TD－LTE關(guān)鍵技術(shù)在水利防汛中的應(yīng)用

秦超杰

(淮河水利委員會(huì) 通信總站，安徽 蚌埠233001)

LTE通信技術(shù)是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，于2004年12月3GPP多倫多會(huì)議上正式立項(xiàng)并啟動(dòng)。LTE系統(tǒng)引入了OFDM和多天線MIMO等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持多種帶寬分配，頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋顯著提升［1］。TD－LTE采用了TD－SCDMA的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化，增強(qiáng)了空中接口的傳輸能力，減小了系統(tǒng)時(shí)延，降低了建網(wǎng)和維護(hù)的成本。隨著技術(shù)的不斷完善，TD－LTE一定會(huì)得到各主流通信設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商的廣泛關(guān)注，并逐步實(shí)現(xiàn)在水利、電力、氣象等行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。

1 TD－LTE關(guān)鍵技術(shù)研究

LTE最重要的改進(jìn)在于采用全新的空中接口技術(shù)，在上行鏈路中采用了作為TD－LTE核心技術(shù)的調(diào)制技術(shù)(正交頻分服用OFDM、正交頻分多址OFDMA)和虛擬多入多出(Virtual MIMO)，有效克服了無線信道的多徑效應(yīng)引起的符號(hào)間干擾，同時(shí)，在利用現(xiàn)有頻譜資源基礎(chǔ)上，大幅增加了系統(tǒng)信道容量。

1.1 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是將用戶數(shù)據(jù)分解為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，在指定的寬帶內(nèi)由多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射，經(jīng)過無線信道后，再由多個(gè)接收天線接收，并根據(jù)各個(gè)并行數(shù)據(jù)流的空間特性，通過解調(diào)恢復(fù)出原來的數(shù)據(jù)流?；镜腗IMO模型是下行、上行天線陣列，使用多天線的MIMO技術(shù)能夠充分利用空間資源，在不增加系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，可有效對(duì)抗無線信道衰落的影響，從而提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量［1］。

LTE已確定MIMO天線個(gè)數(shù)的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。另外，LTE也正在考慮采用小區(qū)干擾抑制技術(shù)來改善邊緣的數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量。

2.2 OFDM、OFDMA

OFDM調(diào)制技術(shù)的原理是將高速數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)正交的子信道中進(jìn)行傳輸，而每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，這樣可減輕由無線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響，還可在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)時(shí)間間隔，令保護(hù)間隔大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這可最大限度地消除多徑帶來的符號(hào)間干擾。

對(duì)于多址技術(shù)，LTE規(guī)定了下行和上行采用的分址技術(shù)，下行方式采用正交頻分多址(OFDMA)，上行采用單載波頻分多址(SC－FDMA)，由此保證了不同頻譜資源用戶間的正交性，以避免子載波之間的干擾。

1.3 基于TDD的雙工技術(shù)

TDD(Time Division Duplexing)時(shí)分雙工技術(shù)是一種通信系統(tǒng)的雙工方式，與FDD相對(duì)應(yīng)，在TDD模式下，發(fā)送和接收位于同一載波下的不同時(shí)隙，信號(hào)無需像FDD雙工方式那樣要求成對(duì)的頻段，并具有靈活配置的特點(diǎn)，以充分利用有限的頻譜資源。

2 TD－LTE的技術(shù)特點(diǎn)

(1)采用OFDM和MIMO技術(shù)。TD－LTE采用了更適合寬帶系統(tǒng)的OFDM技術(shù)，結(jié)合MIMO多天線和快速分組調(diào)度等先進(jìn)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更高的峰值通信速率，同時(shí)能夠提供比3G HSPA提高2～3倍的頻譜利用效率。在采用下行2天線/上行1天線、20 MHz的系統(tǒng)帶寬和3∶1的下行與上行時(shí)隙比例配置的情況下，TD－LTE網(wǎng)絡(luò)的下行峰值速率可達(dá)到110 Mbit·s－1、上行峰值速率達(dá)到30 MHz。

(2)靈活的系統(tǒng)帶寬和載波聚合。TD－LTE支持1.4/3/5/10/15/20 MHz共6種不同的系統(tǒng)帶寬選項(xiàng)，更為先進(jìn)的TD－LTE－Advanced通過載波聚合技術(shù)，可支持以上6種帶寬選項(xiàng)的不同組合，包括連續(xù)或非連續(xù)頻率資源的組合使用，最大可以達(dá)到100 MHz的系統(tǒng)帶寬，充分滿足各種頻率資源場(chǎng)景和網(wǎng)絡(luò)部署帶寬的需求［2］。

(3)簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和智能化的網(wǎng)絡(luò)管理。TDLTE［3］取消了RNC節(jié)點(diǎn)，采用了扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和更加簡(jiǎn)化的系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計(jì)，利用了SON(網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化的網(wǎng)絡(luò)管理，有效的降低了網(wǎng)絡(luò)成本。

(4)動(dòng)態(tài)的分組調(diào)度技術(shù)。TD－LTE簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低了傳輸時(shí)延，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)資源調(diào)度技術(shù)的應(yīng)用。在空中接口的技術(shù)設(shè)計(jì)中，TD－LTE采用完全基于分組交換的資源分配方式，根據(jù)用戶的情況，能快速進(jìn)行最優(yōu)的資源分配，為各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的同時(shí)，也保證了系統(tǒng)資源的利用效率。

(5)靈活的上下行時(shí)隙比例配置。上下行時(shí)隙比例的靈活配置是TDD技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)，TD－LTE支持7種不同的上下行時(shí)隙比例配置，包括下行多數(shù)的9∶1到上行多數(shù)的2∶3，可根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中上下行業(yè)務(wù)量不同的需求情況進(jìn)行相應(yīng)的選擇，滿足不同的規(guī)劃需求，增加TD－LTE網(wǎng)絡(luò)上下行業(yè)務(wù)量配置的靈活性。

(6)基于信道互易性的智能天線技術(shù)。TDD信道的互易性為智能天線技術(shù)的應(yīng)用提供了便利，TDLTE延續(xù)TD－SCDMA的智能天線技術(shù)并進(jìn)行了擴(kuò)展，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)性能，尤其是網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶的通信性能［2－9］。

3 基于TD－LTE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LTE技術(shù)中的傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)只是網(wǎng)絡(luò)為終端用戶提供的服務(wù)之一，其關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完全基于分組交換，不再采用3G網(wǎng)絡(luò)中的雙核心結(jié)構(gòu)，而是讓分組核心網(wǎng)(MSC/VLR)成為管理UE移動(dòng)性和處理信令的唯一，實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)通過IP多媒體系統(tǒng)(IMS)服務(wù)終端用戶［4］。

在具體的行業(yè)應(yīng)用中，基于TD－LTE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)由指揮調(diào)度平臺(tái)、核心網(wǎng)、基站、應(yīng)用終端4部分組成，基于TD－LTE技術(shù)水利應(yīng)用集群系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 基于TD－LTE技術(shù)水利應(yīng)用集群系統(tǒng)示意圖

(1)指揮調(diào)度平臺(tái)。是寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)的調(diào)度控制中心，負(fù)責(zé)集群協(xié)調(diào)調(diào)度、呼叫控制、用戶調(diào)度、應(yīng)用擴(kuò)展等功能，同時(shí)為用戶提供調(diào)度操作界面。其主要網(wǎng)元包括:調(diào)度臺(tái)(DC)、錄音/錄像服務(wù)器(ReS)、安全服務(wù)器(SeS)和各種應(yīng)用服務(wù)器(ApS)等。

(2)核心網(wǎng)EPC。主要負(fù)責(zé)UE的網(wǎng)絡(luò)側(cè)移動(dòng)性管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一交換控制和傳送，并具有移動(dòng)性管理功能，包括移動(dòng)性管理實(shí)體(MME)、網(wǎng)關(guān)x－GW以及策略控制與計(jì)費(fèi)規(guī)則實(shí)體PCRF。MME基本功能包括負(fù)責(zé)用戶接入控制、非接入層(NAS)信令處理、用戶移動(dòng)性管理、網(wǎng)絡(luò)管理、x－GW選擇控制、業(yè)務(wù)承載的核心網(wǎng)側(cè)資源控制、鑒權(quán)過程管理等功能的處理。同時(shí)，處理來自交換控制中心(SCC)的集群控制信令并進(jìn)行集群業(yè)務(wù)承載管理，與RDS交互獲取集群信息，控制eNodeB與UE間建立集群業(yè)務(wù)承載空口上行數(shù)據(jù)鏈路的分配與釋放等。

(3)基站eNodeB。為寬帶無線多媒體集群系統(tǒng)中的接入網(wǎng)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)無線信號(hào)的發(fā)送和接收、空口無線資源管理和接入網(wǎng)側(cè)移動(dòng)性管理，可采用模塊化、可配置、可裁剪的統(tǒng)一硬件架構(gòu)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。

(4)應(yīng)用終端。包括手持單兵終端、頭盔單兵終端、多功能車載臺(tái)、無線高清攝像頭、無線專業(yè)攝像機(jī)、CPE、上網(wǎng)卡等，實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)的傳輸。

4 水利防汛的應(yīng)用展望

實(shí)踐證明，大帶寬的無線傳輸系統(tǒng)在水庫(kù)、行蓄洪區(qū)及偏遠(yuǎn)水利樞紐防汛調(diào)度的作用明顯。由于水利行業(yè)的特殊性和新形勢(shì)下水利工作的特點(diǎn)，對(duì)通信標(biāo)準(zhǔn)和體制提出了更高的要求。

(1)多媒體數(shù)字集群。TD－LTE擁有的高速率、大帶寬的優(yōu)勢(shì)，具有更大的信道容量、更高的頻譜利用率、更強(qiáng)的抗干擾能力和更好的傳輸性能，與數(shù)字集群技術(shù)相結(jié)合，可開發(fā)出集語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻為一體的新一代寬帶多媒體數(shù)字集群系統(tǒng)［8］。

(2)寬帶接入?；赥D－LTE技術(shù)的新一代通信網(wǎng)可為各類終端用戶提供上行50 Mbit·s－1，下行100 Mbit·s－1無線寬帶接入［10］，適合防汛調(diào)度和重點(diǎn)閘壩的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視。

(3)指揮調(diào)度。在防汛抗旱、搶險(xiǎn)救災(zāi)方面，需要依靠無線通信系統(tǒng)提供完備的調(diào)度控制功能，并支持語(yǔ)音集群、視頻集群等。并與水利行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)緊密連接，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便防汛指揮部門迅速?zèng)Q策。

(4)無線數(shù)據(jù)采集及控制。數(shù)據(jù)采集類的終端可提供及時(shí)、穩(wěn)定的水情、工情信息，可廣泛應(yīng)用于水文報(bào)訊、閘壩安全檢測(cè)等工程管理，接入模塊可通過串口、網(wǎng)口、wifi等接口與數(shù)據(jù)采集終端連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。

(5)移動(dòng)視頻監(jiān)控。TD－LTE技術(shù)在寬帶接入方面擁有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，通過易于架設(shè)的視頻監(jiān)控終端，可適合重點(diǎn)水庫(kù)、閘壩等防護(hù)工程的視頻監(jiān)控，并可在移動(dòng)終端上查看指定點(diǎn)監(jiān)控視頻，大幅提高了水利工程管理的信息化水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

TD－LTE作為我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)進(jìn)行TD－SCDMA的長(zhǎng)期后續(xù)演進(jìn)，是為了滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，實(shí)現(xiàn)了以我為主而又融入國(guó)際化的標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)家高科技大戰(zhàn)略的支持下，以中國(guó)移動(dòng)為代表的中國(guó)運(yùn)行商在TD－SCDMA標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；渴鸾?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，主導(dǎo)了LTE的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，基站測(cè)試工作正在各城市進(jìn)行部署。LTE網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入一個(gè)不斷成長(zhǎng)、成熟的階段，雖然LTE網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展仍存在困難，但其先進(jìn)的技術(shù)、優(yōu)越的性能在水利行業(yè)的應(yīng)用已得到了規(guī)?；难芯亢驼撟C，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益值得期待。

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