基于TD-LTE技術的車地無線通信系統設計

戴克平，韓志永

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

基于TD-LTE技術的車地無線通信系統設計

戴克平1，韓志永2

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

針對車地無線通信系統的應用需求，介紹了TD-LTE技術的特點，提出了一種基于TD-LTE技術的車地無線通信系統架構設計方案。針對系統架構設計的關鍵技術及難點問題進行了詳細說明：提出了綜合承載業務的Qos規劃；闡述了系統抗干擾設計；介紹了系統的移動性設計和系統的高可靠性設計。通過實驗線系統測試驗證，證明了系統設計的合理性和TD-LTE技術應用在車地無線通信領域的可行性。

TD-LTE；軌道交通；車地無線通信；CBTC；CCTV；PIS

0 引言

隨著城市軌道交通系統的不斷發展，其安全性、舒適性和高效性得到社會的普遍關注。車地無線通信系統作為有線傳輸網絡的延伸，擔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（Closed-Circuit TeleVision systerm，CCTV）、乘客信息系統（Passenger Information System，PIS）、列車控制系統（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。

目前業內車地無線傳輸主要以IEEE802.11系列WLAN技術為主，作為一種寬帶無線接入技術，其在網絡化、寬帶化、經濟性方面具有一定優勢，但其存在的一些固有局限性，限制了軌道交通車地無線通信系統的發展：①設備密集、維護不便：WLAN天線范圍覆蓋較小，每間隔200 m需布設一個天線，增加了隧道內有源設備數量，維護困難，同時帶來頻繁的越區切換；②業務帶寬嚴重受限：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設備在公眾中的普及，使得基于WLAN的車地無線設備易受同頻段設備干擾；④Qos無法保證：多業務并發時不能按照優先級調度，高優先級業務帶寬無法保障，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境需求，當列車速度超過80 km／h時，其移動性明顯不足。

1 總體設計

1.1 TD-LTE技術介紹

TD-LTE是具有中國自主知識產權的技術，得到政府的大力支持，其采用OFDM技術、MIMO天線技術及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。TD-LTE主要技術優勢如下。

①高數據吞吐率：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間的多種系統帶寬，可以調整上下行流量；④低系統時延：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完善的多級Qos：保證多種不同質量要求業務的并發服務質量；⑥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。

1.2 系統需求

在系統業務方面，基于TD-LTE技術的車地無線通信系統不僅需要完成傳統車地無線通信系統承載的CCTV、PIS業務，還需要完成原來單獨部署的CBTC業務，在未來還可以考慮完成語音集群調度業務，實現軌道交通業務的綜合承載。

在系統帶寬方面，上述業務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損失，以保證承載的業務質量，尤其是CBTC業務質量不受損失。

1.3 系統結構

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可靠性原則，任何節點雙備份，避免單點故障導致網絡癱瘓；②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；③實時性原則：為實現對車輛的安全控制，視頻傳輸的清晰流暢，數據傳輸要具有低延時；④高帶寬原則：為傳輸高質量視頻，上下行要具有大帶寬；⑤環境適應性原則：充分考慮軌旁設備、車輛設備的環境要求。

基于TD-LTE技術的車地無線通信系統結構如圖1所示。

圖1 基于TD-LTE技術的車地無線通信系統結構

整個基于TD-LTE技術的車地無線通信系統采用A／B雙網部署、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，不會影響綜合承載業務。A網承載CBTC、CCTV和PIS，分配15 MHz帶寬；B網只承載CBTC，分配5 MHz帶寬；系統共占用20 MHz帶寬。

控制中心部署雙套核心網設備，核心網設備分別與CBTC、CCTV和PIS的業務服務器相連，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。

在每列車的車頭和車尾分別設置1套車載接入設備TAU，通過車載交換機與CBTC、CCTV和PIS的車載設備相連。

2 需解決的問題

按照如上總體設計的描述，基于TD-LTE技術的車地無線通信系統需要解決如下幾個核心問題：

①綜合承載業務的QoS設計：基于TD-LTE技術的車地無線通信系統承載多種業務，各種業務之間以及同種業務的不同內容之間，需要采用優先級保證設計，這是系統設計的一個核心問題；

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影響。尤其是北京的1.4 GHz頻段的TD-LTE政務專網對于系統的異網同頻干擾是系統設計的另一個核心問題；

③系統的高可靠設計：系統承載的CBTC業務是關鍵性業務，因此系統的高冗余性和高可靠性是系統設計的第3個核心問題。

3 系統設計

針對上述需解決的問題，系統設計采用的關鍵技術如下所述。

3.1 綜合承載業務Qos設計

TD-LTE系統可以實現了9個調度優先級，用于CBTC、CCTV和PIS等不同的業務。系統為不同優先級的業務設計不同QoS并分配ARP和QCI參數。各業務的ARP分配由高到低，同時根據各業務對可靠性、時延的要求，系統為其分配不同的QCI，如表2所示。

表2 綜合承載Sos定義

系統通過IP地址和端口號識別不同的業務，針對不同業務優先級進行資源調度。

通過上述方法可以實現系統業務差異化，同時還可以針對同一業務實現不同用戶使用時的業務體驗差異。

3.2 抗干擾設計

基于TD-LTE技術的車地無線通信系統的干擾問題主要分為其他通信系統的干擾，TD-LTE系統的系統內同頻干擾和其他TD-LTE系統的異網同頻干擾。

針對以上干擾，系統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的隔離度，減少相互干擾。

（2）無線參數優化

針對系統內同頻干擾，可以對LTE設備無線參數進行優化來進行小區間干擾控制和消除。可采用的優化方法包括采用異頻調度、IRC算法和小區間干擾協調（ICIC）技術。小區下行可采用異頻調度來滿足小區邊緣的信噪比，保證小區邊緣的業務速率。通過IRC算法可以將單小區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進行小區間的干擾協調優化，ICIC以小區間協調的方式對各個小區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射功率，通過考慮多個小區中資源使用和負載等情況對多小區無線資源進行管理使得小區間干擾得到控制。

（3）增強TD-LTE信號強度

為了增強弱信號區的信號強度，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絡的覆蓋范圍，或者在確定范圍內增大增益余量。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加大弱信號區射頻信號強度，提高弱信號的抗干擾能力。基站無線射頻單元發出的射頻信號，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。所以將車載天線設置在車體底部或車體一側。這樣可以利用這10～20 dB的車體屏蔽效果，降低對車地無線通信系統的干擾。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 高可靠性設計

由于軌道交通車地無線通信系統要承載CBTC，而CBTC是列車運行控制的大腦，所以高可靠性是車地無線通信的重中之重。系統采用雙網設備冗余和設備內板卡冗余的多級冗余理念來確保車地無線通信的高可靠性。

系統關鍵設備（核心網、基站BBU、基站RRU、車載TAU）每節點均部署2套獨立的同類型設備，構成兩張獨立的TD-LTE網絡同時對外提供承載業務，一張網絡故障時，另一網絡仍可保證通信暢通。

核心網設備內每塊板卡均支持冗余熱備；基站BBU設備主控板支持主備，基帶板間支持冗余備份，可實現故障小區跨板重建，保證小區業務能夠自動恢復，降低小區業務中斷時間；單級RRU冷環備份；車載TAU車頭車尾互備。這樣不會因為網內設備某一板卡故障而引起整個網絡故障。

4 設計驗證及結果分析

4.1 測試場景

為了驗證上述基于TD-LTE技術的車地無線通信系統的設計方案的可行性和系統的綜合承載能力，在完成實驗室模擬實驗的基礎上，進行了實驗段測試驗證工作。

實驗段測試在北京東北五環外側鐵科院環形鐵路進行。環形鐵路線路長度為8.6 km，包括785 m高架橋以及925 m隧道（含兩個U型槽），其余為露天環境，環形鐵路為鐵科院專用試驗線路，具備安裝TD-LTE測試設備的條件，能夠進行全天候測試。經過現場勘測，全線路處于北京市1.4G政務網的覆蓋范圍內，因此所有的測試內容均在異網同頻干擾條件下進行。系統測試結構如圖3所示。

圖3 系統測試驗證結構圖

測試設備包括2套LTE設備，A／B雙網方案，A網帶寬15 MHz，B網帶寬5 MHz。每個網絡包括核心網1臺、BBU 2臺、RRU 9臺，車載TAU 1臺。BBU通過以太網交換機直接接入LTE核心網設備。區間采用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采用交叉聯接的目的是保證每次切換均是跨BBU的越區切換。

測試內容主要包括：傳輸性能測試、綜合承載測試、設備穩定性、單網故障測試和極限性能測試五大方面。

4.2 測試結果分析

實驗段測試的結果如表4所示。

表4 系統測試結果

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、列車狀態信息和緊急文本信息的傳輸。

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

通過上述測試，驗證了基于TD-LTE技術的車地無線通信系統進行綜合承載時能夠保障CBTC業務高可靠傳輸，能夠滿足緊急文本下發和列車實時狀態監控的傳輸需求，同時能為CCTV和PIS等業務提供有效的通信保障，證明了系統設計的可行性和合理性。

5 結束語

TD-LTE作為目前最先進的4G無線技術，在國內已經開始大規模商用，產業鏈趨于完善，具有高帶寬、高質量、高可靠、高抗干擾能力等優良特性，與其他技術相比，更適合應用于軌道交通車地無線通信領域。

基于TD-LTE技術可以完成車地無線通信綜合承載以外，未來還可以實現寬帶多媒體集群調度業務，從而實現全業務綜合承載。基于TD-LTE技術還可以進行大規模組網、多條線路混合組網，降低系統的總體建設投資和運營維護成本。相信在未來幾年，TD-LTE技術一定會在國內軌道交通車地無線通信應用領域內大放異彩。

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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技術的車地無線通信系統設計［J］.無線電通信技術，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（LTE-M）研制與示范應用（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。韓志永（1967―），男，工程師，主要研究方向：行業專網通信系統與裝備。