1 引言

WLAN技術(shù)作為一種成熟的無線通訊技術(shù)，在2004年開始大量應(yīng)用在城市軌道交通車地通信中。隨著技術(shù)的不斷迭代更新，更多的通信技術(shù)在通信PIS系統(tǒng)（乘客信息系統(tǒng)）中應(yīng)用，但是WLAN技術(shù)仍然被大量運(yùn)用于現(xiàn)階段的通信，甚至在通信網(wǎng)絡(luò)中存在大量WLAN網(wǎng)絡(luò)的疊加的情況。縱觀當(dāng)前的城市軌道交通車地?zé)o線通信現(xiàn)狀，無線通信設(shè)備大量采用2.4 GHz的WLAN技術(shù)。由于WLAN技術(shù)的工作頻段是公開的，通信傳輸難以持久的保持穩(wěn)定和健壯，而各種頻段的疊加會(huì)對(duì)車地?zé)o線通信系統(tǒng)引起一定程度上的擾動(dòng)，甚至?xí)鸪鞘熊壍澜煌ㄏ到y(tǒng)的安全問題。特別是在當(dāng)前大力推動(dòng)智能城市建設(shè)的背景下，各類移動(dòng)智能終端會(huì)大范圍普及，城市通信的干擾源也隨之增加，該種情況會(huì)增大對(duì)車地?zé)o線通信系統(tǒng)的干擾。最近幾年，城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)受干擾問題時(shí)有發(fā)生，大量的民用4G移動(dòng)設(shè)備會(huì)使電磁環(huán)境變得復(fù)雜。例如，深圳環(huán)中線和蛇口線車地?zé)o線通信由于通信擾動(dòng)，運(yùn)行時(shí)多次發(fā)生突發(fā)性的緊急制動(dòng)，使得多輛列車停運(yùn)，造成了乘客滯留，對(duì)城市的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)造成了不好的影響。

為解決以上問題，工信部[2015]65號(hào)文《工業(yè)和信息化部關(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》建議可用于城市軌道交通中進(jìn)行無線通訊的頻段主要為1 785—1 805 MHz頻段?；诖?，可以構(gòu)建基于LTE技術(shù)及專用無線頻點(diǎn)（1.8 GHz）的新型車地?zé)o線通信系統(tǒng)。

為了充分的利用專用頻段，搭建新型創(chuàng)新的城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)，通過城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備專業(yè)委員會(huì)的通力合作，進(jìn)行了LTE-M行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)的制定。利用統(tǒng)一的LTE-M系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有望進(jìn)行城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的規(guī)范化生產(chǎn)，可以解決不同信道之間的干擾，使得不同線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)之間可以進(jìn)行相互通訊。LTE-M系列規(guī)范包括幾種類型:系統(tǒng)需求、架構(gòu)及功能規(guī)范、接口規(guī)范、系統(tǒng)設(shè)備規(guī)范、系統(tǒng)設(shè)備測(cè)試規(guī)范及工程規(guī)范。

2 LTE-M技術(shù)在城市軌道交通中的工程架構(gòu)

通過采用LTE-M技術(shù)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)車地之間的實(shí)時(shí)信息交換功能，為有軌電車運(yùn)營(yíng)的固定用戶和移動(dòng)用戶之間的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息交換提供可靠的通信手段，實(shí)現(xiàn)控制中心與車輛及段、場(chǎng)內(nèi)維修人員的無線語(yǔ)音通信和數(shù)據(jù)傳輸，并在控制中心實(shí)現(xiàn)錄音功能。

無線通信系統(tǒng)為列車與地面提供車地?zé)o線傳輸通道。本工程車地?zé)o線須傳輸?shù)男畔⒅饕ㄕZ(yǔ)音集群調(diào)度（中心調(diào)度員與司機(jī)及沿線各移動(dòng)用戶的通話）、數(shù)據(jù)（信號(hào)控制信息、票務(wù)系統(tǒng)交易及其他數(shù)據(jù)信息、車輛狀態(tài)信息、緊急信息文本等）、視頻（車載視頻監(jiān)視和PIS視頻信息等）三大類，其中無線集群調(diào)度系統(tǒng)是保證行車安全、提高運(yùn)輸效率和管理水平、改善服務(wù)質(zhì)量的重要手段，在緊急情況下應(yīng)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣┓罏?zāi)救援和事故處理的指揮通信系統(tǒng)。

其基于3GPP、LTE-M標(biāo)準(zhǔn)的TD-LTE技術(shù)構(gòu)建的車地?zé)o線通信系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)圖

（1）在車輛段控制中心機(jī)房部署核心網(wǎng)EPC、核心交換機(jī)、調(diào)度服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、二次開發(fā)服務(wù)器、錄音服務(wù)器等，EPC通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與部署在充電站、車輛段機(jī)房的基站（BBU）建立IP連接，實(shí)現(xiàn)LTE的S1接口，網(wǎng)管實(shí)時(shí)監(jiān)控全網(wǎng)的設(shè)備工作狀態(tài)。

（2）在線路上的車站各充電所和車輛段設(shè)備室部署無線基站BBU，BBU通過專用傳輸系統(tǒng)設(shè)備連接，完成EPC與BBU所需的IP連接通道；BBU通過光纖與沿線的RRU連接。BBU采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）作為主用同步方式，1588V2為備用同步方案。

（3）在線路軌旁部署無線射頻單元RRU和定向天線，覆蓋軌道沿線；在車輛段和停車場(chǎng)區(qū)域通過定向天線進(jìn)行覆蓋。

（4）在列車車頭、車尾各安裝一臺(tái)車載TAU和車載臺(tái)，用于列車語(yǔ)音調(diào)度和數(shù)據(jù)信息接入車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)的率規(guī)劃方案，采用按照5 MHz帶寬單網(wǎng)同頻組網(wǎng)，承載寬帶集群業(yè)務(wù)、信號(hào)業(yè)務(wù)信息、PIS緊急文本、車載視頻監(jiān)控圖像上傳（頻率資源具備時(shí)實(shí)現(xiàn)）等。系統(tǒng)無線覆蓋指標(biāo)為，于信號(hào)車載臺(tái)，在增益為0 dBi的機(jī)車車頂天線處的最小參考信號(hào)接收功率(RSRP)不低于-95 dBm，信干噪比不低于3 dB，采用適場(chǎng)景的多樣無線覆蓋方式。目前該系統(tǒng)已經(jīng)施工完成，處于封閉測(cè)試階段。

3 LTE-M技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

與目前的地鐵車地?zé)o線采用的無線局域網(wǎng)技術(shù)相比。LTE技術(shù)應(yīng)用在車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)如下：LTE技術(shù)支持高速移動(dòng)性。LTE技術(shù)能夠比無線局域網(wǎng)適應(yīng)更高的移動(dòng)速度。LTE理論上可以支持到350 km/h的移動(dòng)速度。LTE網(wǎng)絡(luò)使用專用頻段（1.8 GHz（1 785～1 805 MHz）和1.4 GHz（1 447～1 467 MHz）），不是無線局域網(wǎng)的開放頻段，因此不存在無線干擾。而脫胎于LTE技術(shù)的LTE-M除了具備上述優(yōu)勢(shì)，還具有以下特點(diǎn)：

（1）傳輸速率高且抗干擾能力強(qiáng)：LTE-M是為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)提出的一種技術(shù)，其源于TD-LTE技術(shù)，適用于高速移動(dòng)環(huán)境，采用專用頻段及融合相關(guān)抗干擾技術(shù)，規(guī)避公眾開發(fā)型號(hào)頻段干擾及系統(tǒng)內(nèi)部干擾。

（2）覆蓋范圍廣，穩(wěn)定性及兼容性強(qiáng)：LTE-M覆蓋范圍可以達(dá)到傳統(tǒng)WIFI的3倍，且技術(shù)能與現(xiàn)有軌道交通中應(yīng)用的技術(shù)如MIMO、OFDM等相兼容[2]，同時(shí)由于其源自于現(xiàn)有成熟的通信傳輸技術(shù)，因此穩(wěn)定性強(qiáng)。

（3）簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易維護(hù)：由于LTE-M相比傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，因此相對(duì)應(yīng)的無線設(shè)備需求量減少，且設(shè)備的維護(hù)難度小，大大減少系統(tǒng)的運(yùn)維成本。

（4）支持多業(yè)務(wù)優(yōu)先，符合軌道交通需求：LTE-M技術(shù)支持多業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，在軌道交通中應(yīng)用，可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用需求和線路特點(diǎn)，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)類型分配與之對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)[1]。例如，對(duì)于列車上的控制信號(hào)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保證其傳輸。

4 LTE-M技術(shù)在城市軌道交通中的實(shí)際應(yīng)用案例

中國(guó)普天作為國(guó)家信息通信產(chǎn)業(yè)的國(guó)家隊(duì)，通過強(qiáng)化自主創(chuàng)新，大力發(fā)展TD-LTE產(chǎn)品，積極參加TD-LTE及演進(jìn)版本TD-LTE+的標(biāo)準(zhǔn)化工作，先后完成工業(yè)與信息化部組織的POC室內(nèi)外測(cè)試工作、TD-LTE概念驗(yàn)證工作及IOT測(cè)試工作，同時(shí)積極參加中國(guó)移動(dòng)組織的“6+1”城市規(guī)模試驗(yàn)工作并承建南京TD-LTE規(guī)模實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，為L(zhǎng)TE-M的研究積累了充足的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

普天城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)解決方案以滿足現(xiàn)代化軌道交通車地通信業(yè)務(wù)需求為設(shè)計(jì)原則，能夠在保證列車運(yùn)行控制系統(tǒng)安全可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車地通信業(yè)務(wù)的統(tǒng)一綜合承載。面對(duì)現(xiàn)代化城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中車輛運(yùn)行高速化、視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)化、車載業(yè)務(wù)寬帶化的趨勢(shì)和挑戰(zhàn)，該系統(tǒng)提供了一條嶄新的寬帶無線通道，即建設(shè)一套網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)提供專業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸、視頻傳輸以及寬帶集群業(yè)務(wù)。2015年，該方案榮獲行業(yè)信息化“專家推薦優(yōu)秀解決方案獎(jiǎng)”，2017年，獲通信及行業(yè)信息化優(yōu)秀解決方案“創(chuàng)新實(shí)踐獎(jiǎng)”。普天城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

普天LTE-M無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決方案在青島地鐵13線智能控制系統(tǒng)、甘肅天水有軌電車智能控制系統(tǒng)、廣州黃埔有軌電車1號(hào)線智能控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。通過城軌環(huán)境下LTE系統(tǒng)承載CBTC、PIS（含緊急文本信息）、視頻監(jiān)控等車地通信能力的驗(yàn)證。

圖2 普天城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)架構(gòu)圖

廣州黃埔區(qū)有軌電車1號(hào)線（長(zhǎng)嶺居-蘿崗）起于香雪站，終于永和新豐站，線路全線約14.34 km，路基段長(zhǎng)度約12.05 km，橋梁段長(zhǎng)度約1.51 km，框架及U型槽位長(zhǎng)度約0.78 km，平均站間距約0.75 km，最大站間距約1.18 km（位于水西北站至北師大實(shí)驗(yàn)學(xué)校站區(qū)間），最小站間距0.37 km（位于香雪站至開蘿大道站區(qū)間）。全線共20座車站，近期設(shè)站19座，配置列車16輛。

廣州黃埔有軌電車1號(hào)線智能控制系統(tǒng)中的LTE 無線通信頻段1 795～1 805 MHz，采用LTE-M制式，綜合承載通信、信號(hào)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)等專業(yè)的車地業(yè)務(wù)信息，包括：不限于CBTC業(yè)務(wù)信息、PIS緊急文本、PIS直播信息、車載視頻監(jiān)控圖像上傳、車輛狀態(tài)信息上傳、集群調(diào)度信息等，為軌道交通固定用戶與移動(dòng)用戶之間、移動(dòng)用戶與移動(dòng)用戶之間提供可靠的通信手段，對(duì)于行車安全、提高運(yùn)營(yíng)效率和管理水平、改善服務(wù)質(zhì)量、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供了重要保證。

車站區(qū)間/到車輛段的寬隧道/U型槽業(yè)務(wù)需求：每輛車上行2路視頻監(jiān)控，上行4 Mpbs,下行PIS信息8 Mbps。停車場(chǎng)/車輛段的業(yè)務(wù)需求：停車場(chǎng)/車輛段內(nèi)可以同時(shí)調(diào)2路視頻監(jiān)控信號(hào)上傳，上行4 Mpbs；在非運(yùn)營(yíng)時(shí)段，通過無線通信下載錄播信息到車輛，下行8 Mbps。RRU和漏纜的連接方案中，4 path RRU采用單向2 path方案覆蓋，RRU兩端的遍纜覆蓋屬于同一小的分區(qū)；RRU的射頻信號(hào)通過多頻合分路器，與其它系統(tǒng)的信號(hào)合路后一起連接到漏纜。

在車載無線覆蓋方案中，單極化列車車載天線尺寸為260x100x90 mm（長(zhǎng)×寬×高）。每輛列車需安裝2個(gè)，在列車中心線上安裝，天線間距2 m，天線間連線與列車長(zhǎng)度方向一致。在該方案中，車頭和車尾的車載終端TAU互相備份，同一時(shí)間中只有一個(gè)TAU在收發(fā)數(shù)據(jù)；采用2個(gè)天線能夠利用LTE的多發(fā)多收技術(shù)，提高數(shù)據(jù)流量。

5 總結(jié)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市軌道交通的建設(shè)力度將越來越大，作為軌道交通運(yùn)行的核心，車地通信技術(shù)的應(yīng)用愈加收到重視。本文對(duì)LTE-M車地?zé)o線通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用進(jìn)行探究，并著重分析技術(shù)框架及技術(shù)優(yōu)勢(shì)；通過技術(shù)方案在實(shí)際工程項(xiàng)目中落地實(shí)施，進(jìn)一步探討LTE-M技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用。