基于TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵通信系統(tǒng)

（中國移動通信研究院，北京 100053）

在早期人們已經(jīng)對鐵路移動通信系統(tǒng)進(jìn)行了較多的研究。GSM-R是歐洲專門為鐵路開發(fā)的移動通信系統(tǒng)，也早在2000年被鐵道部確定為我國鐵路數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)體制和發(fā)展方向。近幾年3G技術(shù)發(fā)展迅速，為解決高速率通信提供了較好的解決方案。但是2G、3G能夠提供的空口速率畢竟有限，尤其是高鐵時代的帶來，時速300 km/h，2G、3G通信系統(tǒng)面臨更多的挑戰(zhàn)。高速移動下多普勒效應(yīng)更為嚴(yán)重，速度的增加導(dǎo)致移動通信系統(tǒng)切換頻繁進(jìn)而影響通話質(zhì)量甚至導(dǎo)致掉話率的惡化，全封閉車廂帶來的信號穿透損耗大，一定程度地影響了空口速率進(jìn)而影響用戶體驗等。高鐵場景下，傳統(tǒng)2G、3G鐵路移動通信系統(tǒng)能夠提供的業(yè)務(wù)性能和業(yè)務(wù)體驗已經(jīng)捉襟見肘，研究更為合理的高鐵通信方案迫在眉睫。

本文將從TD-LTE技術(shù)出發(fā)探討高鐵通信系統(tǒng)架構(gòu)，研究基于TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵通信解決方案。

1 高鐵通信系統(tǒng)架構(gòu)

基于TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)最大的差別在于引入了HSR（High Speed Railway）回傳系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中基站與基站控制設(shè)備之間的有線鏈路。其中HSR系統(tǒng) 是 由 TAU（Train Access Unit）、eNode B-R 和EPC-R（Evolved Packet Core-Railway）構(gòu)成，其核心技術(shù)是TD-LTE的演進(jìn)技術(shù)。由于LTE能夠為350 km/h的高速移動用戶提供接入服務(wù)，因此引入HSR回傳系統(tǒng)有望解決高速移動下的通信問題。

高鐵引入回傳系統(tǒng)后，有線鏈路被無線鏈路取代，業(yè)務(wù)QoS將受到影響，另外無線鏈路相對有線鏈路穩(wěn)定性不足，能夠提供的速率有限，因此回傳系統(tǒng)的業(yè)務(wù)QoS保障和空口映射方案將是高鐵通信系統(tǒng)的研究重點。

圖1 高鐵通信系統(tǒng)架構(gòu)

2 高鐵QoS保障

高鐵運營初期以保證基礎(chǔ)的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，高鐵通信系統(tǒng)引入HSR回傳系統(tǒng)后對業(yè)務(wù)QoS的影響主要可以從3個方面進(jìn)行分析，即時延、丟分組率和數(shù)據(jù)速率，重點分析引入回傳系統(tǒng)后，業(yè)務(wù)QoS的變化情況，是否仍然能夠滿足通信要求，以及可行的優(yōu)化方法。

2.1 時延分析

在高鐵系統(tǒng)中，基站與基站控制設(shè)備之間傳統(tǒng)的有線接口由HSR系統(tǒng)代替，引入了額外的時延。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)本身對于時延的要求較低，因此重點分析引入時延對于話音和信令的影響。

2.1.1 話音

一般認(rèn)為，話音端到端時延在100～200 ms范圍開始被收聽者察覺，使會話不自然，建議的時延上限為150 ms[1]。因此，建議高鐵系統(tǒng)單向時延小于75 ms，以保證話音用戶感受。

對引入HSR系統(tǒng)后單向話音時延各項組成部分的分析如圖2所示。

（1）車廂內(nèi)空口時延：20 ms。參考TD-LTE實際測試空口時延15 ms，適當(dāng)留有余量。

（2）設(shè)備處理時延：5 ms。考慮到TAU與普通終端相比，要完成數(shù)據(jù)分組匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)功能，為其預(yù)留一定的處理時延。

（3）TD-LTE空口時延：15 ms。根據(jù)實際測試結(jié)果得到。

（4）回傳核心網(wǎng)時延：10 ms。參考實際核心網(wǎng)時延10 ms，但考慮到回傳核心網(wǎng)較簡單，因此此項時延留有較大余量。

（5）實際核心網(wǎng)時延：10 ms。根據(jù)NGMN對TD-LTE系統(tǒng)的建議值得到。

可見，在考慮預(yù)留的前提下，引入HSR系統(tǒng)后的話音單向時延為60 ms，與75 ms的要求有一定差距。因此引入HSR系統(tǒng)后，話音質(zhì)量可以滿足需求。

2.1.2 信令

引入HSR系統(tǒng)后，每條經(jīng)過Abis/Iub/S1接口的信令均增加20～30 ms的時延，這對于需要信令交互的流程將產(chǎn)生較大的影響，其中與用戶實際感受最為相關(guān)的是呼叫建立流程。經(jīng)某設(shè)備廠商對呼叫建立時延的測試，由回傳系統(tǒng)引入的額外時延在300 ms以下，相對于整體時延4.5～7 s可以忽略，因此不會影響實際用戶感受。

2.1.3 數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)本身對時延的要求較低，一般為1～10 s，且用戶對于時延的敏感度較低，因此數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗基本不受影響。

綜上所述，從話音、信令和數(shù)據(jù)3個角度分析，引入回傳系統(tǒng)后的時延能夠得到有效保障。

圖2 語音時延分析

2.2 丟分組率分析

表1 丟分組率要求

各類業(yè)務(wù)對丟分組率的需求如表1所示。車廂內(nèi)屬于相對靜止環(huán)境，空口質(zhì)量較好，產(chǎn)生丟分組主要由TD-LTE回傳空口造成，因此需要做好回傳空口的丟分組控制。LTE已經(jīng)有很多相應(yīng)的控制機制，如通過AMC、HARQ、功控等技術(shù)控制丟分組率，以達(dá)到滿足業(yè)務(wù)需求的目的。

2.3 數(shù)據(jù)速率分析

靜止或低速場景能夠提供的空口速率較高，相對高速場景優(yōu)勢明顯，這里速率分析主要分析高速場景。高速情況下，考慮到多普勒頻移、信道衰落等因素，TD-LTE空口數(shù)據(jù)速率衰落嚴(yán)重。在2.3GHz頻段、載波帶寬20 Mbit/s、上下行時隙比2:2、特殊子幀配置10:2:2、64QAM調(diào)制、2×2天線、移動速度為60 km/h環(huán)境下測試結(jié)果如表2所示。350 km/h情況下，TD-LTE空口數(shù)據(jù)速率將進(jìn)一步下降。為便于后續(xù)分析，暫假設(shè)低SINR下下行速率為4 Mbit/s，高SINR下速率為10 Mbit/s。

表2 高速場景下LTE空口速率測試結(jié)果

車廂內(nèi)通信系統(tǒng)為提供基本業(yè)務(wù)服務(wù)，需保障相應(yīng)的業(yè)務(wù)速率，因此回傳系統(tǒng)需提供對應(yīng)的回傳帶寬。根據(jù)一定的話務(wù)模型，分析得到各業(yè)務(wù)的帶寬需求如表3所示。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，回傳系統(tǒng)需最低達(dá)到2 Mbit/s的速率，才可以保證基本的話音和視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)需求，如可以提供更高的帶寬，則可以在車廂內(nèi)支持更多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。下面將從TD-LTE回傳系統(tǒng)的特征出發(fā)，詳細(xì)分析高鐵移動通信各場景能夠提供的速率情況。

表3 業(yè)務(wù)帶寬需求

TD-LTE空口用于高鐵回傳系統(tǒng)，具有以下特征。

（1）在高速場景下，TD-LTE回傳空口的數(shù)據(jù)速率有限，并且隨列車運行不斷起伏，在小區(qū)邊緣時能提供4 Mbit/s，運動到小區(qū)中心時能提供10 Mbit/s。

（2）通常狀態(tài)下一個小區(qū)內(nèi)為2個TAU用戶（一輛列車兩個動車組），兩車對開時最多為4個用戶，這時每個TAU的流量驟降。最極端場景為兩車同時從兩側(cè)邊緣開入小區(qū)，這時受影響時間最長，如圖3所示。

圖3 極端場景

針對以上特征，以列車AB所處位置分類，分析如下。

（1）小區(qū)內(nèi)只有一輛列車時，在小區(qū)邊緣單個TAU的TD-LTE回傳空口能達(dá)到2 Mbit/s的速率，可以保證話音信令和視頻監(jiān)控2個GBR承載的需求；當(dāng)列車逐漸接近小區(qū)中心， TD-LTE回傳空口速率提升，可以開始承載2G/3G及Wi-Fi數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（2）兩車對開且都處于小區(qū)邊緣時，單個TAU的TD-LTE回傳空口速率降到1 Mbit/s，可以認(rèn)為是速率低谷，此時只能滿足車廂內(nèi)話音業(yè)務(wù)需求。

（3）兩車對開，一車處于小區(qū)邊緣、另一車處于小區(qū)中心時，無法保證邊緣TAU的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)；由于仍有一半的空口資源被分配給邊緣TAU，所以小區(qū)中心TAU即使處于較好的無線環(huán)境中，回傳空口的速率仍然非常有限，只能承載少量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

整理如表4所示?？梢?，不同場景下，列車可使用的回傳空口帶寬以及可提供的業(yè)務(wù)種類、速率情況不同，在某些場景下空口資源匱乏，有待進(jìn)一步合理規(guī)劃。但總體來說各場景下基本通信需求都能得到一定的保障。

表4 各場景可用空口資源

綜上所述，從時延、丟分組率和數(shù)據(jù)速率3個角度分析，基于TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵通信系統(tǒng)能夠提供滿足需求的QoS保障。

3 TD-LTE空口承載映射方案

前幾節(jié)對高鐵通信系統(tǒng)的分析表明，引入TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵通信系統(tǒng)架構(gòu)能夠保障業(yè)務(wù)基本QoS需求，但可能受限于空口速率。文獻(xiàn)[2]研究了多媒體的無縫連接，但未考慮資源受限。下面本文將針對空口資源受限情況，在保障業(yè)務(wù)QoS前提下，探討有效的空口承載映射方案。

3.1 基于業(yè)務(wù)類型的基礎(chǔ)方案

在高鐵通信系統(tǒng)建設(shè)之初，應(yīng)首先保證基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，同時盡量簡化通信系統(tǒng)處理開銷，以保證落地方案的最大可用性，因此可以考慮不細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型，在保證業(yè)務(wù)QoS下，擬定基礎(chǔ)方案。

圖4 基礎(chǔ)方案

基礎(chǔ)方案僅區(qū)分話音、信令、視頻、數(shù)據(jù)4類業(yè)務(wù)。空口QoS保障的實現(xiàn)上，話音取EPS標(biāo)準(zhǔn)化值[3]QCI（QoS Class Identifier）為 3，對應(yīng) PDB[4]（Packet Delay Budget）為50 ms，PELR（Packet Error Loss Rate）=10-2；視頻監(jiān)控取QCI=4，對應(yīng)PDB=300 ms，PELR=10-3；對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用非GBR承載，取QCI=6，對應(yīng)PDB=300 ms，PELR=10-6。由于信令對丟分組率要求較高，同時為避免對呼叫建立時延的影響，應(yīng)盡量降低其時延，因此建議定義新的QCI等級10，對應(yīng)PDB=50 ms，PELR=10-8，以滿足信令要求。其空口承載映射方案如圖4所示。

3.2 基于數(shù)據(jù)等級的優(yōu)化方案

與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，高鐵TD-LTE回傳系統(tǒng)架構(gòu)下的回傳空口數(shù)據(jù)略顯復(fù)雜，它是多種通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的混合體。多種接入網(wǎng)數(shù)據(jù)流在TAU端匯聚，再經(jīng)過TD-LTE空口傳輸。TAU/eNB-R的數(shù)據(jù)分組與TD-LTE回傳空口承載的映射如圖5所示。然而對移動通信來說，空口資源是很有限的，尤其在高速移動下，空口資源受時變無線環(huán)境影響能夠提供的無線容量彌足珍貴，因此有必要研究更為合理的優(yōu)化解決方案。

優(yōu)化方案有必要讓TD-LTE空口區(qū)分出車廂內(nèi)AP類型、業(yè)務(wù)類型甚至是業(yè)務(wù)等級，為車廂內(nèi)用戶提供不同等級的服務(wù)。可從以下幾方面探討。

圖5 空口承載映射

（1）可根據(jù)資費（WLAN高于2G/3G）或運營策略（如體現(xiàn)TD-SCDMA優(yōu)勢）優(yōu)先保證來自某類AP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（2）優(yōu)先保證移動辦公等需求迫切的高端用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。

（3）優(yōu)先保證流量小、傳輸效率高且收益高的業(yè)務(wù)（如網(wǎng)頁瀏覽，幾十kbit/s），優(yōu)先丟棄流量大或傳輸效率低的業(yè)務(wù)（如QQ）等。

對此可將數(shù)據(jù)分為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)、中優(yōu)先級數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)。高優(yōu)先級數(shù)據(jù)可定為來自2G/3G網(wǎng)絡(luò)高端用戶的高價值數(shù)據(jù)，中優(yōu)先級數(shù)據(jù)指來自2G/3G網(wǎng)絡(luò)普通用戶的高價值數(shù)據(jù)和高端用戶的其它數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)指來自2G/3G網(wǎng)絡(luò)普通用戶的其它數(shù)據(jù)和Wi-Fi數(shù)據(jù)。在空口資源有限時優(yōu)先丟棄優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。實現(xiàn)上對話音、信令和視頻監(jiān)控采用基礎(chǔ)方案中空口承載策略。對于數(shù)據(jù)，進(jìn)一步修改承載級ARP(Allocation and Retention Priority)值，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)取ARP=1，中優(yōu)先級數(shù)據(jù)取ARP=2，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)取ARP=3進(jìn)行標(biāo)識，如圖6所示。

在實現(xiàn)方式上可以：TAU/eNB-R根據(jù)傳輸層IP分組頭的DSCP區(qū)分不同業(yè)務(wù)類型；TAU/eNB-R根據(jù)payload IP分組頭的DSCP區(qū)分不同的用戶等級，甚至對業(yè)務(wù)類型進(jìn)一步細(xì)分；TAU/eNB-R根據(jù)數(shù)據(jù)來源區(qū)分不同的車廂內(nèi)AP等。

3.3 對比及建議

通過上面分析，兩種方案呈現(xiàn)出各自的特點，對比如表7所示。

兩種方案在設(shè)計上是由淺到深，由易到難的，在實際部署時也需要保持一定的層次性。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之初，首先考慮基礎(chǔ)方案，在其的基礎(chǔ)上留出相應(yīng)的接口承接優(yōu)化方案，完成一些優(yōu)化方案中可行的簡單策略，當(dāng)有進(jìn)一步需求時，進(jìn)行TAU/eNB-R設(shè)備升級和深化TD-LTE空口資源分配策略研究，更合理地利用有限的空口資源。

4 結(jié)束語

本文針對高鐵移動通信系統(tǒng)面臨的種種挑戰(zhàn)，探討了基于TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵通信系統(tǒng)架構(gòu)，并從時延、丟分組率和數(shù)據(jù)速率角度對引入HSR系統(tǒng)的高鐵通信系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明，基于TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵移動通信系統(tǒng)能為業(yè)務(wù)提供有效的QoS保障。之后，針對在高速移動場景下空口資源匱乏的情況，結(jié)合基于TD-LTE回傳系統(tǒng)的高鐵通信系統(tǒng)的空口數(shù)據(jù)來源復(fù)雜，存在很大優(yōu)化可行性的特點，文章研究了具體的高鐵TD-LTE回傳空口承載映射方案。兩類方案中，基礎(chǔ)方案僅區(qū)分話音、信令、視頻、數(shù)據(jù)4類業(yè)務(wù)，實現(xiàn)起來較為簡單；優(yōu)化方案能夠提供精細(xì)的業(yè)務(wù)、AP類型、用戶等級區(qū)分，空口資源分配更加合理，但卻需要增加額外的設(shè)備解析能力，實現(xiàn)相對復(fù)雜。因此為保障前期實施方案的最大可行性，應(yīng)盡量降低設(shè)備處理復(fù)雜度，建議在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期優(yōu)先考慮基礎(chǔ)方案，在基礎(chǔ)方案基礎(chǔ)上實現(xiàn)部分簡單的優(yōu)化策略，最大化利用有限的空口資源。

圖6 優(yōu)化方案

表5 方案對比

[1] ITU-T Recommendation G.114 2003 One-way Transmission Time[S].

[2] Karimi O B, Liu J C, Wang C G. Seamless wireless connectivity for multimedia services in high speed trains[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012, 30(4), 729-739.

[3] 3GPP TS 23.203 v11.3.0, 3rd Generation Partnership Project;Technical 3GPP Specification Group Services and System Aspects; Policy and Charging Control Architecture[S]. 2011.

[4] Sesia S, Toufik I, Bake M著. 馬霓, 鄔鋼, 張曉博, 張學(xué)軍譯.LTE-UMTS長期演進(jìn)理論與實踐[M]. 北京：人民郵電出版社,2012.