馬彥波 蔣國華

摘要：介紹了TD-LTE的技術特點及其用于信號和集群語音承載的需求和關鍵性問題，描述基于TD-LTE信號與集群承載系統(tǒng)的總體設計原則和整體架構，并著重介紹其中的關鍵技術設計來解決信號和集群語音承載的問題，關鍵技術設計包括綜合承載業(yè)務Qos設計、抗干擾設計和高可靠性設計。通過實地搭建實驗環(huán)境，測試TD-LTE無線性能和極限性能，給出實驗結論，證明系統(tǒng)設計的可行性和合理性。

關鍵詞：TD-LTE；軌道交通；車地無線通信；CBTC；集群語音

中圖分類號：TP301文獻標志碼：A文章編號：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

隨著城市化進程的加快和國內經(jīng)濟的高速發(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行安全和乘客體驗的重要保障。傳統(tǒng)的車地無線通信技術由于帶寬受限、頻段開放及切換頻繁等諸多先天缺陷，存在衍生業(yè)務少、帶寬不穩(wěn)定、安全性無法保障、數(shù)據(jù)傳輸質量低及產(chǎn)品維護成本高等問題，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技術在城市軌道交通專網(wǎng)領域的應用，越來越多的城市使用該技術綜合承載CBTC、PIS、CCTV、緊急文本及TCMS等數(shù)據(jù)業(yè)務。

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

1技術介紹和需求分析

1.1 TD-LTE技術介紹

TD-LTE是我國主導的第4代移動通信標準，受到了國家的大力扶持，國家為軌道交通專網(wǎng)批復了專用頻率（1 785～ 1 805 MHz），同時國內具備芯片、終端、基站、核心網(wǎng)及調度等完整的產(chǎn)業(yè)鏈，且具有自主知識產(chǎn)權。該技術采用OFDM、MIMO天線及64QAM調制技術等，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[2]。

TD-LTE主要技術優(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高速移動性：采用頻偏補償機制，有效克服多普勒效應，支持350 Km/h的高速移動；③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]；④低時延：扁平網(wǎng)絡結構，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，可以調整上下行流量；⑥完善的多級QoS：保證多種不同等級業(yè)務的并發(fā)服務質量。

1.2系統(tǒng)需求

系統(tǒng)以滿足軌道交通車地無線通信業(yè)務需求為原則，保證列車運行控制系統(tǒng)安全可靠性的同時承載集群語音業(yè)務[4]。對于承載CBTC和集群語音業(yè)務的帶寬需求，如表1所示。

在高速移動性方面，系統(tǒng)應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)時延，以保證承載的業(yè)務質量，尤其是CBTC業(yè)務質量不受損失。

2需解決的問題

基于TD-LTE的信號與集群承載系統(tǒng)需要解決如下幾個關鍵問題：

①CBTC與集群業(yè)務的QoS設計：系統(tǒng)承載CBTC、集群語音等業(yè)務，各種業(yè)務之間以及同種業(yè)務的不同業(yè)務流之間，需要采用合理的優(yōu)先級保證設計，這是系統(tǒng)設計的一個關鍵問題。

②系統(tǒng)的抗干擾設計：軌道交通的隧道環(huán)境無線傳輸特性復雜，不同通信網(wǎng)之間的干擾，以及TD-LTE系統(tǒng)內部的同頻干擾都對系統(tǒng)性能有很大的影響，因此抗干擾設計是系統(tǒng)設計的另一個關鍵問題。

③系統(tǒng)的高可靠設計：系統(tǒng)承載的CBTC業(yè)務是關鍵性業(yè)務，且系統(tǒng)承載的集群語音業(yè)務要求冗余備份，因此系統(tǒng)的高冗余性和高可靠性是系統(tǒng)設計的第3個關鍵問題。

3總體設計

基于TD-LTE技術的車地無線通信系統(tǒng)嚴格遵循以下原則進行設計：①實時性原則：為實現(xiàn)對車輛的安全控制，數(shù)據(jù)傳輸要具有低時延；②高帶寬原則：為傳輸高質量集群視頻呼叫業(yè)務，上下行要具有大帶寬；③可靠性原則，任何節(jié)點雙備份，避免單點故障導致網(wǎng)絡癱瘓；④環(huán)境適應性原則：充分考慮軌旁設備、車輛設備的環(huán)境要求；⑤安全性原則：多級鑒權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浴?/p>

基于TD-LTE的信號與集群承載系統(tǒng)架構如圖1所示。

整個基于TD-LTE的信號與集群承載系統(tǒng)采用A/B雙網(wǎng)部署和A/B雙網(wǎng)冗余，雙網(wǎng)獨立并行工作，互不影響，任何一個節(jié)點或一張網(wǎng)絡故障，不會影響承載業(yè)務。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)設備，核心網(wǎng)設備分別與CBTC業(yè)務服務器、集群調度服務器相連，通過雙路由設備保證業(yè)務間的隔離。

在車站布置TD-LTE基站BBU（雙套）和RRU（按需配置）設備。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)設備連接，且B網(wǎng)的BBU采用RAN-SHARING技術通過通信傳輸系統(tǒng)提供的通道與A網(wǎng)的控制中心核心網(wǎng)設備連接，進一步提高無線接入網(wǎng)絡的可用性[5]，實現(xiàn)集群業(yè)務的無線接入網(wǎng)冗余。

在每列車的車頭和車尾分別設置1套車載接入設備TAU和車載臺，其中TAU設備與CBTC的車載設備相連，車載臺與TAU通過合理器共用天線。

4關鍵技術

4.1 CBTC與集群業(yè)務QoS設計

在系統(tǒng)業(yè)務方面，利用TD-LTE技術的9級QoS保障機制，可以為CBTC和集群語音業(yè)務設計不同優(yōu)先級，確保不同業(yè)務并發(fā)時資源的合理分配。業(yè)務從外部經(jīng)過LTE網(wǎng)絡定義的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現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務等級差異化，同時還可以針對同一業(yè)務的不同用戶區(qū)分優(yōu)先級，確保重點用戶的體驗。

4.2抗干擾設計

基于TD-LTE的信號與集群承載系統(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)內抗干擾措施

系統(tǒng)內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、ICIC（干擾協(xié)調）、基帶解調IRC（干擾抑制合并）等技術可以對小區(qū)間的干擾進行控制和消除。多徑干擾主要是無線信號在隧道內壁、車體及其他室內物體上進行反射時產(chǎn)生的，通過為OFDM符號增加循環(huán)前綴的方式和采用泄漏電纜減少多徑時延的方式對抗多徑干擾。

4.3高可靠性設計

CBTC和無線集群調度業(yè)務均屬于城市軌道交通安全運營關鍵生產(chǎn)業(yè)務，可靠性要求極高，本項目不僅通過網(wǎng)絡級冗余、設備級備份進行可靠性設計，而且還在傳輸組網(wǎng)、設備供電、網(wǎng)絡鏈路及應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)級冗余設計

系統(tǒng)有線承載網(wǎng)采用A、B雙網(wǎng)架構，實現(xiàn)2個完全獨立的骨干傳輸通道，在任一張網(wǎng)設備出現(xiàn)故障時均能保障承載業(yè)務不受影響。

（2）設備級可靠性設計

A系統(tǒng)有線傳輸設備采用單臺配置雙主控雙業(yè)務板，上下行環(huán)網(wǎng)接入端口分布于不同單板設備，設備本身具有高可靠性設計。

（3）無線集群調度可靠性設計

集群調度接入鏈路備份，當某一臺集群接入交換機與骨干網(wǎng)之間的網(wǎng)絡鏈路中斷時，它還可以通過與另一臺集群接入交換機的網(wǎng)絡鏈路實現(xiàn)與骨干網(wǎng)交換機之間的網(wǎng)絡連接，該集群接入交換機不會脫網(wǎng)，可以繼續(xù)為所連接的應用設備提供網(wǎng)絡接入服務，可以有效防止單個鏈路中斷導致交換機及其連接的應用設備脫網(wǎng)。

（4）鏈路級可靠性設計

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現(xiàn)傳輸鏈路的冗余備份：A網(wǎng)BBU設備通過不同的網(wǎng)口分別與LTE-A骨干網(wǎng)交換機和LTE-B骨干網(wǎng)交換機進行互聯(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現(xiàn)路由備份功能。當主路由出現(xiàn)異常時，BBU可通過路由主備倒換，選擇走備份路由，從而避免業(yè)務中斷等嚴重影響。

5設計驗證及結果分析

5.1測試場景

測試環(huán)境選擇寧波1號線二期五鄉(xiāng)至邱隘區(qū)間，時間節(jié)點選擇1號線二期信號完整功能調試完成時，用信號CBTC系統(tǒng)實際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)做測試。試驗頻率為1 790～1 800 MHz頻段。主要測試設備包括EPC（2臺）、BBU（4臺）、RRU（8臺）、1.8 G定向天線（5套）、交換機（2套）、網(wǎng)管系統(tǒng)（1套）、調度系統(tǒng)（1套）、車載天線（5套）、TAU（1套）及信號系統(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個方面。

5.2測試結果分析

實驗段測試的結果如表1所示。

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、集群語音信息的傳輸。對于系統(tǒng)的抗干擾測試表明，一般干擾條件下，基于TD-LTE技術可滿足CBTC和集群語音的傳輸需求，情況最惡劣時，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的信號與集群承載網(wǎng)絡完全可以適用于CBTC業(yè)務和集群語音業(yè)務，證明了系統(tǒng)設計的可行性和合理性。

6結束語

TD-LTE在國內軌道交通專網(wǎng)領域已經(jīng)開始大規(guī)模商用，產(chǎn)業(yè)鏈趨于完善，與其他技術相比，具有高帶寬、高質量、高可靠及高抗干擾能力等優(yōu)良特性，更適合應用于軌道交通車地無線通信領域。

基于TD-LTE技術綜合承載CBTC、PIS、CCTV已在多個城市有開通案例，對于同時承載CBTC和集群語音業(yè)務的應用模式國內仍在探索中。相信在未來幾年，該應用模式會推廣普及，為TD-LTE在城市軌道交通專網(wǎng)領域探索出一條新的應用之路。

參考文獻

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