基于TD-LTE的信號與集群承載研究

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境，測試TD-LTE無線性能和極限性能，給出實驗結論，證明系統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濟的高速發展，我國的城市軌道交通正步入發展的快車道?？煽俊⒏咝У能嚨赝ㄐ畔到y，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，存在衍生業務少、帶寬不穩定、安全性無法保障、數據傳輸質量低及產品維護成本高等問題，已無法滿足現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等數據業務。

目前大部分城市主要將該技術用于綜合承載CBTC、PIS、CCTV等數據業務，或者僅承載集群語音業務，還沒有將該技術同時用于承載CBTC和集群語音業務。截止目前，國內還沒有對LTE承載CBTC和集群語音業務開展研究工作。通過TD-LTE技術在一張網絡中完成CBTC數據和集群語音業務承載也是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、核心網及調度等完整的產業鏈，且具有自主知識產權。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：扁平網絡結構，網元節點少，用戶面傳輸時延<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務的并發服務質量。

1.2系統需求

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

在高速移動性方面，系統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據時延，以保證承載的業務質量，尤其是CBTC業務質量不受損失。

2需解決的問題

基于TD-LTE的信號與集群承載系統需要解決如下幾個關鍵問題：

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

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

③系統的高可靠設計：系統承載的CBTC業務是關鍵性業務，且系統承載的集群語音業務要求冗余備份，因此系統的高冗余性和高可靠性是系統設計的第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嚴格遵循以下原則進行設計：①實時性原則：為實現對車輛的安全控制，數據傳輸要具有低時延；②高帶寬原則：為傳輸高質量集群視頻呼叫業務，上下行要具有大帶寬；③可靠性原則，任何節點雙備份，避免單點故障導致網絡癱瘓；④環境適應性原則：充分考慮軌旁設備、車輛設備的環境要求；⑤安全性原則：多級鑒權機制避免非法用戶攻擊，通過數據加密和完整性保護算法保證數據傳輸的安全性。

基于TD-LTE的信號與集群承載系統架構如圖1所示。

整個基于TD-LTE的信號與集群承載系統采用A/B雙網部署和A/B雙網冗余，雙網獨立并行工作，互不影響，任何一個節點或一張網絡故障，不會影響承載業務。A網承載CBTC和集群語音，分配5 MHz帶寬；B網承載CBTC，分配5 MHz帶寬；系統共占用10 MHz帶寬?？刂浦行牟渴痣p套核心網設備，核心網設備分別與CBTC業務服務器、集群調度服務器相連，通過雙路由設備保證業務間的隔離。

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提供的通道與控制中心核心網設備連接，且B網的BBU采用RAN-SHARING技術通過通信傳輸系統提供的通道與A網的控制中心核心網設備連接，進一步提高無線接入網絡的可用性[5]，實現集群業務的無線接入網冗余。

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與集群業務QoS設計

在系統業務方面，利用TD-LTE技術的9級QoS保障機制，可以為CBTC和集群語音業務設計不同優先級，確保不同業務并發時資源的合理分配。業務從外部經過LTE網絡定義的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系統業務等級差異化，同時還可以針對同一業務的不同用戶區分優先級，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的干擾問題主要分為系統間干擾和系統內干擾2種。

（1）系統間抗干擾措施

系統采用頻率間隔方式和空間隔離方式來減小系統間干擾[6]。TD-LTE專網頻段為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。

系統選取1 790～1 800 MHz作為專網頻段，與GSM1800有5 MHz的隔離，可有效避免系統間干擾。

（2）系統內抗干擾措施

系統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干擾，通過功率控制技術、ICIC（干擾協調）、基帶解調IRC（干擾抑制合并）等技術可以對小區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生的，通過為OFDM符號增加循環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和無線集群調度業務均屬于城市軌道交通安全運營關鍵生產業務，可靠性要求極高，本項目不僅通過網絡級冗余、設備級備份進行可靠性設計，而且還在傳輸組網、設備供電、網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可靠性。

（1）系統級冗余設計

系統有線承載網采用A、B雙網架構，實現2個完全獨立的骨干傳輸通道，在任一張網設備出現故障時均能保障承載業務不受影響。

（2）設備級可靠性設計

A系統有線傳輸設備采用單臺配置雙主控雙業務板，上下行環網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之間的網絡鏈路中斷時，它還可以通過與另一臺集群接入交換機的網絡鏈路實現與骨干網交換機之間的網絡連接，該集群接入交換機不會脫網，可以繼續為所連接的應用設備提供網絡接入服務，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。

（4）鏈路級可靠性設計

為確保綜合承載A網BBU傳輸鏈路的可靠性，采用路由備份功能實現傳輸鏈路的冗余備份：A網BBU設備通過不同的網口分別與LTE-A骨干網交換機和LTE-B骨干網交換機進行互聯，為BBU和核心網之間建立2條物理鏈路，2條不同的物理鏈路實現路由備份功能。當主路由出現異常時，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

測試環境選擇寧波1號線二期五鄉至邱隘區間，時間節點選擇1號線二期信號完整功能調試完成時，用信號CBTC系統實際產生的數據做測試。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）、網管系統（1套）、調度系統（1套）、車載天線（5套）、TAU（1套）及信號系統（2套）。

測試方案中RRU與BBU采用交叉聯接，保證每次切換均是跨BBU的越區切換。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。

對于系統可靠性測試表明系統的單網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絡完全可以適用于CBTC業務和集群語音業務，證明了系統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領域已經開始大規模商用，產業鏈趨于完善，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領域探索出一條新的應用之路。

參考文獻

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[5]徐兵，謝志軍.LTE系統級仿真的關鍵技術與研究[J].無線電通信技術，2014，40（5）：9-12.

[6]朱光文.地鐵信號系統中車—地無線通信傳輸的抗干擾研究[J].鐵道標準設計，2012（8）：55-56.