TD-LTE技術(shù)承載地鐵集群通信業(yè)務問題研究

王 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號處，710043，西安∥工程師)

隨著TD－LTE(時分－長期演進)技術(shù)在移動通信公用網(wǎng)絡的大規(guī)模成熟商用，以及地鐵運營方對無線調(diào)度功能寬帶化、多媒體化需求的進一步提高，加之原有 TETRA(泛歐集群無線電)、iDEN、MPT1327 等傳統(tǒng)窄帶集群通信技術(shù)對國內(nèi)行業(yè)用戶的專利、加密、價格等方面的限制，TD－LTE 技術(shù)承載地鐵集群業(yè)務的發(fā)展方向已經(jīng)被行業(yè)廣泛關(guān)注。

目前，TD－LTE 技術(shù)標準已實現(xiàn)為普通商業(yè)和消費電子用戶提供高帶寬的個人數(shù)據(jù)業(yè)務，TD－LTE 技術(shù)憑借其扁平化的網(wǎng)絡架構(gòu)、較高的頻率利用率，有著承載多媒體集群通信的先天優(yōu)勢。TD－LTE 技術(shù)現(xiàn)有的協(xié)議沒有完整的集群解決方案，部分設備商通過增加調(diào)度單元，已經(jīng)有了在港口、貨場、電力等非應急場景的應用。全球TETRA 及關(guān)鍵通信聯(lián)合會(TCCA)對于涉及公共安全和關(guān)鍵業(yè)務的集群通信演進方向定義為TETRA +LTE，表示仍希望由TETRA 繼續(xù)承載關(guān)鍵語音業(yè)務。

TD－LTE 技術(shù)要成為適用于傳送關(guān)鍵任務型數(shù)據(jù)和語音應用的解決方案，特別是承載高質(zhì)量集群語音業(yè)務還面臨著很多的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)對TD－LTE技術(shù)承載地鐵專用集群調(diào)度通信存在的若干問題進行分析，并提出相應的解決思路。

1 LTE技術(shù)承載語音業(yè)務的服務質(zhì)量保障

LTE 標準設計的初衷是為用戶提供一個強大的移動分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，對于承載語音業(yè)務考慮得并不充分。LTE 的核心網(wǎng)(EPC)和接入網(wǎng)E－UTRAN僅定義了不同服務質(zhì)量的PS(分組交換)承載通道技術(shù)，沒有專用于語音通信的技術(shù)和承載方式?？梢哉f對于LTE 技術(shù)，語音是和其他數(shù)據(jù)業(yè)務一樣的IP(因特網(wǎng)協(xié)議)流，其服務質(zhì)量尚達不到關(guān)鍵型集群語音的要求。若要求VoIP(IP 承載語音)業(yè)務的性能指標達到現(xiàn)有電路域語音業(yè)務的質(zhì)量，有兩種可行的辦法:一是通過VoLTE(LTE 承載語音)方式解決;二是通過私有協(xié)議改造邏輯信道，以減小VoIP 網(wǎng)絡時延。

VoLTE 是3GPP 協(xié)議定義的 LTE 語音解決方案［1］，在全IP 條件下提供端到端的語音服務。整個架構(gòu)涉及終端、無線、PS、IMS(IP 多媒體子系統(tǒng))等各網(wǎng)元，旨在替代電路域話音業(yè)務。VoLTE 語音解決方案的核心思想是采用IMS 作為業(yè)務控制層系統(tǒng)，EPC 僅作為承載層，IMS 域提供CSCF 等呼叫控制以及HSS(歸屬簽約用戶服務器)、MMTel AS(多媒體電話應用服務器)、IP－SM－GW(短信網(wǎng)關(guān))等互通功能，使用IMS 和無線接入網(wǎng)絡特性來確保低時延及錯誤修正能力，為VoLTE 提供承載通道和服務質(zhì)量控制能力。通過在核心網(wǎng)全面部署 IMS 系統(tǒng)，可以說是考慮在應用層解決VoIP 的服務質(zhì)量問題。但在地鐵專網(wǎng)實現(xiàn)VoLTE 的難度較大，主要是由于核心網(wǎng)側(cè)全面部署 IMS 系統(tǒng)的復雜度大、成本高，以及終端對IMS 協(xié)議棧的支持度等問題。

另一種可行的辦法是對標準LTE 協(xié)議進行修改，在邏輯資源管理、調(diào)度方式、數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)等方面進行優(yōu)化，通過擴展NAS(非接入層)協(xié)議消息實現(xiàn)集群語音業(yè)務(包括單呼、組呼)的會話管理，縮短語音信息的網(wǎng)絡時延，實現(xiàn)VoIP 語音的服務質(zhì)量保證。

可考慮利用TD－LTE 技術(shù)快速接入時間短的特點，使用NAS 協(xié)議消息替代傳統(tǒng)的POC SIP(無線一鍵通會話初始協(xié)議)消息，如圖1所示。

圖1 語音優(yōu)化方案示意圖

通過縮短呼叫建立消息交互流程和消息大小，減少語音呼叫建立過程參與的網(wǎng)元數(shù)量;通過縮短終端消息處理時間和尋呼周期，減少IP/UDP/RTP頭消耗;通過去掉VoIP 方式在第三層的IP 包頭，用PDCP 層上直接承載 AMR 語音編碼，從而簡化了VoIP 對語音編碼的冗余支持，以提高轉(zhuǎn)發(fā)效率。

2 信令風暴問題

由于標準TD－LTE 技術(shù)控制面操作的對象是單個終端，因此對于切換、組呼、漫游等控制流程執(zhí)行前需要首先保證在終端和eNodeB/EPC 之間建立穩(wěn)固的通信鏈路［2］。標準TD－LTE 技術(shù)中，終端在兩個小區(qū)之間的切換流程如下:當終端進入切換重疊覆蓋區(qū)時，向當前小區(qū)所屬的基站發(fā)送測量上報信息;基站根據(jù)該信息確定終端切換的目標小區(qū)，并和目標小區(qū)交互切換相關(guān)的信息;切換相關(guān)的信令交互完成后，基站向終端發(fā)送切換命令;終端執(zhí)行目標小區(qū)的接入過程，建立無線鏈路，完成小區(qū)間的切換過程。

在TD－LTE 技術(shù)的集群系統(tǒng)中，在任何時刻群組內(nèi)只允許一個終端擁有話權(quán)，當群組內(nèi)大量終端從一個小區(qū)切換到另一個小區(qū)時，或者非話權(quán)終端搶占剛剛釋放的話權(quán)時，這些處于非鏈接狀態(tài)的終端將首先切換到鏈接狀態(tài)，然后執(zhí)行向目標小區(qū)的切換。

假設群組有N 個處于空閑狀態(tài)的終端發(fā)起群體切換，這些終端將首先切換到鏈接狀態(tài)，然后再執(zhí)行向目標小區(qū)的切換。一般終端建立鏈接態(tài)需要5條信令，切換測量控制需要2 條信令，切換過程需要3 條信令。因此在很短的時間內(nèi)，目標小區(qū)所在基站需要處理終端切入的信令將達到峰值［3］，而基站在每個傳輸時間間隔內(nèi)的處理信令能力有限，這就會造成這兩個小區(qū)的信令風暴，直接表現(xiàn)出的現(xiàn)象是終端掉話，或者終端切換延遲增加。

一種可行的解決辦法如圖2所示。

圖2 非話權(quán)終端小區(qū)切換流程示意

在組呼過程中，基站將當前小區(qū)和鄰區(qū)為群組所建立的信道資源，通過TCCH(集群控制信道)周期性發(fā)送給空閑態(tài)終端。非鏈接態(tài)終端在小區(qū)切換過程中，根據(jù)當前小區(qū)廣播消息內(nèi)容，依照重選準則進行測量，確定是否進行小區(qū)重選過程。當滿足重選準則時，終端發(fā)現(xiàn)TCCH 有目標小區(qū)信息，此時終端根據(jù)TCCH 內(nèi)容，自行重選至新基站下的目標小區(qū)，并接收下行組呼數(shù)據(jù)。通過自行切換的方式可減少終端與原服務小區(qū)的信令交互。

3 語音及視頻下行組呼的實現(xiàn)

組呼是集群通信中最重要的通信方式，也是地鐵專用無線調(diào)度系統(tǒng)最常用的功能。在同一個基站群組內(nèi)的用戶是可以共享下行無線信道資源。TD－LTE 技術(shù)承載集群業(yè)務后，其語音組呼及視頻組呼的實現(xiàn)有兩種方式:一是通過標準協(xié)議中廣播多播業(yè)務實現(xiàn);二是通過增加下行邏輯信道承載組呼控制信息來實現(xiàn)。

3GPP 協(xié)議R9 定義的LTE 增強型多媒體廣播多播業(yè)務(eMBMS)［4］，提供了其實現(xiàn)下行資源共享的可行性。由于eMBMS 在空口采用組播/廣播模式，不僅要求網(wǎng)絡具備時間同步能力，還要求承載網(wǎng)具備組播能力，以便高效地將相同內(nèi)容的信息復制到所有的基站。而且當組內(nèi)用戶頻繁進出當前LTE eMBMS 小區(qū)，那么頻繁的單播/多播切換問題會使得原有的eNodeB 資源分配過程更加復雜。較高的網(wǎng)絡復雜度，使得eMBMS 在LTE 公網(wǎng)中的應用也較為緩慢，當eMBMS 實現(xiàn)規(guī)?；渴鸷螅筛鶕?jù)成熟經(jīng)驗再向?qū)＞W(wǎng)推廣應用。

另一種方式是通過優(yōu)化標準協(xié)議，在下行方向新增3 個邏輯信道TTCH(集群業(yè)務信道)、TCCH、TPCCH(集群尋呼控制信道)，其分別作為群組用戶點對多點傳遞控制信息的下行信道、群組用戶點對多點可共用下行業(yè)務信道、集群組呼和單呼的尋呼消息信道。新增邏輯信道與物理信道上的映射關(guān)系如圖3所示。所有新增信道最終均映射到PDSCH(物理下行共享信道)上。

圖3 下行業(yè)務增加邏輯信道示意圖

采用下行傳輸信道與物理信道映射的方式來實現(xiàn)集群點對多點下行業(yè)務，也是B－TrunC(寬帶集群C)標準推薦的空口技術(shù)模型之一。通過該方式不僅使得下行組呼共享了物理信道資源，另外也縮短了組呼業(yè)務的接續(xù)時間。

4 直通模式的實現(xiàn)

直通模式(DMO)是窄帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)功能的一個重要組成部分，其將終端變成“工作在專用頻點的數(shù)字對講機”。在ETSI(歐洲電信標準化協(xié)議)EN 300396 協(xié)議中已完整地定義了直通模式的各種實現(xiàn)方式。DMO 至少具備三個優(yōu)點:提供了終端在天饋覆蓋區(qū)之外的通信能力;由于使用了專用的頻點，保證了天饋覆蓋區(qū)內(nèi)脫網(wǎng)對講的私密性;提供了在基站故障時終端之間的通信能力。在各地的城市軌道交通專用無線通信線網(wǎng)規(guī)劃中，一般都會申請一定數(shù)量的頻點資源用于DMO。

現(xiàn)階段LTE 協(xié)議中沒有定義終端間直接互通的通信模式，即便是正在完善中的終端間互通(D2D)的通信協(xié)議，依舊需要基站參與信令的處理和資源的分配，這與傳統(tǒng)的DMO 完全脫離基站的工作方式還是不同的。

我國用于專網(wǎng)的TD－LTE 技術(shù)頻點資源有限，并且 TD－LTE 技術(shù)可分配的最小載波帶寬是1.4 MHz，為實現(xiàn)傳統(tǒng)DMO 專門分配一定頻帶資源的可能性很小。如果要實現(xiàn)類似TETRA 系統(tǒng)的DMO 功能，一種可行的方式是在終端內(nèi)植入400 MHz 公共對講模塊，并進一步考慮設計空口加密算法，以解決私密性問題，同時調(diào)整基帶數(shù)據(jù)映射及射頻調(diào)制方式，以提高信道的抗干擾性。

5 同頻干擾的問題

工信部許可的用于專網(wǎng)TD－LTE 技術(shù)的頻率資源是1 447 ～1 467 MHz 和1 785 ～1 805 MHz 共2個20 MHz 頻段。稀缺的頻率資源會造成城市地鐵線網(wǎng)內(nèi)必然存在大量的同頻組網(wǎng)情況。雖然LTE依賴OFDM(正交頻分復用)技術(shù)中頻率之間的正交性解決了小區(qū)內(nèi)的干擾，但對于同頻小區(qū)間的干擾仍需作特殊考慮［5］。

干擾隨機化和干擾消除是被動的干擾抑制技術(shù)，對于系統(tǒng)的C/I(信干比)并無影響，同頻小區(qū)間干擾抑制更多的是依靠ICIC(干擾協(xié)調(diào)技術(shù))來實現(xiàn)。但對于連接機場、高鐵車站等其他特殊場景的地鐵線路，如果多方都存在同頻的LTE 網(wǎng)絡，由于各自核心網(wǎng)之間沒有聯(lián)系，已經(jīng)無法再通過ICIC 來解決網(wǎng)絡邊界間的無線干擾。

目前，只能通過工程手段規(guī)避上述同頻干擾問題。在地鐵出入口或換乘通道等接口處，與其他TD－LTE 技術(shù)網(wǎng)絡有重疊區(qū)域的地方，應盡量調(diào)整頻點規(guī)劃，在2 個網(wǎng)絡之間預留一定的頻率隔離帶;并在邊緣天饋處增加衰減器，以快速降低小區(qū)邊緣的參考信號功率等。

6 時間同步的問題

TD－LTE 技術(shù)作為時分系統(tǒng)有著高精度的同步要求以保證移動通信業(yè)務的漫游和切換。其頻率同步精度要求在0.05 ppm 以內(nèi)，時鐘同步精度要求1.5 μs 以內(nèi)［6］。在地鐵物業(yè)范圍內(nèi)架設 GPS 天線多受著場地凈空的制約，通信設備機房至出入口或者風亭的走線距離大多超過100 m，而且GPS 天線方案本身成本高、安全性差、施工難度高、運營維護不便。因而，就需要通過地鐵專用傳輸網(wǎng)為TD－LTE 技術(shù)系統(tǒng)提供頻率和時間同步信號的傳送。目前，主流地鐵專用傳輸技術(shù)是基于SDH(同步數(shù)字體系)的多業(yè)務傳送平臺(MSTP)。該傳輸技術(shù)承載的NTP(網(wǎng)絡時間協(xié)議)時鐘同步信息無法為TD－LTE 技術(shù)提供足夠精度的相位同步信息。TD－LTE 技術(shù)在地鐵行業(yè)推廣應用勢必將影響傳輸設備技術(shù)體制的選擇，可考慮MSTP +或PTN(網(wǎng)絡時間協(xié)議)、IP RAN(無線接入IP 網(wǎng))等可承載1588 V2協(xié)議的傳輸技術(shù)。

7 結(jié)語

集群通信業(yè)務朝專網(wǎng)集群寬帶化、多媒體化的發(fā)展趨勢已經(jīng)成為地鐵行業(yè)用戶的共識，基于TDLTE 技術(shù)的寬帶集群在地鐵領(lǐng)域的應用有著良好的前景。通過不斷解決和優(yōu)化TD－LTE 技術(shù)在專網(wǎng)應用遇到的問題，融合傳統(tǒng)窄帶集群技術(shù)的優(yōu)點和特點，將會進一步推進TD－LTE 技術(shù)承載關(guān)鍵型集群通信業(yè)務產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

［1］肖清華，汪丁鼎，許光斌，等. TD－LTE 網(wǎng)絡規(guī)劃設計與優(yōu)化［M］.北京.人民郵電出版社，2013.

［2］陳俊，彭木根，王文博.TD－LTE 系統(tǒng)切換技術(shù)的研究［J］. 中興通訊技術(shù)，2011(3):54.

［3］趙先明，徐云翔，朱伏生.GoTa 4G 寬帶多媒體集群系統(tǒng)的研究［J］.中興通訊技術(shù)，2013(2):49.

［4］3GPP TS36.440.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E－UTRA);General aspects and principles for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS)within E－UTRAN［S］.2012.

［5］沈嘉，徐霞艷，杜瀅，等.LTE 同頻組網(wǎng)關(guān)鍵問題分析［J］.移動通信，2010(21):5.

［6］陳運清，吳偉，閻璐，等.電信級IP RAN 實現(xiàn)面向LTE 規(guī)模運營的移動基站回傳綜合承載指引［M］. 北京. 電子工業(yè)出版社，2013.