干货分享 市域铁路移动通信技术制式探讨

干货分享 市域铁路移动通信技术制式探讨本站　　从列车运行控制系统、无线调度语音通信、车载视频监视、列车文本下发、列车运行状态信息监测业务等角度出发，分析市域铁路专用移动通信系统业务应用需求

　　从列车运行控制系统、无线调度语音通信、车载视频监视、列车文本下发、列车运行状态信息监测业务等角度出发，分析市域铁路专用移动通信系统业务应用需求。从抗干扰能力、接入机制、移动能力、多普勒效应、综合承载适应性、互联互通等多方面比对铁路、地铁当前在用的移动通信技术制式，结合市域铁路特点并分析国内外技术应用现状，探讨适用于我国市域铁路的移动通信技术制式。提出市域铁路移动通信技术制式选择不应局限于GSM-R系统，采用宽带移动通信系统是发展的必然趋势，可在一些城市开展LTE甚至5G移动通信系统的试验和试用性建设。

　　随着我国城镇化进程加快，市域铁路建设提上了议事日程。高速铁路/客运专线大规模建设成网，解决了城市之间的骨干交通；地铁、轻轨等城市轨道建设迅速发展，构建了中心城区便捷的内部交通网络。但是同一行政区划下（或不完全严格受此限制的区域性经济圈，如京津冀等），人口相对均衡的各城市间组团、都市圈外围组团或城市核心区与远郊区组团的交通出行需求矛盾日益凸显，构建满足上述需求的市域铁路，与干线铁路、城市轨道交通形成分层、互补的交通主架构，达到城市“血脉”的作用以推动交通出行，进而引导城市发展、促使城市的布局合理，对区域经济发展具有十分重要的意义和作用。

　　由于市域铁路在服务范围、设计时速、车站间距、运营维护等方面与城际铁路和城市轨道交通有相似点也有不同，需要结合其自身特点选择相匹配的通信、信号系统。在此主要针对市域铁路移动通信技术制式选择开展研究。

　　市域铁路主要为满足“中心城区与其他组团间、组团式城镇之间或与大中城市具有同城化需求的城镇间”的轨道交通需求。同时需要考虑一体化、网络化运营，多制式间互联互通，其主要特点如下：

　　目前我国城市轨道交通的主流列控制式为基于通信的列车控制系统（CBTC），主要是利用列车和地面间的双向数据通信，传送列车运行控制信息，即地面信号设备将移动授权动态更新并发送给列车，列车根据接收到的移动授权和自身的运行状态，计算出列车运行的速度曲线，实现列车安全防护。就所需的车地无线技术而言，可分为无线局域网（WLAN）制式和时分多址LTE（TD-LTE）制式。

　　目前我国城际铁路主要采用CTCS-2级或CTCS2+ATO列控制式，CTCS-2级列控制式无需使用车地无线通信进行控车信息的传送，而CTCS2+ATO是在CTCS-2级列控系统基础上，通过无线通信传送站台门控制和运行计划处理信息。就所需的车地无线技术而言，统一采用GSM-R制式。

　　基于市域铁路特点，其选用列控系统的主要原则是运行时速、发车间隔和互联互通，目前主流的CBTC或CTCS制式均可满足。

　　市域铁路无线调度语音通信主要是利用移动通信技术实现司机、行车保障人员、行车指挥人员之间的基本通话保障，以及群组通话、优先级通线 车载视频监视业务

　　车载视频监视是指在列车驾驶室、列车车厢内进行视频监视，以供相关人员使用。目前通常采用人工取回或实时车地传送的方式，鉴于市域铁路旅程时间长、在途情况多发，同时考虑未来发展，建议采用实时车地传送方式。

　　列车紧急文本是指地面乘客信息服务器传送给车载终端的文本信息，用于地面运营指挥人员对列车内乘客发布运营消息、紧急消息等。目前通常采用司机广播、乘务人员临时通知的方式，鉴于市域铁路的客流特征主要为通勤、通商、通学性质，对在途信息获取需求较为强烈，建议采用实时车地传送方式。

　　列车运行状态监测业务主要是将传感器采集到的列车关键参数实时传送到地面监测中心，目前通常是列车回库检修时，人工将数据下载并进行分析。遇到难以解决的故障，无法提前准备备件，将影响第二天的运行。鉴于市域铁路具有高密度、公交化的特点，大量列车在网运行，如果不能实时掌握列车状态，提前作出维护维修判断，会对运输效率造成极大影响，因此建议采用实时车地传送方式[3]。

　　目前，随着市域交通智能化、信息化的发展，对车地间信息传送需求越来越强烈，诸如车车通信、旅客上网、在途旅游引导、实时电视转播等，均受限于移动通信系统的带宽和制式而无法应用。

　　从根本而言，移动通信系统主要解决的是移动体和固定体、移动体和移动体之间的通信需要，在轨道交通行业发展初期，由于信息化普及程度不高，移动通信主要是“打电话”的需求，即将固定电话移动起来。但随着物联网概念的提出，移动体的本质发生了变化，发生了由“人”向“机器”的转变。

　　目前的轨道交通领域，无论是城市内地铁还是城市间的城际铁路或高速铁路，对移动通信系统的基本需求都是一致的，即高速度（120~350 km/h）、大带宽、低时延。市域铁路作为轨道交通体系中的先进代表，应既满足智能化运行的需要，也兼顾经济性的要求，因此选择适用的移动通信系统必须从频率使用、建网投资、产业链成熟度等多方面进行综合考虑。

　　我国铁路专用移动通信系统遵循全程全网原则，在全国范围内，主要采用GSM-R系统作为主要铁路移动通信技术制式，目前GSM-R网络覆盖了高速铁路、客运专线、城际铁路和部分普速线 万km。

　　GSM-R基于GSM技术，是在充分考虑铁路运输调度指挥的实际需求和列车高速移动特点而制定的，除提供基本的移动通信系统中语音业务、数据业务外，还针对铁路特殊需求，引入GSM phase2+阶段的高级语音呼叫项目（ASIC），包括话音组呼业务（VGCS）、话音广播呼叫业务（VBS）、增强多优先级抢占与强拆

　　鉴于铁路全国性路网结构的特殊性，工业和信息化部为铁路分配的885~889/930~934 MHz共计4 MHz的频率在全国范围内使用。但GSM-R做为第二代窄带通信系统，4 MHz带宽业务承载能力有限，尤其在城市中的铁路车站、枢纽等地区及交越并线区域已出现系统内部同频、邻频干扰严重、系统资源受限等问题。同时，我国铁路正逐步向智能铁路方向发展，提高铁路运输管理水平，开展多媒体应用，建设铁路物联网，实现机车车辆信息化管理、移动票务和电子商务等均可有效提高铁路运输组织效率和改善服务水平。这些需求对铁路专用移动通信系统提出了更高要求。

　　中国铁路总公司从2011年开始设立多个LTE-R相关课题，并于2015年成立专门技术研究工作组，围绕LTE-R的核心技术、与GSM-R的兼容性、工程过渡方案等开展科学研究，力争掌握自主知识产权的LTE-R关键技术和关键产品，引领国际行业标准的制定。目前我国铁路已在京沈客专（辽宁段）170 km的线路上开展了LTE-R外场试验。

　　城市轨道交通车地无线通信是保障城市轨道交通安全运营的重要环节，随着轨道交通网络化运营以及自动化程度的进一步提高，城轨车地通信的重要性也在进一步增强。目前的主流制式主要有WLAN和LTE-M两种。

　　地铁WLAN系统目前主要采用802.11 n 技术制式。802.11 n可同时工作在2.4 GHz、5.8 GHz频段，互不干扰，并使用了先进的多天线收发技术（MIMO）和正交频分复用技术（OFDM）以提高数据传输速率，可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54 Mb/s、108 Mb/s，提升到300 Mb/s甚至更高[5]。

　　WLAN技术在带宽上可满足地铁需求，但是在列车快速移动时，系统需要较大的控制信息开销以克服因快速移动带来的多普勒频移、衰落等，有效带宽低；在电磁环境较为复杂的建筑密集市区地面/高架线路条件下，系统更容易受到外界干扰，导致系统性能降低。对于时速100 km及以上的线路，WLAN技术难以提供稳定带宽和通信质量保障。

　　LTE-M是为满足城市轨道交通综合业务承载需求所采用的宽带移动通信系统，基本架构沿用TD-LTE系统制式，仅在服务质量和系统可靠性方面针对城轨需求进行了指标层面的定义，使其在保证CBTC车地信息传输基础上，可同时传输车载视频监视（CCTV）、乘客信息系统（PIS）、列车运行状态监测、集群调度业务等信息。LTE-M系统主要设备组成及接口示意见图1。

　　2015年之前，城市轨道交通车地通信主要通过WLAN实现，该方案存在安全性差、覆盖难、切换频繁、移动场景带宽低、干扰源多等问题。

　　随着LTE-M系统的产业链日趋完善，标准体系逐步建立，自2016年起越来越多的城轨专用移动通信系统遵照LTE-M技术制式进行建设。与基于IEEE标准的无线局域网技术制式不同，LTE技术是基于3GPP标准的广域无线技术制式，这种源于通信产业的LTE技术在底层架构上更加侧重于通过硬件设计来提升系统的可靠性。

　　日本市域铁路和城际铁路主要采用一种自定义的列车无线通信制式（Train Radio System，TRS）。

　　TRS系统采用频分多址（FDMA）技术，将语音通信、列车控制等信息分别承载在不同的频率上进行传输，但由于TRS使用了私有的无线通信协议，系统互联互通性较差。同时，为满足列车上日益增加的旅客服务需求，日本东海旅客铁道公司和西日本旅客铁道公司以700型新干线型车上建成宽带WLAN系统，为旅客提供Wi-Fi无线 法国

　　在法国郊区线路上，对于正常运量的铁路线路一般采用固定闭塞的信号系统方案。对于交通拥挤的大都市型线路，一般采用基于移动闭塞的CBTC信号系统方案。

　　金山支线铁路是连通上海市金山区与中心城区的市域铁路，于2012年9月29日通车运行，其利用原金山货运铁路支线，并进行了满足市域性特点的改扩建（如公交化运营、一站直达和站站停双模式运行、增设车站、提速至160 km/h等），移动通信系统采用铁路GSM-R制式，并纳入中国铁路上海局集团有限公司运维管理，极大地节约了维护成本[6]。

　　结合城市发展特点与规模，温州已组织实施市域铁路S1、S2、S3线等工程，并最终规划建设S1、S2、S3、S4和M1、M2共6条市域铁路，总长度达361.8 km，除温州城区，还将连接乐清、永嘉、洞头等周边城市。

　　从国际移动通信技术发展看，宽带化、融合化是必然趋势，只有宽带移动通信系统才能在满足运营所需各类业务使用的同时，兼顾乘客在旅程中其他信息化需要。而宽带移动通信系统的推广，首先要解决的就是频率问题，目前，城市轨道交通已经很好地解决了这个难点，并将LTE-M制式广泛使用在地铁、云轨、低速磁浮、有轨电车等交通方式中。

　　通过对市域铁路无线通信系统应用需求的分析，同时对比多种无线通信系统制式的优缺点，并对无线覆盖抗干扰技术、承载列控信息传送的网络服务质量指标及网络互联互通技术进行探讨，提出如下结论与建议：

　　（1）列车控制技术是为满足市域铁路快速、高密度、公交化、潮汐运输的关键技术，而传统的点式、固定闭塞等控制方式已无法满足需求，车地/车车控制信息传送等对专用移动通信系统提出了更高要求；

　　（2）车地间的信息传送，除承载传统列车控制类业务外，随着市域交通智能化、信息化需求的涌现，监测监控类、视频类、乘客服务类等业务也迫切需要通过无线方式来实现；

　　随着5G时代的到来，市域铁路的通信技术将迎来飞跃式的发展，如果您也有市域铁路领域的相关主题内容，欢迎您的投稿，11月15-16日我们即将在上海举办“2019市域铁路发展大会”，也欢迎您参与其中！国内目前已运营市域（郊铁路）56条、在建81条、规划33条等，下一个轨交风口已经来临...