地铁通信专用无线系统覆盖及网络优化研究

地铁通信专用无线系统覆盖及网络优化研究

石林

天津轨道交通运营集团有限公司，天津市西青区，300392

摘要：地铁通信系统是整个地铁的中心环节,是保障地铁能够正常运行的基础。地铁传输网络一般根据网络站点数量的多少，设计成一个二纤双向复用段保护环或者两个相交的复用段保护环。本文主要对地铁通信专用无线系统覆盖及网络优化进行研究。

关键词：地铁通信；专用无线系统；网络优化

引言

随着经济增长和国家城镇化推进，地铁作为一种经济、绿色、稳定的出行方式，在市民的日常生活中扮演着越来越重要的角色。而对地铁行业来说，乘客的生命财产安全永远是放第一位的。为保障列车的安全运行，地铁公司需要对其设备安全、隧道安全以及信息安全等环节进行严格的管控。21世纪是信息的世纪，随着地铁运营里程和客运量的不断增长，随之而来的便是海量的数据信息，而如何保证这些信息的安全对地铁的安全、有序运行至关重要。

1智能PIS导引

在原乘客信息系统基础上，将站台吊挂PIS屏取消，替换为2180mm（86in）4K分辨率长条型LCD屏，接入既有PIS系统，并将播控器升级为4K播控器，满足更高清晰度要求。2180mm（86in）长条形PIS屏嵌入式安装于站台屏蔽门上方，站台门顶箱结构需预留PIS屏安装接口，同时原PIS播控系统通过车辆承重或车厢客流密度分析设备，利用PIS车地无线通信网络将列车拥挤度信息上传至地面控制中心PIS系统，由中心下发至列车下一站PIS系统并显示。出入口一体化导向门匾采用灯箱体与2180mm（86in）长条形LCD屏结合安装，替代原整条灯箱导向牌；通信专业向装修导向专业提供LCD屏尺寸信息及安装要求，电源及数据传输由通信专业负责。出入口一体化导向门匾将不可变动信息依旧用灯箱显示，如车站名称，出入口编号等；对于因季节变化及运营突发事件等情况可能变化的信息，由电子屏负责显示，包括车站开关站信息、首发末班车信息、车站疫情防控信息等，提高乘客乘车效率。另外，通过PIS与互联网的接口，将列车到站等信息推送给地铁官方APP，乘客可直接在站外通过查看APP了解相关列车运营及到站信息，达到精准信息的推送要求。

2专用通信系统

①乘客信息系统终端主要以站厅及站台吊挂PIS屏为主，其中站台PIS吊挂于站门候车区域。由于站台横向及纵向空间有限，吊挂PIS屏对站台监控造成遮挡，同时与站台导向牌安装位置冲突对乘客导引及信息展示造成乘客信息获取不便，无法达到乘客精准化服务需求。②视频监视系统建设已由原模拟标清全面转入数字高清，但依然自动化及智能化程度不够高，往往需要人力全天候对着监视屏，观察地铁车站运营情况。如今人工智能等技术发展异常迅猛，各类智能视频分析应用可提高运营管理效率、降低运营人工成本，同时也为运营车站全系统感知管控提供可能。

3民用通信5G应用

由于既有线路分布系统建设时间较早，网络现状复杂多样，5G网络升级改造存在以下难点：（1）民用通信所需的空间、桥架、机房、电源等资源在建设期由地铁公司统一规划，资源冗余量预留较少。（2）大部分既有线路的配套资源仅满足4G网络建设需求，采用的天线、器件、馈线均为800-2700MHz频段，不支持3.5GHz5G频段。现有POI根据前期运营商需求定制，不支持移动2.6GHz5G频段和电联3.5/2.1/1.8GHz5G频段。增加5G后，机房电源容量需求平均在150KVA左右，现有机房的电源容量平均在90KVA左右，基本不满足5G建设需求。（3）地铁民用通信建设期早，分布系统资源整体考虑不足，器件支持情况复杂，摸排难度大。原有分布系统不变，新增一套5G有源分布系统来满足覆盖需求，优先新增光电复合缆，其次可新增六类线。此方案不影响原有分布系统，但新增一套5G有源分布系统的改造工程量稍大，且会影响原有站厅站台的美观，存在一定的协调难度。有源分布系统5G改造分为两步，首先将原有系统的无线射频单元替换为支持5G频段的无线射频单元，如无线射频单元和远端汇聚单元原有连接线缆为五类线，则需要替换为光电复合缆或六类线。第二步在热点区域补充适量E站，满足系统容量需求。

4微波量子通信技术在地铁中的应用

发送方Alice首先通过JPA过程制备好微波高斯量子态待调制，随后，Alice使用微波调制器将需要传递的密钥信息调制到量子态上，并通过天线将信号发出。由于波长的改变，发射端在发射信号时并不能完全保证信号的方向性，因此导致在计算信道透过率时，即使是完全相同的两个信道，微波CV-QKD的信道透过率计算方式与传统光波段CV-QKD完全不同。基于微波CV-QKD的量子通信方案能满足地铁日常生产作业中100m以内的特殊场景（例如室内短距离作业、室外作业或临时、紧急部署场景）安全通信的需求；且方案基于自由空间信道，设备部署更加灵活，可适用于多用户场景；微波CV-QKD的信道衰减和背景光噪声相对于传统的光波段CV-QKD更加严重；信道透过率可通过增大发射增益和增大接收器孔径提升，但是接收器口径的增大会给系统带来更严重的背景光噪声，实际设计的时候需要平衡。

5量子照明雷达

量子照明方案是基于量子光场的纠缠特性来增强低反射率目标物体的探测性能，其原理是利用纠缠光源产生的信号光来探测目标物体，并将回波信号与本地闲置光进行联合测量判定障碍物是否存在。系统首先生成存在纠缠关系的信号光闲置光，随后将信号光对拟探测区域发射、闲置光则保留在本地。若探测区域存在障碍物，则信号光经过障碍物的反射后返回本地，本地接收到的信号为信号光和背景噪声的混合信号；若目标区域不存在障碍物，则本地接收到的信号全为背景噪声。随后，本地将接收到的信号与一直存储在本地的闲置光进行联合测量，由于信号光和闲置光之间存在纠缠关系，若联合测量结果表明返回信号与闲置光存在相关性，则判定障碍物存在，列车司机需要做出应急操作；若联合测量结果表示返回信号和闲置光之间不存在相关性，则目标区域不存在障碍物，列车可保持原有的形成状态。基于高斯态量子照明方案的雷达系统的理论探测性能相较于经典的相干态方案有明显优势，体现了引入量子纠缠效应进行测量的效果；且该方案能适应障碍物低反射率（κ≤0.03）、高背景噪声环境（例如室外高架路段）等恶劣条件情形。对于高斯态量子照明雷达方案，可通过提高发射模数量或提高每个模的平均光子数来进一步提升探测性能，降低探测错误概率。对实验器件的研制、实验系统的集成化、实验系统与地铁列车的兼容将是我们下一步需要继续研究的问题。

结语

地铁专用无线通信系统是提高运营效率、确保行车安全、组织防灾抢险等重要的调度通信工具，专用无线信号的覆盖直接关系到列车的安全运营，因此，分析无线链路损耗，研究无线网络规划，对于提高无线网络的可靠性和稳定性具有重要的意义。

参考文献

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