線,為滿足市域鐵路列車運(yùn)營(yíng)要求,應(yīng)設(shè)置LTE-M 專用無線通信系統(tǒng);為滿足國(guó)鐵(城際鐵路)列車運(yùn)營(yíng)要求,應(yīng)設(shè)置GSM-R 專用無線通信系統(tǒng)。
根據(jù)上文分析,該機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線需同時(shí)建設(shè)LTE-M 和GSM-R 兩套專用無線通信系統(tǒng)。下面就兩套系統(tǒng)共存的總體技術(shù)方案和區(qū)間無線覆蓋方案進(jìn)行分析。
3.1.1 國(guó)鐵專用無線通信系統(tǒng)方案
GSM-R 系統(tǒng)是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng),是非常有效的調(diào)度指揮通信工具。GSM-R 系統(tǒng)能夠提供GSM 系統(tǒng)所具備的基本電信業(yè)務(wù),如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫、GPRS、短消息等;此外,通過GSM-R 系統(tǒng)特殊的組呼叫、廣播呼叫、多優(yōu)先級(jí)強(qiáng)占及強(qiáng)拆業(yè)務(wù)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(guó)鐵路的特殊應(yīng)用業(yè)務(wù)。
本線GSM-R 系統(tǒng)利用鐵路局既有核心網(wǎng)系統(tǒng),在共營(yíng)線路車站設(shè)置基站,區(qū)間設(shè)置光纖直放站,沿線采用架設(shè)天線或敷設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)弱場(chǎng)覆蓋。同時(shí),為國(guó)鐵運(yùn)營(yíng)工作人員配置GSM-R 手持電臺(tái)。
3.1.2 市域鐵路專用無線通信系統(tǒng)方案
LTE-M 系統(tǒng)是目前城市軌道交通和市域鐵路領(lǐng)域內(nèi)承載列控業(yè)務(wù)和語(yǔ)音調(diào)度業(yè)務(wù)的主流技術(shù),2015 年工信部和城市軌道交通協(xié)會(huì)已明確發(fā)文支持LTE 在軌道交通內(nèi)的應(yīng)用,同時(shí)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)已制定相關(guān)LTE-M 技術(shù)規(guī)范用來指導(dǎo)系統(tǒng)的建設(shè),LTE 技術(shù)在城軌交通行業(yè)內(nèi)已成為技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
本線市域鐵路采用城軌ATC 列車自動(dòng)控制制式,采用LTE-M 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)冗余的LTE-M 系統(tǒng)A/B 雙網(wǎng)來保障業(yè)務(wù)的可靠性。因此,在城市市域鐵路控制中心設(shè)置LTE-M 系統(tǒng)A/B 網(wǎng)的核心網(wǎng)設(shè)備(EPC)及集群語(yǔ)音調(diào)度服務(wù)器和相關(guān)調(diào)度臺(tái);在共營(yíng)線路車站設(shè)置LTE-M 系統(tǒng)A/B 網(wǎng)的BBU+RRU 設(shè)備,在線路區(qū)間根據(jù)需要設(shè)置A/B 的網(wǎng)RRU 設(shè)備,沿線采用架設(shè)天線或敷設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)弱場(chǎng)覆蓋。同時(shí),為市域鐵路列車配置LTE 語(yǔ)音電臺(tái)和TAU 單元,運(yùn)營(yíng)工作人員配置相應(yīng)的手持電臺(tái)。
3.2.1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求
1)GSM-R 系統(tǒng)
本線國(guó)鐵城際列車在共營(yíng)線路運(yùn)營(yíng)速度≤160 km/h,GSM-R 網(wǎng)絡(luò)主要提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)和CTC業(yè)務(wù),其無線技術(shù)指標(biāo)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(chǎng)強(qiáng)覆蓋以最小可用接收電平表示Prmin,在95%的統(tǒng)計(jì)概率下列調(diào)機(jī)車臺(tái)機(jī)車頂部接收天線位置的Prmin ≥-98 dBm。
2)LTE-M 系統(tǒng)
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(chǎng)強(qiáng)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)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(hào)應(yīng)符合車地通信區(qū)域RSRP 不小于-95 dBm,且SINR 不小于3 dB。
3.2.2 覆蓋方案
共營(yíng)線路沿線有地面區(qū)段和地下隧道區(qū)段兩種情況:對(duì)于地下隧道區(qū)段的無線覆蓋采用敷設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn);對(duì)于地面區(qū)段可采用架設(shè)天線作為輻射源的空間波覆蓋方式或敷設(shè)漏泄同軸電纜的覆蓋方式加以解決。
1)地面區(qū)段覆蓋方案選擇
a.敷設(shè)漏泄同軸電纜
敷設(shè)漏泄同軸電纜方案沿線傳輸信號(hào)穩(wěn)定,通信質(zhì)量高,不易受外界干擾,也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的電磁危害,有利于避免與城市其他無線通信系統(tǒng)相互干擾。但漏泄同軸電纜敷設(shè)于線路兩側(cè)的護(hù)墻、護(hù)欄或聲屏障上,需與土建專業(yè)協(xié)調(diào),安裝實(shí)施有一定的配合難度。
b.架設(shè)天線覆蓋
通過天線輻射覆蓋地面區(qū)段,這種方式天線安裝簡(jiǎn)便,節(jié)省投資。但天線支撐體(鐵塔)的設(shè)置有一定工程難度,有極大的土建配合量,并對(duì)城市景觀造成不協(xié)調(diào)。
天線是空間傳播方式,易受外界干擾,也易干擾外界。根據(jù)城市的發(fā)展速度,機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線沿線城市建筑會(huì)日趨增加,可能會(huì)不定期阻礙軌道交通的電波傳播,由于理論模型計(jì)算與實(shí)際相差較大,無法準(zhǔn)確確定間隔多少距離設(shè)置天線,需要通過路測(cè)及其他測(cè)試才能確定;另外,該方案區(qū)間同頻干擾的處理及信號(hào)平穩(wěn)過渡的矛盾難以調(diào)和。
通過對(duì)兩種覆蓋方案進(jìn)行綜合比較,本線沿線全部采用敷設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。
2)共用覆蓋系統(tǒng)
GSM-R 系統(tǒng)工作在900 MHz 頻段,LTE-M 系統(tǒng)工作在1 800 MHz 頻段,現(xiàn)有多家漏泄同軸電纜品牌均可實(shí)現(xiàn)在一條漏纜中同時(shí)傳輸此兩個(gè)頻段信號(hào),因而兩個(gè)無線系統(tǒng)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(tǒng)單獨(dú)敷設(shè)漏纜不僅會(huì)多占用有限的空間資源,還會(huì)增加與土建工程的配合復(fù)雜度;另一方面從經(jīng)濟(jì)角度來講,可以節(jié)省一條漏纜的工程投資。
根據(jù)上述3.2.1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求的指標(biāo)來看,由于LTE-M 系統(tǒng)工作頻段較GSM-R 系統(tǒng)高,相應(yīng)在漏纜中的傳播損耗也較大,且覆蓋要求指標(biāo)高于GSM-R 系統(tǒng),兩系統(tǒng)合路共用漏纜時(shí)以LTE-M 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)來計(jì)算漏纜傳輸距離。以LTE-M 系統(tǒng)配置5 MHz 帶寬為例,計(jì)算如表1 所示。
表1 LTE-M系統(tǒng)配置表Tab.1 LTE-M system configuration table
從表1 中可以看出,當(dāng)GSM-R 系統(tǒng)與LTE-M系統(tǒng)通過合路器共用漏纜時(shí),其小區(qū)漏纜覆蓋半徑大約為650 m,即在車站區(qū)間長(zhǎng)度超過1 300 m 時(shí),需要增加區(qū)間中繼設(shè)備(LTE-M 系統(tǒng)的RRU 設(shè)備、GSM-R 系統(tǒng)的直放站設(shè)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(qū)間合路示意圖Fig.2 Schematic diagram of section co-existance
GSM-R 系統(tǒng)基站頻率實(shí)際可用19 對(duì)頻點(diǎn),采用頻率復(fù)用方式配置。
LTE-M 系統(tǒng)需要向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申請(qǐng)頻率,根據(jù)國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)情況來看,基本上每個(gè)城市至少能申請(qǐng)10 MHz 頻率。市域鐵路LTE-M 系統(tǒng)根據(jù)語(yǔ)音調(diào)度和列車控制業(yè)務(wù)的需求,至少需要在1 785 ~1 805 MHz 頻 段 內(nèi) 申 請(qǐng)10 MHz 頻 率,采用同頻組網(wǎng)方式,所有RRU 均配置5 MHz 帶寬。若LTE-M 系統(tǒng)申請(qǐng)到頻率>10 MHz 頻率以上,則可以采用LTE-M 系統(tǒng)進(jìn)行市域鐵路車地業(yè)務(wù)綜合承載,增加車載視頻業(yè)務(wù)和PIS 視頻業(yè)務(wù)的應(yīng)用。
隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的發(fā)展,將來國(guó)鐵與市域鐵路共線運(yùn)營(yíng)的狀況將會(huì)越來越多,本文以某市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程為例,針對(duì)共線運(yùn)營(yíng)情況下國(guó)鐵和市域鐵路的專用無線業(yè)務(wù)需求,提出的國(guó)鐵專用無線通信系統(tǒng)采用GSM-R 網(wǎng)絡(luò)和市域鐵路采用LTE-M 網(wǎng)絡(luò)的共存技術(shù)方案,希望能為同類工程建設(shè)提供參考。當(dāng)然,隨著目前5G 無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,利用5G 技術(shù)的高帶寬、低時(shí)延和高可靠連接的技術(shù)特點(diǎn),將有可能采用5G 技術(shù)能同時(shí)解決國(guó)鐵和市域鐵路共線運(yùn)營(yíng)時(shí)的業(yè)務(wù)需求。