引言
城市轨道交通系统结构极其复杂，通常由车站、轨道线路、检修基地、停车场、指挥中心等土建场所及车辆、供电、通信、信号、综合监控、通风空调、排水等系统组成。由多套系统共同为运营、维护提供承载。一般车辆运营采用基于TETRA系统，CBTC控制信号以及自动驾驶多数由WLAN技术提供，车载PIS以及车载CCTV信息也采用WLAN提供。三套独立的系统，投资造价方面增加了成本，也增加了统一调度的复杂性，区域内设备过多在系统升级、维护完整性方面具有风险和漏洞。
1 LTE-M 技术在城市轨道交通中的工程架构
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。
2 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,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.例如，对于列车上的控制信号，应当优先保证其传输。
3 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。
总结
随着我国经济建设的不断推进，城市轨道交通的建设力度将越来越大，作为轨道交通运行的核心，车地通信技术的应用愈加收到重视。本文对 LTE-M 车地无线通信技术在城市轨道交通中的应用进行探究，并着重分析技术框架及技术优势；通过技术方案在实际工程项目中落地实施，进一步探讨 LTE-M 技术在城市轨道交通中应用。
参考文献
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[5]谢志锋，武宁。 5G通信技术在城市轨道交通中的应用 [J]. 中国新通信， 2021, 23 （05）： 11-12.
作者简介：
姓名： 叶少棠 （出生 2003 年 1 月 23日） 性别：男 民族：汉 籍贯(省市) ：重庆市 学历：大学本科 现工作或学习单位及职称：佳木斯大学
