戴克平，韓志永

（1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037；2.河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)設(shè)計

戴克平1，韓志永2

（1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037；2.河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

針對車地?zé)o線通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求，介紹了TD-LTE技術(shù)的特點，提出了一種基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案。針對系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及難點問題進行了詳細說明：提出了綜合承載業(yè)務(wù)的Qos規(guī)劃；闡述了系統(tǒng)抗干擾設(shè)計；介紹了系統(tǒng)的移動性設(shè)計和系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計。通過實驗線系統(tǒng)測試驗證，證明了系統(tǒng)設(shè)計的合理性和TD-LTE技術(shù)應(yīng)用在車地?zé)o線通信領(lǐng)域的可行性。

TD-LTE；軌道交通；車地?zé)o線通信；CBTC；CCTV；PIS

0 引言

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其安全性、舒適性和高效性得到社會的普遍關(guān)注。車地?zé)o線通信系統(tǒng)作為有線傳輸網(wǎng)絡(luò)的延伸，擔(dān)負著軌道交通運行過程中，車輛與外界信息交互的“橋梁”作用。為行車所需的閉路電視系統(tǒng)（Closed-Circuit TeleVision systerm，CCTV）、乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）、列車控制系統(tǒng)（Commu- nication-based Train Control，CBTC）等提供車輛與車站／控制中心之間的無線傳輸通道。

目前業(yè)內(nèi)車地?zé)o線傳輸主要以IEEE802.11系列WLAN技術(shù)為主，作為一種寬帶無線接入技術(shù)，其在網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化、經(jīng)濟性方面具有一定優(yōu)勢，但其存在的一些固有局限性，限制了軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的發(fā)展：①設(shè)備密集、維護不便：WLAN天線范圍覆蓋較小，每間隔200 m需布設(shè)一個天線，增加了隧道內(nèi)有源設(shè)備數(shù)量，維護困難，同時帶來頻繁的越區(qū)切換；②業(yè)務(wù)帶寬嚴重受限：WLAN上下行采用CSMA／CA機制，上下行競爭是使用信道資源，當(dāng)用戶增多碰撞幾率增加，吞吐量下滑嚴重；③易受干擾：WLAN工作在民用開放2.4G頻段，尤其近年來wifi設(shè)備在公眾中的普及，使得基于WLAN的車地?zé)o線設(shè)備易受同頻段設(shè)備干擾；④Qos無法保證：多業(yè)務(wù)并發(fā)時不能按照優(yōu)先級調(diào)度，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)帶寬無法保障，不適用于綜合承載；⑤高速移動性差：WLAN沒有充分考慮高速移動性的環(huán)境需求，當(dāng)列車速度超過80 km／h時，其移動性明顯不足。

1 總體設(shè)計

1.1 TD-LTE技術(shù)介紹

TD-LTE是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，得到政府的大力支持，其采用OFDM技術(shù)、MIMO天線技術(shù)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、更低的傳輸時延和更高的安全性，支持廣域覆蓋和高速移動。TD-LTE主要技術(shù)優(yōu)勢如下。

①高數(shù)據(jù)吞吐率：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移動場景下平均吞吐速率可達70 Mbps，上行速率26 Mbps，下行速率44 Mbps；②高頻譜利用率：下行鏈路頻譜利用率可達5（bit／s）／Hz，上行鏈路頻譜利用率可達2.5（bit／s）／Hz；③帶寬靈活配置，支持非對稱頻譜：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；④低系統(tǒng)時延：扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)元節(jié)點少，用戶面?zhèn)鬏敃r延＜10 ms，控制面信令傳輸時延＜100 ms；⑤完善的多級Qos：保證多種不同質(zhì)量要求業(yè)務(wù)的并發(fā)服務(wù)質(zhì)量；⑥高速移動性：采用頻偏補償機制，有效克服多普勒效應(yīng)，支持350 km／h的高速移動。

1.2 系統(tǒng)需求

在系統(tǒng)業(yè)務(wù)方面，基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)不僅需要完成傳統(tǒng)車地?zé)o線通信系統(tǒng)承載的CCTV、PIS業(yè)務(wù)，還需要完成原來單獨部署的CBTC業(yè)務(wù)，在未來還可以考慮完成語音集群調(diào)度業(yè)務(wù)，實現(xiàn)軌道交通業(yè)務(wù)的綜合承載。

在系統(tǒng)帶寬方面，上述業(yè)務(wù)所需的帶寬需求如表1所示。

表1 綜合承載需求列表

在高速移動性方面，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間和降低因切換帶來的數(shù)據(jù)損失，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。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)嚴格遵循以下原則進行設(shè)計：①可靠性原則，任何節(jié)點雙備份，避免單點故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓；②安全性原則：多級鑒權(quán)機制避免非法用戶攻擊，通過數(shù)據(jù)加密和完整性保護算法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；③實時性原則：為實現(xiàn)對車輛的安全控制，視頻傳輸?shù)那逦鲿常瑪?shù)據(jù)傳輸要具有低延時；④高帶寬原則：為傳輸高質(zhì)量視頻，上下行要具有大帶寬；⑤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。

基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用A／B雙網(wǎng)部署、A／B雙網(wǎng)冗余、雙網(wǎng)獨立并行工作，互不影響，任何一個節(jié)點或一張網(wǎng)絡(luò)故障，不會影響綜合承載業(yè)務(wù)。A網(wǎng)承載CBTC、CCTV和PIS，分配15 MHz帶寬；B網(wǎng)只承載CBTC，分配5 MHz帶寬；系統(tǒng)共占用20 MHz帶寬。

控制中心部署雙套核心網(wǎng)設(shè)備，核心網(wǎng)設(shè)備分別與CBTC、CCTV和PIS的業(yè)務(wù)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。

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，通過車載交換機與CBTC、CCTV和PIS的車載設(shè)備相連。

2 需解決的問題

按照如上總體設(shè)計的描述，基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要解決如下幾個核心問題：

①綜合承載業(yè)務(wù)的QoS設(shè)計：基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)承載多種業(yè)務(wù)，各種業(yè)務(wù)之間以及同種業(yè)務(wù)的不同內(nèi)容之間，需要采用優(yōu)先級保證設(shè)計，這是系統(tǒng)設(shè)計的一個核心問題；

②系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計：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)部的同頻干擾都對系統(tǒng)性能有很大影響。尤其是北京的1.4 GHz頻段的TD-LTE政務(wù)專網(wǎng)對于系統(tǒng)的異網(wǎng)同頻干擾是系統(tǒng)設(shè)計的另一個核心問題；

③系統(tǒng)的高可靠設(shè)計：系統(tǒng)承載的CBTC業(yè)務(wù)是關(guān)鍵性業(yè)務(wù)，因此系統(tǒng)的高冗余性和高可靠性是系統(tǒng)設(shè)計的第3個核心問題。

3 系統(tǒng)設(shè)計

針對上述需解決的問題，系統(tǒng)設(shè)計采用的關(guān)鍵技術(shù)如下所述。

3.1 綜合承載業(yè)務(wù)Qos設(shè)計

TD-LTE系統(tǒng)可以實現(xiàn)了9個調(diào)度優(yōu)先級，用于CBTC、CCTV和PIS等不同的業(yè)務(wù)。系統(tǒng)為不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)設(shè)計不同QoS并分配ARP和QCI參數(shù)。各業(yè)務(wù)的ARP分配由高到低，同時根據(jù)各業(yè)務(wù)對可靠性、時延的要求，系統(tǒng)為其分配不同的QCI，如表2所示。

表2 綜合承載Sos定義

系統(tǒng)通過IP地址和端口號識別不同的業(yè)務(wù)，針對不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級進行資源調(diào)度。

通過上述方法可以實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)差異化，同時還可以針對同一業(yè)務(wù)實現(xiàn)不同用戶使用時的業(yè)務(wù)體驗差異。

3.2 抗干擾設(shè)計

基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)的干擾問題主要分為其他通信系統(tǒng)的干擾，TD-LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾和其他TD-LTE系統(tǒng)的異網(wǎng)同頻干擾。

針對以上干擾，系統(tǒng)采用的抗干擾措施包括：

（1）全線采用漏泄電纜覆蓋

為減小對異網(wǎng)的干擾和提高自身抗干擾能力，全線采用漏泄電纜進行覆蓋，并可以采用空間隔離，或采用POI合路等方法增加與通信系統(tǒng)的隔離度，減少相互干擾。

（2）無線參數(shù)優(yōu)化

針對系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾，可以對LTE設(shè)備無線參數(shù)進行優(yōu)化來進行小區(qū)間干擾控制和消除。可采用的優(yōu)化方法包括采用異頻調(diào)度、IRC算法和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）技術(shù)。小區(qū)下行可采用異頻調(diào)度來滿足小區(qū)邊緣的信噪比，保證小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)速率。通過IRC算法可以將單小區(qū)來自列車運行相反方向的干擾去除，用于進行上行干擾消除。通過ICIC進行小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化，ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個小區(qū)中無線資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或者在一定的時頻資源上限制其發(fā)射功率，通過考慮多個小區(qū)中資源使用和負載等情況對多小區(qū)無線資源進行管理使得小區(qū)間干擾得到控制。

（3）增強TD-LTE信號強度

為了增強弱信號區(qū)的信號強度，采用如下措施：①增大接收天線增益。增加天線增益就可以在一個確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。基于天線增益的重要性，采用室外型雙極化平板天線，天線增益為13 dbi，提高了TAU的接收信號電平。②加大弱信號區(qū)射頻信號強度，提高弱信號的抗干擾能力?；緹o線射頻單元發(fā)出的射頻信號，通過饋線送到漏纜，在漏纜中進行電磁波傳送。射頻信號的強弱，對漏纜的覆蓋半徑和強度有直接關(guān)系。增加射頻信號強度有利于抑制干擾。③采用沿線布置站點的方式，在干擾強度大的位置RRU的布置間距相對變小，而在隧道路段和干擾弱的位置RRU的布置間距可相對加大。

（4）利用車輛的屏蔽作用降低干擾

針對最嚴重的異網(wǎng)同頻干擾，還可以利用車輛的屏蔽作用降低干擾，列車車體對干擾信號有一定屏蔽作用，有大約10～20 dB左右的車體屏蔽效果。所以將車載天線設(shè)置在車體底部或車體一側(cè)。這樣可以利用這10～20 dB的車體屏蔽效果，降低對車地?zé)o線通信系統(tǒng)的干擾。另外降低天線的安裝位置也有利于抑制相互干擾。

如圖2顯示，采用車載定向平板天線安裝在車底側(cè)面，漏纜開槽正對車載平板天線，有利于降低相互干擾。

圖2 車體屏蔽原理圖

3.3 高可靠性設(shè)計

由于軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)要承載CBTC，而CBTC是列車運行控制的大腦，所以高可靠性是車地?zé)o線通信的重中之重。系統(tǒng)采用雙網(wǎng)設(shè)備冗余和設(shè)備內(nèi)板卡冗余的多級冗余理念來確保車地?zé)o線通信的高可靠性。

系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備（核心網(wǎng)、基站BBU、基站RRU、車載TAU）每節(jié)點均部署2套獨立的同類型設(shè)備，構(gòu)成兩張獨立的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)同時對外提供承載業(yè)務(wù)，一張網(wǎng)絡(luò)故障時，另一網(wǎng)絡(luò)仍可保證通信暢通。

核心網(wǎng)設(shè)備內(nèi)每塊板卡均支持冗余熱備；基站BBU設(shè)備主控板支持主備，基帶板間支持冗余備份，可實現(xiàn)故障小區(qū)跨板重建，保證小區(qū)業(yè)務(wù)能夠自動恢復(fù)，降低小區(qū)業(yè)務(wù)中斷時間；單級RRU冷環(huán)備份；車載TAU車頭車尾互備。這樣不會因為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備某一板卡故障而引起整個網(wǎng)絡(luò)故障。

4 設(shè)計驗證及結(jié)果分析

4.1 測試場景

為了驗證上述基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)的設(shè)計方案的可行性和系統(tǒng)的綜合承載能力，在完成實驗室模擬實驗的基礎(chǔ)上，進行了實驗段測試驗證工作。

實驗段測試在北京東北五環(huán)外側(cè)鐵科院環(huán)形鐵路進行。環(huán)形鐵路線路長度為8.6 km，包括785 m高架橋以及925 m隧道（含兩個U型槽），其余為露天環(huán)境，環(huán)形鐵路為鐵科院專用試驗線路，具備安裝TD-LTE測試設(shè)備的條件，能夠進行全天候測試。經(jīng)過現(xiàn)場勘測，全線路處于北京市1.4G政務(wù)網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)，因此所有的測試內(nèi)容均在異網(wǎng)同頻干擾條件下進行。系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測試驗證結(jié)構(gòu)圖

測試設(shè)備包括2套LTE設(shè)備，A／B雙網(wǎng)方案，A網(wǎng)帶寬15 MHz，B網(wǎng)帶寬5 MHz。每個網(wǎng)絡(luò)包括核心網(wǎng)1臺、BBU 2臺、RRU 9臺，車載TAU 1臺。BBU通過以太網(wǎng)交換機直接接入LTE核心網(wǎng)設(shè)備。區(qū)間采用RRU／漏纜覆蓋，平交道口采用RRU／定向天線覆蓋。

測試方案中RRU與BBU采用交叉聯(lián)接的目的是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：傳輸性能測試、綜合承載測試、設(shè)備穩(wěn)定性、單網(wǎng)故障測試和極限性能測試五大方面。

4.2 測試結(jié)果分析

實驗段測試的結(jié)果如表4所示。

表4 系統(tǒng)測試結(jié)果

對于系統(tǒng)可靠性測試表明，系統(tǒng)的單網(wǎng)或單點故障均不影響CBTC信息、列車狀態(tài)信息和緊急文本信息的傳輸。

對于系統(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、CCTV和PIS綜合承載的傳輸需求；最惡劣情況時，雙網(wǎng)均可滿足CBTC和緊急文本信息的傳輸需求，但CCTV和PIS偶爾會出現(xiàn)卡頓。

通過上述測試，驗證了基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)進行綜合承載時能夠保障CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸，能夠滿足緊急文本下發(fā)和列車實時狀態(tài)監(jiān)控的傳輸需求，同時能為CCTV和PIS等業(yè)務(wù)提供有效的通信保障，證明了系統(tǒng)設(shè)計的可行性和合理性。

5 結(jié)束語

TD-LTE作為目前最先進的4G無線技術(shù)，在國內(nèi)已經(jīng)開始大規(guī)模商用，產(chǎn)業(yè)鏈趨于完善，具有高帶寬、高質(zhì)量、高可靠、高抗干擾能力等優(yōu)良特性，與其他技術(shù)相比，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)可以完成車地?zé)o線通信綜合承載以外，未來還可以實現(xiàn)寬帶多媒體集群調(diào)度業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)全業(yè)務(wù)綜合承載?；赥D-LTE技術(shù)還可以進行大規(guī)模組網(wǎng)、多條線路混合組網(wǎng)，降低系統(tǒng)的總體建設(shè)投資和運營維護成本。相信在未來幾年，TD-LTE技術(shù)一定會在國內(nèi)軌道交通車地?zé)o線通信應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)大放異彩。

［1］闞庭明.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢探討［J］.鐵路計算機應(yīng)用，2009，18（1）：37－39.

［2］張利彪.城市軌道交通信號與通信系統(tǒng)［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］李曉江.城市軌道交通技術(shù)規(guī)范實施指南［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］李佳祎.軌道交通PIS與CBTC無線組網(wǎng)技術(shù)及干擾［J］.鐵道工程學(xué)報，2011（6）：88－91.

［5］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，2011（6）：4－6.

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

［7］劉 晉.LTE自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.無線電通信技術(shù)，2014，40（6）：89－92.

［8］羅洪中，胡 晶，李澤朋.LTE技術(shù)在機動接入中的應(yīng)用與研究［J］.無線電工程，2012，42（4）：51－52，64.

［9］楊桂芹，胡 瀅，趙春和.3GPP LTE中基于HARQ技術(shù)的吞吐量性能研究［J］.無線電工程，2013，43（4）：48－50.

［10］李 青.TD-LTE系統(tǒng)PCI規(guī)劃方法研究［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（5）：66－67，92.

［11］張 浩，師彥靜，蔣 毅.TD-LTE中MBSFN動態(tài)區(qū)域配置研究［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（5）：6－10.

［12］ETS TR103 111：Electromagnetic Compatibilityand Radio Spectrum Matters（Erm）；System Reference Docu-ment（Srdoc）；Spectrum Requirements for Urban Rail Sys-tems in 5.9 Ghz Range［S］，2014.

Design of Train-Ground Wireless Communication System Based on TD-LTE Technology

DAI Ke-ping1，HAN Zhi-yong2
（1.Beijing Metro Construction and Management Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2.Hebei Far East Communication System Engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050200，China）

For the application requirements of Train-ground wireless communication system，the features of TD-LTE technology is introduced，and a TD-LTE technology based Train-ground wireless communication system architecture design solution is presented.The key technology and difficult problems of the system architecture design are specified in details.The QoS plan of integrated bearer service is presented.The anti-interference design of the system is described.And the mobility design and high reliability design of the system are introduced.Finally，system test verification on the experimental rail line is performed.And the rationality of the system design and the feasibility of the TD-LTE technology on the Train-ground wireless communication field are proved.

TD-LTE；Metro；Train-ground Wireless Communication；CBTC；CCTV；PIS

TN929.52

A

1003－3114（2015）06－06－3

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.02

戴克平，韓志永.基于TD-LTE技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)設(shè)計［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（6）：06－09，31.

2015－06－22

北京市科技計劃項目，城市軌道交通專用車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）研制與示范應(yīng)用（D151100005615003）

戴克平（1959―），男，高級工程師，主要研究方向：軌道交通無線通信技術(shù)。韓志永（1967―），男，工程師，主要研究方向：行業(yè)專網(wǎng)通信系統(tǒng)與裝備。