摘要：介绍了TD-LTE的技术特点及其用于信号和集群语音承载的需求和关键性问题，描述基于TD-LTE信号与集群承载系统的总体设计原则和整体架构，并着重介绍其中的关键技术设计来解决信号和集群语音承载的问题，关键技术设计包括综合承载业务Qos设计、抗干扰设计和高可靠性设计。通过实地搭建实验环境，测试TD-LTE无线性能和极限性能，给出实验结论，证明系统设计的可行性和合理性。
关键词：TD-LTE；轨道交通；车地无线通信；CBTC；集群语音
中图分类号：TP301文献标志码：A文章编号：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
随着城市化进程的加快和国内经济的高速发展，我国的城市轨道交通正步入发展的快车道。可靠、高效的车地通信系统，是提升城市轨道交通运行安全和乘客体验的重要保障。传统的车地无线通信技术由于带宽受限、频段开放及切换频繁等诸多先天缺陷，存在衍生业务少、带宽不稳定、安全性无法保障、数据传输质量低及产品维护成本高等问题，已无法满足现今城市轨道交通车地宽带通信的需求[1]。随着TD-LTE技术在城市轨道交通专网领域的应用，越来越多的城市使用该技术综合承载CBTC、PIS、CCTV、紧急文本及TCMS等数据业务。
目前大部分城市主要将该技术用于综合承载CBTC、PIS、CCTV等数据业务，或者仅承载集群语音业务，还没有将该技术同时用于承载CBTC和集群语音业务。截止目前，国内还没有对LTE承载CBTC和集群语音业务开展研究工作。通过TD-LTE技术在一张网络中完成CBTC数据和集群语音业务承载也是LTE的一种应用方式，对于频率资源受限的城市颇具意义。
1技术介绍和需求分析
1.1 TD-LTE技术介绍
TD-LTE是我国主导的第4代移动通信标准，受到了国家的大力扶持，国家为轨道交通专网批复了专用频率（1 785～ 1 805 MHz），同时国内具备芯片、终端、基站、核心网及调度等完整的产业链，且具有自主知识产权。该技术采用OFDM、MIMO天线及64QAM调制技术等，使其具有更高的传输速率、更高的频谱利用率、更低的传输时延和更高的安全性，支持广域覆盖和高速移动[2]。
TD-LTE主要技术优势有：①高传输速率：在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbps，上行50 Mbps的峰值速率；0～120 Km/h移动场景下平均吞吐速率可达70 Mbps，上行速率26 Mbps，下行速率44 Mbps；②高速移动性：采用频偏补偿机制，有效克服多普勒效应，支持350 Km/h的高速移动；③高频谱利用率：下行链路频谱利用率可达5（bit/s）/Hz，上行链路频谱利用率可达2.5（bit/s）/Hz[3]；④低时延：扁平网络结构，网元节点少，用户面传输时延<10 ms，控制面信令传输时延<100 ms；⑤带宽灵活配置，支持非对称频谱：可灵活配置1.4～20 MHz间的多种系统带宽，可以调整上下行流量；⑥完善的多级QoS：保证多种不同等级业务的并发服务质量。
1.2系统需求
系统以满足轨道交通车地无线通信业务需求为原则，保证列车运行控制系统安全可靠性的同时承载集群语音业务[4]。对于承载CBTC和集群语音业务的带宽需求，如表1所示。
在高速移动性方面，系统应该充分考虑列車在高速情况下的切换问题，采用有效措施减少切换时间和降低因切换带来的数据时延，以保证承载的业务质量，尤其是CBTC业务质量不受损失。
2需解决的问题
基于TD-LTE的信号与集群承载系统需要解决如下几个关键问题：
①CBTC与集群业务的QoS设计：系统承载CBTC、集群语音等业务，各种业务之间以及同种业务的不同业务流之间，需要采用合理的优先级保证设计，这是系统设计的一个关键问题。
②系统的抗干扰设计：轨道交通的隧道环境无线传输特性复杂，不同通信网之间的干扰，以及TD-LTE系统内部的同频干扰都对系统性能有很大的影响，因此抗干扰设计是系统设计的另一个关键问题。
③系统的高可靠设计：系统承载的CBTC业务是关键性业务，且系统承载的集群语音业务要求冗余备份，因此系统的高冗余性和高可靠性是系统设计的第3个关键问题。
3总体设计
基于TD-LTE技术的车地无线通信系统严格遵循以下原则进行设计：①实时性原则：为实现对车辆的安全控制，数据传输要具有低时延；②高带宽原则：为传输高质量集群视频呼叫业务，上下行要具有大带宽；③可靠性原则，任何节点双备份，避免单点故障导致网络瘫痪；④环境适应性原则：充分考虑轨旁设备、车辆设备的环境要求；⑤安全性原则：多级鉴权机制避免非法用户攻击，通过数据加密和完整性保护算法保证数据传输的安全性。
基于TD-LTE的信号与集群承载系统架构如图1所示。
整个基于TD-LTE的信号与集群承载系统采用A/B双网部署和A/B双网冗余，双网独立并行工作，互不影响，任何一个节点或一张网络故障，不会影响承载业务。A网承载CBTC和集群语音，分配5 MHz带宽；B网承载CBTC，分配5 MHz带宽；系统共占用10 MHz带宽。控制中心部署双套核心网设备，核心网设备分别与CBTC业务服务器、集群调度服务器相连，通过双路由设备保证业务间的隔离。
在车站布置TD-LTE基站BBU（双套）和RRU（按需配置）设备。TD-LTE基站通过通信传输系统提供的通道與控制中心核心网设备连接，且B网的BBU采用RAN-SHARING技术通过通信传输系统提供的通道与A网的控制中心核心网设备连接，进一步提高无线接入网络的可用性[5]，实现集群业务的无线接入网冗余。
在每列车的车头和车尾分别设置1套车载接入设备TAU和车载台，其中TAU设备与CBTC的车载设备相连，车载台与TAU通过合理器共用天线。
4关键技术
4.1 CBTC与集群业务QoS设计
在系统业务方面，利用TD-LTE技术的9级QoS保障机制，可以为CBTC和集群语音业务设计不同优先级，确保不同业务并发时资源的合理分配。业务从外部经过LTE网络定义的QoS保障的分解和映射模型，如图2所示。
通过上述方法可以实现系统业务等级差异化，同时还可以针对同一业务的不同用户区分优先级，确保重点用户的体验。
4.2抗干扰设计
基于TD-LTE的信号与集群承载系统的干扰问题主要分为系统间干扰和系统内干扰2种。
（1）系统间抗干扰措施
系统采用频率间隔方式和空间隔离方式来减小系统间干扰[6]。TD-LTE专网频段为1 785MHz～1 805 MHz，与之相邻的频段为中国移动GSM1800频段，如图3所示。
系统选取1 790～1 800 MHz作为专网频段，与GSM1800有5 MHz的隔离，可有效避免系统间干扰。
（2）系统内抗干扰措施
系统内干扰包括同频干扰和多径干扰，同频干扰主要来自于同频邻区干扰，通过功率控制技术、ICIC（干扰协调）、基带解调IRC（干扰抑制合并）等技术可以对小区间的干扰进行控制和消除。多径干扰主要是无线信号在隧道内壁、车体及其他室内物体上进行反射时产生的，通过为OFDM符号增加循环前缀的方式和采用泄漏电缆减少多径时延的方式对抗多径干扰。
4.3高可靠性设计
CBTC和无线集群调度业务均属于城市轨道交通安全运营关键生产业务，可靠性要求极高，本项目不仅通过网络级冗余、设备级备份进行可靠性设计，而且还在传输组网、设备供电、网络链路及应急通信等方面采取了多种冗余保障措施以提升系统可靠性。
（1）系统级冗余设计
系统有线承载网采用A、B双网架构，实现2个完全独立的骨干传输通道，在任一张网设备出现故障时均能保障承载业务不受影响。
（2）设备级可靠性设计
A系统有线传输设备采用单台配置双主控双业务板，上下行环网接入端口分布于不同单板设备，设备本身具有高可靠性设计。
（3）无线集群调度可靠性设计
集群调度接入链路备份，当某一台集群接入交换机与骨干网之间的网络链路中断时，它还可以通过与另一台集群接入交换机的网络链路实现与骨干网交换机之间的网络连接，该集群接入交换机不会脱网，可以继续为所连接的应用设备提供网络接入服务，可以有效防止单个链路中断导致交换机及其连接的应用设备脱网。
（4）链路级可靠性设计
为确保综合承载A网BBU传输链路的可靠性，采用路由备份功能实现传输链路的冗余备份：A网BBU设备通过不同的网口分别与LTE-A骨干网交换机和LTE-B骨干网交换机进行互联，为BBU和核心网之间建立2条物理链路，2条不同的物理链路实现路由备份功能。当主路由出现异常时，BBU可通过路由主备倒换，选择走备份路由，从而避免业务中断等严重影响。
5设计验证及结果分析
5.1测试场景
测试环境选择宁波1号线二期五乡至邱隘区间，时间节点选择1号线二期信号完整功能调试完成时，用信号CBTC系统实际产生的数据做测试。试验频率为1 790～1 800 MHz频段。主要测试设备包括EPC（2台）、BBU（4台）、RRU（8台）、1.8 G定向天线（5套）、交换机（2套）、网管系统（1套）、调度系统（1套）、车载天线（5套）、TAU（1套）及信号系统（2套）。
测试方案中RRU与BBU采用交叉联接，保证每次切换均是跨BBU的越区切换。测试内容主要包括TD-LTE无线性能测试、TD-LTE极限性能测试、LTE承载测试、集群功能测试及故障测试等5个方面。
5.2测试结果分析
实验段测试的结果如表1所示。
对于系统可靠性测试表明系统的单网或单点故障均不影响CBTC信息、集群语音信息的传输。对于系统的抗干扰测试表明，一般干扰条件下，基于TD-LTE技术可满足CBTC和集群语音的传输需求，情况最恶劣时，双网均可满足CBTC和集群语音的传输需求。
综上所述，基于TD-LTE的信号与集群承载网络完全可以适用于CBTC业务和集群语音业务，证明了系统设计的可行性和合理性。
6结束语
TD-LTE在国内轨道交通专网领域已经开始大规模商用，产业链趋于完善，与其他技术相比，具有高带宽、高质量、高可靠及高抗干扰能力等优良特性，更适合应用于轨道交通车地无线通信领域。
基于TD-LTE技术综合承载CBTC、PIS、CCTV已在多个城市有开通案例，对于同时承载CBTC和集群语音业务的应用模式国内仍在探索中。相信在未来几年，该应用模式会推广普及，为TD-LTE在城市轨道交通专网领域探索出一条新的应用之路。
参考文献
[1]黄佳强.LTE在地铁乘客信息系统无线传输中的应用[J].铁道工程学报，2014，31（11）：111-115.
[2]时虎.乘客信息系统（PIS）车—地无线通信LTE组网设计研究[J].铁路通信信号工程技术，2017，14（5）：54-56.
[3]陶伟.列车运行控制系统车地无线通信的频段选择[J].城市轨道交通研究，2012（4）：40-43.
[4]穆潇，夏昕.基于LTE的乘客信息系统车地无线通信方案研究[J].科技创新导报，2012（14）：4.
[5]徐兵，谢志军.LTE系统级仿真的关键技术与研究[J].无线电通信技术，2014，40（5）：9-12.
[6]朱光文.地铁信号系统中车—地无线通信传输的抗干扰研究[J].铁道标准设计，2012（8）：55-56.