浅谈LTE-M技术在城市轨道交通中的应用

2020-08-13

广东通信技术 2020年7期

1 引言

WLAN技术作为一种成熟的无线通讯技术，在2004年开始大量应用在城市轨道交通车地通信中。随着技术的不断迭代更新，更多的通信技术在通信PIS系统（乘客信息系统）中应用，但是WLAN技术仍然被大量运用于现阶段的通信，甚至在通信网络中存在大量WLAN网络的叠加的情况。纵观当前的城市轨道交通车地无线通信现状，无线通信设备大量采用2.4 GHz的WLAN技术。由于WLAN技术的工作频段是公开的，通信传输难以持久的保持稳定和健壮，而各种频段的叠加会对车地无线通信系统引起一定程度上的扰动，甚至会引起城市轨道交通系统的安全问题。特别是在当前大力推动智能城市建设的背景下，各类移动智能终端会大范围普及，城市通信的干扰源也随之增加，该种情况会增大对车地无线通信系统的干扰。最近几年，城市轨道交通车地无线通信系统受干扰问题时有发生，大量的民用4G移动设备会使电磁环境变得复杂。例如，深圳环中线和蛇口线车地无线通信由于通信扰动，运行时多次发生突发性的紧急制动，使得多辆列车停运，造成了乘客滞留，对城市的稳定运转造成了不好的影响。

为解决以上问题，工信部[2015]65号文《工业和信息化部关于重新发布1 785—1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》建议可用于城市轨道交通中进行无线通讯的频段主要为1 785—1 805 MHz频段。基于此，可以构建基于LTE技术及专用无线频点（1.8 GHz）的新型车地无线通信系统。

为了充分的利用专用频段，搭建新型创新的城市轨道交通车地无线通信系统，通过城市轨道交通协会技术装备专业委员会的通力合作，进行了LTE-M行业使用标准的制定。利用统一的LTE-M系列技术标准，有望进行城市轨道交通车地无线通信系统的规范化生产，可以解决不同信道之间的干扰，使得不同线路车地无线通信系统之间可以进行相互通讯。LTE-M系列规范包括几种类型:系统需求、架构及功能规范、接口规范、系统设备规范、系统设备测试规范及工程规范。

2 LTE-M技术在城市轨道交通中的工程架构

通过采用LTE-M技术架构，可以实现车地之间的实时信息交换功能，为有轨电车运营的固定用户和移动用户之间的语音和数据信息交换提供可靠的通信手段，实现控制中心与车辆及段、场内维修人员的无线语音通信和数据传输，并在控制中心实现录音功能。

无线通信系统为列车与地面提供车地无线传输通道。本工程车地无线须传输的信息主要包括语音集群调度（中心调度员与司机及沿线各移动用户的通话）、数据（信号控制信息、票务系统交易及其他数据信息、车辆状态信息、紧急信息文本等）、视频（车载视频监视和PIS视频信息等）三大类，其中无线集群调度系统是保证行车安全、提高运输效率和管理水平、改善服务质量的重要手段，在紧急情况下应能迅速转变为供防灾救援和事故处理的指挥通信系统。

其基于3GPP、LTE-M标准的TD-LTE技术构建的车地无线通信系统组网架构如图1所示。

图1 系统组网架构图

（1）在车辆段控制中心机房部署核心网EPC、核心交换机、调度服务器、网管服务器、二次开发服务器、录音服务器等，EPC通过传输网络与部署在充电站、车辆段机房的基站（BBU）建立IP连接，实现LTE的S1接口，网管实时监控全网的设备工作状态。

（2）在线路上的车站各充电所和车辆段设备室部署无线基站BBU，BBU通过专用传输系统设备连接，完成EPC与BBU所需的IP连接通道；BBU通过光纤与沿线的RRU连接。BBU采用全球导航卫星系统（GNSS）作为主用同步方式，1588V2为备用同步方案。

（3）在线路轨旁部署无线射频单元RRU和定向天线，覆盖轨道沿线；在车辆段和停车场区域通过定向天线进行覆盖。

（4）在列车车头、车尾各安装一台车载TAU和车载台，用于列车语音调度和数据信息接入车地无线网络。

系统的率规划方案，采用按照5 MHz带宽单网同频组网，承载宽带集群业务、信号业务信息、PIS紧急文本、车载视频监控图像上传（频率资源具备时实现）等。系统无线覆盖指标为，于信号车载台，在增益为0 dBi的机车车顶天线处的最小参考信号接收功率(RSRP)不低于-95 dBm，信干噪比不低于3 dB，采用适场景的多样无线覆盖方式。目前该系统已经施工完成，处于封闭测试阶段。

3 LTE-M技术的特点及优势

与目前的地铁车地无线采用的无线局域网技术相比。LTE技术应用在车地无线通信系统中的优势如下：LTE技术支持高速移动性。LTE技术能够比无线局域网适应更高的移动速度。LTE理论上可以支持到350 km/h的移动速度。LTE网络使用专用频段（1.8 GHz（1 785～1 805 MHz）和1.4 GHz（1 447～1 467 MHz）），不是无线局域网的开放频段，因此不存在无线干扰。而脱胎于LTE技术的LTE-M除了具备上述优势，还具有以下特点：

（1）传输速率高且抗干扰能力强：LTE-M是为适应物联网提出的一种技术，其源于TD-LTE技术，适用于高速移动环境，采用专用频段及融合相关抗干扰技术，规避公众开发型号频段干扰及系统内部干扰。

（2）覆盖范围广，稳定性及兼容性强：LTE-M覆盖范围可以达到传统WIFI的3倍，且技术能与现有轨道交通中应用的技术如MIMO、OFDM等相兼容[2]，同时由于其源自于现有成熟的通信传输技术，因此稳定性强。

（3）简化网络结构，易维护：由于LTE-M相比传统的传输网络覆盖范围大，因此相对应的无线设备需求量减少，且设备的维护难度小，大大减少系统的运维成本。

（4）支持多业务优先，符合轨道交通需求：LTE-M技术支持多业务优先级，在轨道交通中应用，可以根据实际业务应用需求和线路特点，针对不同的业务类型分配与之对应的优先级[1]。例如，对于列车上的控制信号，应当优先保证其传输。

4 LTE-M技术在城市轨道交通中的实际应用案例

中国普天作为国家信息通信产业的国家队，通过强化自主创新，大力发展TD-LTE产品，积极参加TD-LTE及演进版本TD-LTE+的标准化工作，先后完成工业与信息化部组织的POC室内外测试工作、TD-LTE概念验证工作及IOT测试工作，同时积极参加中国移动组织的“6+1”城市规模试验工作并承建南京TD-LTE规模实验网，为LTE-M的研究积累了充足的技术和经验。

普天城市轨道交通LTE-M系统解决方案以满足现代化轨道交通车地通信业务需求为设计原则，能够在保证列车运行控制系统安全可靠性的同时，实现城市轨道交通车地通信业务的统一综合承载。面对现代化城市轨道交通运营中车辆运行高速化、视频监控实时化、车载业务宽带化的趋势和挑战，该系统提供了一条崭新的宽带无线通道，即建设一套网络能够同时提供专业的数据传输、视频传输以及宽带集群业务。2015年，该方案荣获行业信息化“专家推荐优秀解决方案奖”，2017年，获通信及行业信息化优秀解决方案“创新实践奖”。普天城市轨道交通LTE-M系统架构如图2所示。

普天LTE-M无线网络系统解决方案在青岛地铁13线智能控制系统、甘肃天水有轨电车智能控制系统、广州黄埔有轨电车1号线智能控制系统中得到应用。通过城轨环境下LTE系统承载CBTC、PIS（含紧急文本信息）、视频监控等车地通信能力的验证。

图2 普天城市轨道交通LTE-M系统架构图

广州黄埔区有轨电车1号线（长岭居-萝岗）起于香雪站，终于永和新丰站，线路全线约14.34 km，路基段长度约12.05 km，桥梁段长度约1.51 km，框架及U型槽位长度约0.78 km，平均站间距约0.75 km，最大站间距约1.18 km（位于水西北站至北师大实验学校站区间），最小站间距0.37 km（位于香雪站至开萝大道站区间）。全线共20座车站，近期设站19座，配置列车16辆。

广州黄埔有轨电车1号线智能控制系统中的LTE 无线通信频段1 795～1 805 MHz，采用LTE-M制式，综合承载通信、信号、列车运行状态监测业务等专业的车地业务信息，包括：不限于CBTC业务信息、PIS紧急文本、PIS直播信息、车载视频监控图像上传、车辆状态信息上传、集群调度信息等，为轨道交通固定用户与移动用户之间、移动用户与移动用户之间提供可靠的通信手段，对于行车安全、提高运营效率和管理水平、改善服务质量、应对突发事件提供了重要保证。

车站区间/到车辆段的宽隧道/U型槽业务需求：每辆车上行2路视频监控，上行4 Mpbs,下行PIS信息8 Mbps。停车场/车辆段的业务需求：停车场/车辆段内可以同时调2路视频监控信号上传，上行4 Mpbs；在非运营时段，通过无线通信下载录播信息到车辆，下行8 Mbps。RRU和漏缆的连接方案中，4 path RRU采用单向2 path方案覆盖，RRU两端的遍缆覆盖属于同一小的分区；RRU的射頻信号通过多频合分路器，与其它系统的信号合路后一起连接到漏缆。

在车载无线覆盖方案中，单极化列车车载天线尺寸为260x100x90 mm（长×宽×高）。每辆列车需安装2个，在列车中心线上安装，天线间距2 m，天线间连线与列车长度方向一致。在该方案中，车头和车尾的车载终端TAU互相备份，同一时间中只有一个TAU在收发数据；采用2个天线能够利用LTE的多发多收技术，提高数据流量。