基于TD-LTE的信號(hào)與集群承載研究

馬彥波 蔣國華

摘要：介紹了TD-LTE的技術(shù)特點(diǎn)及其用于信號(hào)和集群語音承載的需求和關(guān)鍵性問題，描述基于TD-LTE信號(hào)與集群承載系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則和整體架構(gòu)，并著重介紹其中的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)來解決信號(hào)和集群語音承載的問題，關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)包括綜合承載業(yè)務(wù)Qos設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)和高可靠性設(shè)計(jì)。通過實(shí)地搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，測試TD-LTE無線性能和極限性能，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：TD-LTE；軌道交通；車地?zé)o線通信；CBTC；集群語音

中圖分類號(hào)：TP301文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2018）13-64-4

Research on Signal and Cluster Bearer Based on TD-LTE Technology

MAYanbo1袁JIANG Guohua2

（1. Operating Branch， Ningbo Metro Group Co.， Ltd， Ningbo Zhejiang 315101， China； 2. Hebei Far-east Communication System Engineering Co.， Ltd， Shijiazhuang Hebei 050200， China）

0引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的城市軌道交通正步入發(fā)展的快車道。可靠、高效的車地通信系統(tǒng)，是提升城市軌道交通運(yùn)行安全和乘客體驗(yàn)的重要保障。傳統(tǒng)的車地?zé)o線通信技術(shù)由于帶寬受限、頻段開放及切換頻繁等諸多先天缺陷，存在衍生業(yè)務(wù)少、帶寬不穩(wěn)定、安全性無法保障、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量低及產(chǎn)品維護(hù)成本高等問題，已無法滿足現(xiàn)今城市軌道交通車地寬帶通信的需求[1]。隨著TD-LTE技術(shù)在城市軌道交通專網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，越來越多的城市使用該技術(shù)綜合承載CBTC、PIS、CCTV、緊急文本及TCMS等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

目前大部分城市主要將該技術(shù)用于綜合承載CBTC、PIS、CCTV等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，或者僅承載集群語音業(yè)務(wù)，還沒有將該技術(shù)同時(shí)用于承載CBTC和集群語音業(yè)務(wù)。截止目前，國內(nèi)還沒有對(duì)LTE承載CBTC和集群語音業(yè)務(wù)開展研究工作。通過TD-LTE技術(shù)在一張網(wǎng)絡(luò)中完成CBTC數(shù)據(jù)和集群語音業(yè)務(wù)承載也是LTE的一種應(yīng)用方式，對(duì)于頻率資源受限的城市頗具意義。

1技術(shù)介紹和需求分析

1.1 TD-LTE技術(shù)介紹

TD-LTE是我國主導(dǎo)的第4代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，受到了國家的大力扶持，國家為軌道交通專網(wǎng)批復(fù)了專用頻率（1 785～ 1 805 MHz），同時(shí)國內(nèi)具備芯片、終端、基站、核心網(wǎng)及調(diào)度等完整的產(chǎn)業(yè)鏈，且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該技術(shù)采用OFDM、MIMO天線及64QAM調(diào)制技術(shù)等，使其具有更高的傳輸速率、更高的頻譜利用率、更低的傳輸時(shí)延和更高的安全性，支持廣域覆蓋和高速移動(dòng)[2]。

TD-LTE主要技術(shù)優(yōu)勢有：①高傳輸速率：在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbps，上行50 Mbps的峰值速率；0～120 Km/h移動(dòng)場景下平均吞吐速率可達(dá)70 Mbps，上行速率26 Mbps，下行速率44 Mbps；②高速移動(dòng)性：采用頻偏補(bǔ)償機(jī)制，有效克服多普勒效應(yīng)，支持350 Km/h的高速移動(dòng)；③高頻譜利用率：下行鏈路頻譜利用率可達(dá)5（bit/s）/Hz，上行鏈路頻譜利用率可達(dá)2.5（bit/s）/Hz[3]；④低時(shí)延：扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)少，用戶面?zhèn)鬏敃r(shí)延<10 ms，控制面信令傳輸時(shí)延<100 ms；⑤帶寬靈活配置，支持非對(duì)稱頻譜：可靈活配置1.4～20 MHz間的多種系統(tǒng)帶寬，可以調(diào)整上下行流量；⑥完善的多級(jí)QoS：保證多種不同等級(jí)業(yè)務(wù)的并發(fā)服務(wù)質(zhì)量。

1.2系統(tǒng)需求

系統(tǒng)以滿足軌道交通車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)需求為原則，保證列車運(yùn)行控制系統(tǒng)安全可靠性的同時(shí)承載集群語音業(yè)務(wù)[4]。對(duì)于承載CBTC和集群語音業(yè)務(wù)的帶寬需求，如表1所示。

在高速移動(dòng)性方面，系統(tǒng)應(yīng)該充分考慮列車在高速情況下的切換問題，采用有效措施減少切換時(shí)間和降低因切換帶來的數(shù)據(jù)時(shí)延，以保證承載的業(yè)務(wù)質(zhì)量，尤其是CBTC業(yè)務(wù)質(zhì)量不受損失。

2需解決的問題

基于TD-LTE的信號(hào)與集群承載系統(tǒng)需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問題：

①CBTC與集群業(yè)務(wù)的QoS設(shè)計(jì)：系統(tǒng)承載CBTC、集群語音等業(yè)務(wù)，各種業(yè)務(wù)之間以及同種業(yè)務(wù)的不同業(yè)務(wù)流之間，需要采用合理的優(yōu)先級(jí)保證設(shè)計(jì)，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

②系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)：軌道交通的隧道環(huán)境無線傳輸特性復(fù)雜，不同通信網(wǎng)之間的干擾，以及TD-LTE系統(tǒng)內(nèi)部的同頻干擾都對(duì)系統(tǒng)性能有很大的影響，因此抗干擾設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

③系統(tǒng)的高可靠設(shè)計(jì)：系統(tǒng)承載的CBTC業(yè)務(wù)是關(guān)鍵性業(yè)務(wù)，且系統(tǒng)承載的集群語音業(yè)務(wù)要求冗余備份，因此系統(tǒng)的高冗余性和高可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第3個(gè)關(guān)鍵問題。

3總體設(shè)計(jì)

基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)嚴(yán)格遵循以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：①實(shí)時(shí)性原則：為實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的安全控制，數(shù)據(jù)傳輸要具有低時(shí)延；②高帶寬原則：為傳輸高質(zhì)量集群視頻呼叫業(yè)務(wù)，上下行要具有大帶寬；③可靠性原則，任何節(jié)點(diǎn)雙備份，避免單點(diǎn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓；④環(huán)境適應(yīng)性原則：充分考慮軌旁設(shè)備、車輛設(shè)備的環(huán)境要求；⑤安全性原則：多級(jí)鑒權(quán)機(jī)制避免非法用戶攻擊，通過數(shù)據(jù)加密和完整性保護(hù)算法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

基于TD-LTE的信號(hào)與集群承載系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)基于TD-LTE的信號(hào)與集群承載系統(tǒng)采用A/B雙網(wǎng)部署和A/B雙網(wǎng)冗余，雙網(wǎng)獨(dú)立并行工作，互不影響，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)或一張網(wǎng)絡(luò)故障，不會(huì)影響承載業(yè)務(wù)。A網(wǎng)承載CBTC和集群語音，分配5 MHz帶寬；B網(wǎng)承載CBTC，分配5 MHz帶寬；系統(tǒng)共占用10 MHz帶寬?？刂浦行牟渴痣p套核心網(wǎng)設(shè)備，核心網(wǎng)設(shè)備分別與CBTC業(yè)務(wù)服務(wù)器、集群調(diào)度服務(wù)器相連，通過雙路由設(shè)備保證業(yè)務(wù)間的隔離。

在車站布置TD-LTE基站BBU（雙套）和RRU（按需配置）設(shè)備。TD-LTE基站通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與控制中心核心網(wǎng)設(shè)備連接，且B網(wǎng)的BBU采用RAN-SHARING技術(shù)通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與A網(wǎng)的控制中心核心網(wǎng)設(shè)備連接，進(jìn)一步提高無線接入網(wǎng)絡(luò)的可用性[5]，實(shí)現(xiàn)集群業(yè)務(wù)的無線接入網(wǎng)冗余。

在每列車的車頭和車尾分別設(shè)置1套車載接入設(shè)備TAU和車載臺(tái)，其中TAU設(shè)備與CBTC的車載設(shè)備相連，車載臺(tái)與TAU通過合理器共用天線。

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1 CBTC與集群業(yè)務(wù)QoS設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)業(yè)務(wù)方面，利用TD-LTE技術(shù)的9級(jí)QoS保障機(jī)制，可以為CBTC和集群語音業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)不同優(yōu)先級(jí)，確保不同業(yè)務(wù)并發(fā)時(shí)資源的合理分配。業(yè)務(wù)從外部經(jīng)過LTE網(wǎng)絡(luò)定義的QoS保障的分解和映射模型，如圖2所示。

通過上述方法可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)等級(jí)差異化，同時(shí)還可以針對(duì)同一業(yè)務(wù)的不同用戶區(qū)分優(yōu)先級(jí)，確保重點(diǎn)用戶的體驗(yàn)。

4.2抗干擾設(shè)計(jì)

基于TD-LTE的信號(hào)與集群承載系統(tǒng)的干擾問題主要分為系統(tǒng)間干擾和系統(tǒng)內(nèi)干擾2種。

（1）系統(tǒng)間抗干擾措施

系統(tǒng)采用頻率間隔方式和空間隔離方式來減小系統(tǒng)間干擾[6]。TD-LTE專網(wǎng)頻段為1 785MHz～1 805 MHz，與之相鄰的頻段為中國移動(dòng)GSM1800頻段，如圖3所示。

系統(tǒng)選取1 790～1 800 MHz作為專網(wǎng)頻段，與GSM1800有5 MHz的隔離，可有效避免系統(tǒng)間干擾。

（2）系統(tǒng)內(nèi)抗干擾措施

系統(tǒng)內(nèi)干擾包括同頻干擾和多徑干擾，同頻干擾主要來自于同頻鄰區(qū)干擾，通過功率控制技術(shù)、ICIC（干擾協(xié)調(diào)）、基帶解調(diào)IRC（干擾抑制合并）等技術(shù)可以對(duì)小區(qū)間的干擾進(jìn)行控制和消除。多徑干擾主要是無線信號(hào)在隧道內(nèi)壁、車體及其他室內(nèi)物體上進(jìn)行反射時(shí)產(chǎn)生的，通過為OFDM符號(hào)增加循環(huán)前綴的方式和采用泄漏電纜減少多徑時(shí)延的方式對(duì)抗多徑干擾。

4.3高可靠性設(shè)計(jì)

CBTC和無線集群調(diào)度業(yè)務(wù)均屬于城市軌道交通安全運(yùn)營關(guān)鍵生產(chǎn)業(yè)務(wù)，可靠性要求極高，本項(xiàng)目不僅通過網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余、設(shè)備級(jí)備份進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，而且還在傳輸組網(wǎng)、設(shè)備供電、網(wǎng)絡(luò)鏈路及應(yīng)急通信等方面采取了多種冗余保障措施以提升系統(tǒng)可靠性。

（1）系統(tǒng)級(jí)冗余設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有線承載網(wǎng)采用A、B雙網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)完全獨(dú)立的骨干傳輸通道，在任一張網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)均能保障承載業(yè)務(wù)不受影響。

（2）設(shè)備級(jí)可靠性設(shè)計(jì)

A系統(tǒng)有線傳輸設(shè)備采用單臺(tái)配置雙主控雙業(yè)務(wù)板，上下行環(huán)網(wǎng)接入端口分布于不同單板設(shè)備，設(shè)備本身具有高可靠性設(shè)計(jì)。

（3）無線集群調(diào)度可靠性設(shè)計(jì)

集群調(diào)度接入鏈路備份，當(dāng)某一臺(tái)集群接入交換機(jī)與骨干網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷時(shí)，它還可以通過與另一臺(tái)集群接入交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)鏈路實(shí)現(xiàn)與骨干網(wǎng)交換機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，該集群接入交換機(jī)不會(huì)脫網(wǎng)，可以繼續(xù)為所連接的應(yīng)用設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，可以有效防止單個(gè)鏈路中斷導(dǎo)致交換機(jī)及其連接的應(yīng)用設(shè)備脫網(wǎng)。

（4）鏈路級(jí)可靠性設(shè)計(jì)

為確保綜合承載A網(wǎng)BBU傳輸鏈路的可靠性，采用路由備份功能實(shí)現(xiàn)傳輸鏈路的冗余備份：A網(wǎng)BBU設(shè)備通過不同的網(wǎng)口分別與LTE-A骨干網(wǎng)交換機(jī)和LTE-B骨干網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行互聯(lián)，為BBU和核心網(wǎng)之間建立2條物理鏈路，2條不同的物理鏈路實(shí)現(xiàn)路由備份功能。當(dāng)主路由出現(xiàn)異常時(shí)，BBU可通過路由主備倒換，選擇走備份路由，從而避免業(yè)務(wù)中斷等嚴(yán)重影響。

5設(shè)計(jì)驗(yàn)證及結(jié)果分析

5.1測試場景

測試環(huán)境選擇寧波1號(hào)線二期五鄉(xiāng)至邱隘區(qū)間，時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇1號(hào)線二期信號(hào)完整功能調(diào)試完成時(shí)，用信號(hào)CBTC系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)做測試。試驗(yàn)頻率為1 790～1 800 MHz頻段。主要測試設(shè)備包括EPC（2臺(tái)）、BBU（4臺(tái)）、RRU（8臺(tái)）、1.8 G定向天線（5套）、交換機(jī)（2套）、網(wǎng)管系統(tǒng)（1套）、調(diào)度系統(tǒng)（1套）、車載天線（5套）、TAU（1套）及信號(hào)系統(tǒng)（2套）。

測試方案中RRU與BBU采用交叉聯(lián)接，保證每次切換均是跨BBU的越區(qū)切換。測試內(nèi)容主要包括TD-LTE無線性能測試、TD-LTE極限性能測試、LTE承載測試、集群功能測試及故障測試等5個(gè)方面。

5.2測試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)段測試的結(jié)果如表1所示。

對(duì)于系統(tǒng)可靠性測試表明系統(tǒng)的單網(wǎng)或單點(diǎn)故障均不影響CBTC信息、集群語音信息的傳輸。對(duì)于系統(tǒng)的抗干擾測試表明，一般干擾條件下，基于TD-LTE技術(shù)可滿足CBTC和集群語音的傳輸需求，情況最惡劣時(shí)，雙網(wǎng)均可滿足CBTC和集群語音的傳輸需求。

綜上所述，基于TD-LTE的信號(hào)與集群承載網(wǎng)絡(luò)完全可以適用于CBTC業(yè)務(wù)和集群語音業(yè)務(wù)，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

6結(jié)束語

TD-LTE在國內(nèi)軌道交通專網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)開始大規(guī)模商用，產(chǎn)業(yè)鏈趨于完善，與其他技術(shù)相比，具有高帶寬、高質(zhì)量、高可靠及高抗干擾能力等優(yōu)良特性，更適合應(yīng)用于軌道交通車地?zé)o線通信領(lǐng)域。

基于TD-LTE技術(shù)綜合承載CBTC、PIS、CCTV已在多個(gè)城市有開通案例，對(duì)于同時(shí)承載CBTC和集群語音業(yè)務(wù)的應(yīng)用模式國內(nèi)仍在探索中。相信在未來幾年，該應(yīng)用模式會(huì)推廣普及，為TD-LTE在城市軌道交通專網(wǎng)領(lǐng)域探索出一條新的應(yīng)用之路。

參考文獻(xiàn)

[1]黃佳強(qiáng).LTE在地鐵乘客信息系統(tǒng)無線傳輸中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014，31（11）：111-115.

[2]時(shí)虎.乘客信息系統(tǒng)（PIS）車—地?zé)o線通信LTE組網(wǎng)設(shè)計(jì)研究[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2017，14（5）：54-56.

[3]陶偉.列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車地?zé)o線通信的頻段選擇[J].城市軌道交通研究，2012（4）：40-43.

[4]穆瀟，夏昕.基于LTE的乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線通信方案研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（14）：4.

[5]徐兵，謝志軍.LTE系統(tǒng)級(jí)仿真的關(guān)鍵技術(shù)與研究[J].無線電通信技術(shù)，2014，40（5）：9-12.

[6]朱光文.地鐵信號(hào)系統(tǒng)中車—地?zé)o線通信傳輸?shù)目垢蓴_研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012（8）：55-56.