TD-LTE技術承載地鐵集群通信業務問題研究

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)技術在移動通信公用網絡的大規模成熟商用，以及地鐵運營方對無線調度功能寬帶化、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 等傳統窄帶集群通信技術對國內行業用戶的專利、加密、價格等方面的限制，TD－LTE 技術承載地鐵集群業務的發展方向已經被行業廣泛關注。

目前，TD－LTE 技術標準已實現為普通商業和消費電子用戶提供高帶寬的個人數據業務，TD－LTE 技術憑借其扁平化的網絡架構、較高的頻率利用率，有著承載多媒體集群通信的先天優勢。TD－LTE 技術現有的協議沒有完整的集群解決方案，部分設備商通過增加調度單元，已經有了在港口、貨場、電力等非應急場景的應用。全球TETRA 及關鍵通信聯合會(TCCA)對于涉及公共安全和關鍵業務的集群通信演進方向定義為TETRA +LTE，表示仍希望由TETRA 繼續承載關鍵語音業務。

TD－LTE 技術要成為適用于傳送關鍵任務型數據和語音應用的解決方案，特別是承載高質量集群語音業務還面臨著很多的挑戰。現對TD－LTE技術承載地鐵專用集群調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技術承載語音業務的服務質量保障

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

VoLTE 是3GPP 協議定義的 LTE 語音解決方案［1］，在全IP 條件下提供端到端的語音服務。整個架構涉及終端、無線、PS、IMS(IP 多媒體子系統)等各網元，旨在替代電路域話音業務。VoLTE 語音解決方案的核心思想是采用IMS 作為業務控制層系統，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(短信網關)等互通功能，使用IMS 和無線接入網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量控制能力。通過在核心網全面部署 IMS 系統，可以說是考慮在應用層解決VoIP 的服務質量問題。但在地鐵專網實現VoLTE 的難度較大，主要是由于核心網側全面部署 IMS 系統的復雜度大、成本高，以及終端對IMS 協議棧的支持度等問題。

另一種可行的辦法是對標準LTE 協議進行修改，在邏輯資源管理、調度方式、數據包結構等方面進行優化，通過擴展NAS(非接入層)協議消息實現集群語音業務(包括單呼、組呼)的會話管理，縮短語音信息的網絡時延，實現VoIP 語音的服務質量保證。

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

圖1 語音優化方案示意圖

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元數量;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，以提高轉發效率。

2 信令風暴問題

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

在TD－LTE 技術的集群系統中，在任何時刻群組內只允許一個終端擁有話權，當群組內大量終端從一個小區切換到另一個小區時，或者非話權終端搶占剛剛釋放的話權時，這些處于非鏈接狀態的終端將首先切換到鏈接狀態，然后執行向目標小區的切換。

假設群組有N 個處于空閑狀態的終端發起群體切換，這些終端將首先切換到鏈接狀態，然后再執行向目標小區的切換。一般終端建立鏈接態需要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，目標小區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的處理信令能力有限，這就會造成這兩個小區的信令風暴，直接表現出的現象是終端掉話，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 非話權終端小區切換流程示意

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

3 語音及視頻下行組呼的實現

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度系統最常用的功能。在同一個基站群組內的用戶是可以共享下行無線信道資源。TD－LTE 技術承載集群業務后，其語音組呼及視頻組呼的實現有兩種方式:一是通過標準協議中廣播多播業務實現;二是通過增加下行邏輯信道承載組呼控制信息來實現。

3GPP 協議R9 定義的LTE 增強型多媒體廣播多播業務(eMBMS)［4］，提供了其實現下行資源共享的可行性。由于eMBMS 在空口采用組播/廣播模式，不僅要求網絡具備時間同步能力，還要求承載網具備組播能力，以便高效地將相同內容的信息復制到所有的基站。而且當組內用戶頻繁進出當前LTE eMBMS 小區，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。較高的網絡復雜度，使得eMBMS 在LTE 公網中的應用也較為緩慢，當eMBMS 實現規模化部署后，可根據成熟經驗再向專網推廣應用。

另一種方式是通過優化標準協議，在下行方向新增3 個邏輯信道TTCH(集群業務信道)、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集群點對多點下行業務，也是B－TrunC(寬帶集群C)標準推薦的空口技術模型之一。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務的接續時間。

4 直通模式的實現

直通模式(DMO)是窄帶數字集群通信系統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字對講機”。在ETSI(歐洲電信標準化協議)EN 300396 協議中已完整地定義了直通模式的各種實現方式。DMO 至少具備三個優點:提供了終端在天饋覆蓋區之外的通信能力;由于使用了專用的頻點，保證了天饋覆蓋區內脫網對講的私密性;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規劃中，一般都會申請一定數量的頻點資源用于DMO。

現階段LTE 協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)的通信協議，依舊需要基站參與信令的處理和資源的分配，這與傳統的DMO 完全脫離基站的工作方式還是不同的。

我國用于專網的TD－LTE 技術頻點資源有限，并且 TD－LTE 技術可分配的最小載波帶寬是1.4 MHz，為實現傳統DMO 專門分配一定頻帶資源的可能性很小。如果要實現類似TETRA 系統的DMO 功能，一種可行的方式是在終端內植入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，同時調整基帶數據映射及射頻調制方式，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TD－LTE 技術的頻率資源是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內必然存在大量的同頻組網情況。雖然LTE依賴OFDM(正交頻分復用)技術中頻率之間的正交性解決了小區內的干擾，但對于同頻小區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，對于系統的C/I(信干比)并無影響，同頻小區間干擾抑制更多的是依靠ICIC(干擾協調技術)來實現。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 網絡，由于各自核心網之間沒有聯系，已經無法再通過ICIC 來解決網絡邊界間的無線干擾。

目前，只能通過工程手段規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 技術網絡有重疊區域的地方，應盡量調整頻點規劃，在2 個網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，以快速降低小區邊緣的參考信號功率等。

6 時間同步的問題

TD－LTE 技術作為時分系統有著高精度的同步要求以保證移動通信業務的漫游和切換。其頻率同步精度要求在0.05 ppm 以內，時鐘同步精度要求1.5 μs 以內［6］。在地鐵物業范圍內架設 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為TD－LTE 技術系統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是基于SDH(同步數字體系)的多業務傳送平臺(MSTP)。該傳輸技術承載的NTP(網絡時間協議)時鐘同步信息無法為TD－LTE 技術提供足夠精度的相位同步信息。TD－LTE 技術在地鐵行業推廣應用勢必將影響傳輸設備技術體制的選擇，可考慮MSTP +或PTN(網絡時間協議)、IP RAN(無線接入IP 網)等可承載1588 V2協議的傳輸技術。

7 結語

集群通信業務朝專網集群寬帶化、多媒體化的發展趨勢已經成為地鐵行業用戶的共識，基于TDLTE 技術的寬帶集群在地鐵領域的應用有著良好的前景。通過不斷解決和優化TD－LTE 技術在專網應用遇到的問題，融合傳統窄帶集群技術的優點和特點，將會進一步推進TD－LTE 技術承載關鍵型集群通信業務產業的快速發展。

［1］肖清華，汪丁鼎，許光斌，等. TD－LTE 網絡規劃設計與優化［M］.北京.人民郵電出版社，2013.

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

［3］趙先明，徐云翔，朱伏生.GoTa 4G 寬帶多媒體集群系統的研究［J］.中興通訊技術，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 同頻組網關鍵問題分析［J］.移動通信，2010(21):5.

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