基于TD-LTE的地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)

林 威

（福州市城市地鐵有限責(zé)任公司，福建福州 350004）

技術(shù)裝備

基于TD-LTE的地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)

林 威

（福州市城市地鐵有限責(zé)任公司，福建福州 350004）

針對(duì)地鐵行業(yè)對(duì)通信業(yè)務(wù)多樣化的需求，以及保障通信高可靠性要求的行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合新一代無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù) TD-LTE 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮 TD-LTE 技術(shù)高帶寬、高可靠性的特點(diǎn)，從可靠性、并發(fā)性和可維護(hù)性 3 個(gè)方面出發(fā)，探討滿(mǎn)足地鐵行業(yè)應(yīng)用需求的無(wú)線(xiàn)寬帶綜合解決方案，并給出了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的鏈路預(yù)算方案，證明利用 TD-LTE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一通信制式的地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)是完全可行的。

地鐵通信；無(wú)線(xiàn)通信；TD-LTE；綜合承載網(wǎng)

0 引言

地鐵通信系統(tǒng)是地鐵日常運(yùn)行的神經(jīng)系統(tǒng)，承擔(dān)著列車(chē)運(yùn)行監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、企業(yè)管理、應(yīng)急通信等眾多業(yè)務(wù)功能。它所需要的承載網(wǎng)絡(luò)必須能提供可靠的、冗余的、可重構(gòu)的、靈活的傳輸通道。這些傳輸通道一方面需要為上層不同的業(yè)務(wù)功能提供多樣化的傳輸速率，另一方面還需要提供不同的通信質(zhì)量保障。傳統(tǒng)的專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)，受限于原有通信技術(shù)的能力限制，不同的業(yè)務(wù)都通過(guò)不同的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。譬如語(yǔ)音集群通信采用了基于陸上集群無(wú)線(xiàn)電（TETRA）技術(shù)，基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)（CBTC）和旅客信息系統(tǒng)（PIS）采用了 WiFi 技術(shù)，這些業(yè)務(wù)分別代表了地鐵日常運(yùn)營(yíng)中語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù) 3 類(lèi)信息傳輸?shù)男枨蟆，F(xiàn)有的專(zhuān)網(wǎng)通信解決方案是為這些不同的業(yè)務(wù)搭建不同的硬件通信平臺(tái)，這些業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間各自獨(dú)立并且單獨(dú)組網(wǎng)。這就造成在地鐵場(chǎng)景內(nèi)存在多種制式的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，這些無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)之間存在相互干擾等問(wèn)題，不光給初期通信系統(tǒng)建設(shè)提高了設(shè)計(jì)和施工難度，抬高了投入成本，而且制式和設(shè)備眾多也加重了后期日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難度和成本。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信所能提供的傳輸能力和傳輸質(zhì)量保障可靠性獲得了極大的提高。自然而然地，在地鐵無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中采用統(tǒng)一的無(wú)線(xiàn)技術(shù)、基于相同的收發(fā)設(shè)備建設(shè)一張無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)所能帶來(lái)的成本和維護(hù)優(yōu)勢(shì)是非常具有誘惑力的。而分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)（TDLTE）技術(shù)在公網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)的高帶寬高頻譜利用率的特點(diǎn)，為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)切實(shí)的解決思路。本文將從軌道交通行業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)，結(jié)合 TDLTE 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，探討基于 TD-LTE 技術(shù)構(gòu)建地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)的解決方案。

1 地鐵綜合承載網(wǎng)業(yè)務(wù)需求

現(xiàn)有的地鐵無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，在其使用人員、承載業(yè)務(wù)以及業(yè)務(wù)保障能力上，都體現(xiàn)了其鮮明的行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)。

從使用上看，既包括參與地鐵日常運(yùn)營(yíng)的各類(lèi)運(yùn)營(yíng)人員，同時(shí)也包括了各類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)平臺(tái)上的終端設(shè)備。因此，地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)需要既能滿(mǎn)足人與人之間互連的需求，同時(shí)又兼具物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)。

從承載業(yè)務(wù)上看，即包括雙向溝通的語(yǔ)音、視頻業(yè)務(wù)，同時(shí)也包括單向視頻廣播業(yè)務(wù)、緊急文本信息分發(fā)業(yè)務(wù)等。因此，地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)其上下行帶寬的分配需要根據(jù)其業(yè)務(wù)需求來(lái)精心設(shè)計(jì)，并不類(lèi)同于一般通信系統(tǒng)下行多于上行的場(chǎng)景。

從業(yè)務(wù)保障能力上看，不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型注定了不同業(yè)務(wù)在傳輸可靠性和傳輸延遲上有著不同的指標(biāo)約束。譬如：語(yǔ)音視頻通信業(yè)務(wù)因?yàn)槠渲饕嫦蛉伺c人之間的雙向?qū)崟r(shí)通信，因此，對(duì)傳輸延遲非常敏感但對(duì)數(shù)據(jù)差錯(cuò)的容忍度就較高；但各類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其周期性傳輸業(yè)務(wù)量較小且周期較長(zhǎng)，但不允許數(shù)據(jù)出錯(cuò)，因此，對(duì)傳輸可靠性要求非常高但對(duì)傳輸延遲反而不敏感；而視頻廣播業(yè)務(wù)，則對(duì)高帶寬傳輸能力提出了額外的要求。因此，地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)本身需要具備對(duì)不同的業(yè)務(wù)具有靈活的帶寬調(diào)度能力且具有不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）保障能力。

另外，考慮到傳統(tǒng)軌道交通行業(yè)的無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)為了保障日常運(yùn)營(yíng)的高可靠性，在物理網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上通常采用同期建設(shè) 2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行時(shí)采用主從網(wǎng)絡(luò)冗余備份的方式。因此，在新系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能地需要繼承此類(lèi)優(yōu)點(diǎn)而避免因系統(tǒng)設(shè)備故障給日常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

綜合起來(lái)看，現(xiàn)有的地鐵業(yè)務(wù)應(yīng)用中，基于同一張地鐵綜合承載網(wǎng)絡(luò)，需要用無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)來(lái)承載的業(yè)務(wù)通常包括以下這些業(yè)務(wù)。

（1）集群調(diào)度業(yè)務(wù)，包括語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)、視頻通信業(yè)務(wù)。

（2）旅客信息化業(yè)務(wù)，通常是單向的傳輸業(yè)務(wù)，把圖像或視頻信息通過(guò)廣播方式傳輸給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的列車(chē)。

（3）視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)（CCTV），主要是把運(yùn)行列車(chē)或者監(jiān)控點(diǎn)的視頻監(jiān)控圖像根據(jù)需求傳輸給視頻監(jiān)控平臺(tái)或者存儲(chǔ)服務(wù)器。

（4）列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控業(yè)務(wù)，服務(wù)于列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，把運(yùn)行列車(chē)上的各類(lèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)反饋給監(jiān)控中心，使得運(yùn)營(yíng)中心可以實(shí)時(shí)掌握列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)或排除問(wèn)題，提高運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性。

（5）列車(chē)控制業(yè)務(wù)，用于支持列車(chē)的自動(dòng)駕駛行為，直接關(guān)系到列車(chē)的駕駛行為，對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性要求非常高。

這些業(yè)務(wù)有著不同的業(yè)務(wù)需求和傳輸質(zhì)量保證，匯總見(jiàn)表1。

這些業(yè)務(wù)在傳輸速率和傳輸質(zhì)量上的需求，是基于 TD-LTE 建設(shè)地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)時(shí)所需要面臨的挑戰(zhàn)。以下結(jié)合 TD-LTE 技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)來(lái)分析解決這些問(wèn)題的可行性。

2 TD-LTE的技術(shù)特點(diǎn)及系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

TD-LTE 作為下一代寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的主流標(biāo)準(zhǔn)，在公共通信領(lǐng)域獲得了大規(guī)模的商用，其正交頻分多址/單載波頻分多址（OFDMA/SC-FDMA）、多輸入多輸出（MIMO）等核心技術(shù)，已被證明可以顯著地提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸效率。目前我國(guó)已經(jīng)專(zhuān)門(mén)劃出相應(yīng)的頻段 1 785～1 805 MHz 用于城市軌道交通行業(yè)建設(shè)基于時(shí)分雙工（TDD）模式的寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)。依照 TD-LTE 的技術(shù)特點(diǎn)，在上述規(guī)劃的 20 MHz的頻譜寬度上可以實(shí)現(xiàn)下行 100 Mbit/s、上行 50 Mbit/s的信息傳輸能力。這就為城市軌道交通行業(yè)結(jié)合政策和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，基于 TD-LTE 技術(shù)建設(shè)統(tǒng)一的無(wú)線(xiàn)承載網(wǎng)絡(luò)提供了契機(jī)。

表1 地鐵常用業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)需求和傳輸質(zhì)量保證

TD-LTE 在物理層采用了 OFDMA/SC-FDMA 多址接入技術(shù)。該技術(shù)把有效的信號(hào)傳輸帶寬細(xì)分成了多個(gè)相互正交的窄帶子載波，每個(gè)子載波都可以單獨(dú)或者成組地傳輸獨(dú)立的信息流。同時(shí)多輸入多輸出技術(shù)的引入，有利于根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同采用不同的多天線(xiàn)配置方案，靈活解決提高傳輸速率或改善傳輸質(zhì)量的問(wèn)題。這些特點(diǎn)，對(duì)于我們用一張統(tǒng)一的無(wú)線(xiàn)承載網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決目前城市軌道交通場(chǎng)景中存在多個(gè)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的混亂局面，是非常有利的。

系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)如下。

（1）OFDMA 的多址接入方式，使得系統(tǒng)的信道帶寬配置取決于利用的子載波的數(shù)量。整個(gè)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)可以在不改變系統(tǒng)基本參數(shù)或者更換系統(tǒng)設(shè)備的情況下通過(guò)配置不同的信道帶寬模式來(lái)設(shè)計(jì)不同傳輸能力的承載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)和多場(chǎng)景兼容。譬如：主從網(wǎng)絡(luò)的需求就可以采用帶寬不對(duì)等的方式基于相同的系統(tǒng)設(shè)備來(lái)構(gòu)建，在保證系統(tǒng)可靠性的同時(shí)又充分利用了頻譜資源。

（2）用戶(hù)分配帶寬的大小取決于調(diào)度子載波的數(shù)量，這樣就使得整個(gè)系統(tǒng)可以在傳輸資源內(nèi)根據(jù)在網(wǎng)用戶(hù)數(shù)、用戶(hù)優(yōu)先級(jí)及用戶(hù)帶寬需求來(lái)自由組合帶寬資源調(diào)度方案。譬如：針對(duì)低突發(fā)、低速率的列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和高速率的流式視頻業(yè)務(wù)就可以調(diào)度不同帶寬來(lái)予以支持，取代原先基于 WiFi 的 CBTC 系統(tǒng)和 PIS 系統(tǒng)不管業(yè)務(wù)傳輸量上的巨大差別都要占用一個(gè) WiFi 業(yè)務(wù)信道的弊端。

（3）各個(gè)用戶(hù)之間的帶寬資源在頻域內(nèi)是相互正交的，原先不同系統(tǒng)之間的干擾可以通過(guò)多用戶(hù)頻域調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)避，可以有效地避免干擾問(wèn)題。同時(shí)利用軟頻率復(fù)用技術(shù)和小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，非常適合系統(tǒng)采用 TD-LTE 方式進(jìn)行單頻組網(wǎng)。

（4）各用戶(hù)之間不光帶寬可變，同時(shí)采用的調(diào)制編碼方式也是相互獨(dú)立的，可以自適應(yīng)地根據(jù)用戶(hù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)、用戶(hù)無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境的好壞在傳輸魯棒性和傳輸效率之間實(shí)現(xiàn)優(yōu)化平衡。

（5）TD-LTE 物理層還整合了混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）的高可靠性和前向糾錯(cuò)碼（FEC）高效率的特點(diǎn)，針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸引起的突發(fā)錯(cuò)誤，可以快速地在物理層發(fā)起重傳，大大降低了分組數(shù)據(jù)的誤包率，同時(shí)也改善了數(shù)據(jù)的傳輸延遲。該技術(shù)特點(diǎn)非常契合軌道交通行業(yè)應(yīng)用高可靠性需求和低延遲需求同時(shí)并存的場(chǎng)景。

從上述 TD-LTE 技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)看，基于 TD-LTE 技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一的地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)在技術(shù)上是可行的。我們將根據(jù)地鐵行業(yè)應(yīng)用的典型場(chǎng)景來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)具有典型代表意義的 TD-LTE 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

3 基于 TD-LTE 技術(shù)的地鐵綜合承載網(wǎng)方案

結(jié)合地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求和 TD-LTE 的技術(shù)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì) TD-LTE 無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)時(shí)，既需要保持傳統(tǒng)地鐵無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的特點(diǎn)，又需要根據(jù) TD-LTE 的技術(shù)特點(diǎn)有針對(duì)性地對(duì)地鐵行業(yè)應(yīng)用來(lái)加以?xún)?yōu)化，以確保傳統(tǒng)地鐵無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)可以平緩地演進(jìn)到寬帶傳輸時(shí)代。

以下從高可靠性、低并發(fā)業(yè)務(wù)、可維護(hù)性 3 個(gè)方面，針對(duì)地鐵行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)對(duì) TD-LTE 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 高可靠性

列車(chē)控制系統(tǒng)和列車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因?yàn)槠潢P(guān)系到列車(chē)的正常運(yùn)行，傳統(tǒng)上運(yùn)行這類(lèi)業(yè)務(wù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)都采用了主從網(wǎng)絡(luò)冗余備份的方案，即物理上同時(shí)維護(hù) 2 套收發(fā)信機(jī)，兩者分別占用不同的工作頻段來(lái)傳輸相同的業(yè)務(wù)信息，以此來(lái)確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴５淙秉c(diǎn)也非常明顯，一方面工作頻段帶寬遠(yuǎn)大于業(yè)務(wù)帶寬需求，同時(shí)還占用了 2 個(gè)相同帶寬的工作頻段，造成了極大的頻譜浪費(fèi)；另一方面工作頻段為免許可頻段，同類(lèi)型系統(tǒng)眾多，并且各類(lèi)系統(tǒng)之間不正交，非常容易受到相鄰頻段同類(lèi)型無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的干擾。

基于 TD-LTE 技術(shù)的承載網(wǎng)絡(luò)同樣采用主從網(wǎng)絡(luò)冗余備份的方案時(shí)，卻可以解決上述 2 個(gè)問(wèn)題。因?yàn)榛赥D-LTE 系統(tǒng) 1 套收發(fā)信機(jī)可靈活支持 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz 和 20 MHz 多種信道配置模式的特點(diǎn)，我們可以基于相同的 LTE 收發(fā)信機(jī)設(shè)備，通過(guò)軟件配置的方式來(lái)支持傳統(tǒng)的主從網(wǎng)絡(luò)模式，但采用不對(duì)稱(chēng)的帶寬分配方式來(lái)解決頻譜資源浪費(fèi)的問(wèn)題。具體可以根據(jù)雙網(wǎng)冗余備份的業(yè)務(wù)帶寬需求，優(yōu)先設(shè)計(jì)主網(wǎng)絡(luò)占用的信道帶寬，剩余的帶寬全部分配給備份網(wǎng)絡(luò)。在備份網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的劃分來(lái)為需要雙網(wǎng)冗余備份的業(yè)務(wù)優(yōu)先預(yù)留所需帶寬，剩余的帶寬可以預(yù)留給高數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)使用。從這上面看，充分利用了 LTE 技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)帶寬靈活配置和高數(shù)據(jù)傳輸能力上的優(yōu)勢(shì)。

3.2 低并發(fā)業(yè)務(wù)

公共通信網(wǎng)絡(luò)主要面向大用戶(hù)提供高速突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸能力，而在軌道交通行業(yè)領(lǐng)域，專(zhuān)用通信領(lǐng)域的業(yè)務(wù)更多的是周期性的、低突發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)或者業(yè)務(wù)速率較平穩(wěn)的視頻流業(yè)務(wù)。同時(shí)由于行業(yè)應(yīng)用人員在物理空間上的稀疏性，以及入網(wǎng)運(yùn)行列車(chē)在空間上的天然間隔，因此，無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)的單小區(qū)內(nèi)的激活用戶(hù)數(shù)相對(duì)較小，在同一時(shí)刻需要并發(fā)支持的業(yè)務(wù)種類(lèi)有限。這就為系統(tǒng)保障各業(yè)務(wù)的傳輸需求以及各業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)需求帶來(lái)了便利。

3.3 可維護(hù)性

多天線(xiàn)技術(shù)和 HARQ 技術(shù)的引入，提高了接收機(jī)的接收能力，降低了系統(tǒng)對(duì)最小接收電平的需求。無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)可以容忍更大的傳播路徑衰減，客觀上提高了單小區(qū)的覆蓋范圍。通過(guò)合理的系統(tǒng)規(guī)劃，可以充分利用地鐵系統(tǒng)連續(xù) 2 個(gè)車(chē)站間距有限的特點(diǎn)，利用 TD-LTE 的拉遠(yuǎn)能力，采用信源設(shè)備不進(jìn)入隧道軌行區(qū)的覆蓋方案，有效地規(guī)避了系統(tǒng)設(shè)備故障帶來(lái)的保障能力問(wèn)題，可以使得信源設(shè)備的維修保養(yǎng)或者緊急搶修不受地鐵列車(chē)正常運(yùn)行的限制，切實(shí)提高了地鐵系統(tǒng)的保障能力。

4 網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

基于以上述分析，在 1 705～1 805 MHz 許可頻段上，按照 5 MHz/15 MHz 的非對(duì)稱(chēng)帶寬分配方式來(lái)設(shè)計(jì)地鐵無(wú)線(xiàn)綜合承載網(wǎng)的主從網(wǎng)絡(luò)方案，同時(shí)，給出基于上述方案所能達(dá)到的鏈路預(yù)算和覆蓋方案。

從提高系統(tǒng)靈活度考慮，TD-LTE 無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的上下行業(yè)務(wù)切換周期設(shè)定為 5 ms。另外，從前面的業(yè)務(wù)需求來(lái)看，上下行業(yè)務(wù)的帶寬需求基本平衡，因此，在上下行配比上采用上下行時(shí)隙 1 : 1 的配比方案，特殊子幀配比設(shè)定為 7，使得下行業(yè)務(wù)能力略高于上行業(yè)務(wù)能力。此外，考慮到同小區(qū)內(nèi)并發(fā)用戶(hù)數(shù)較少，可相應(yīng)降低同時(shí)隙內(nèi)并發(fā)用戶(hù)數(shù)的限制，同時(shí)從降低業(yè)務(wù)信道中用于承載信令控制消息開(kāi)銷(xiāo)的目的出發(fā)：設(shè)定每個(gè)子幀內(nèi)物理下行控制信道（PDCCH）占用的OFDMA符號(hào)個(gè)數(shù)為 1，物理上行控制信道（PUCCH）占用資源塊（RB）的個(gè)數(shù)最大為 4。

而在多天線(xiàn)模式上，由于隧道區(qū)間天饋系統(tǒng)的安裝條件受限以及工程造價(jià)的限制，設(shè)定隧道區(qū)間內(nèi)的天饋系統(tǒng)最多采用 2 根泄漏電纜或裂縫波導(dǎo)管。因此，TD-LTE 專(zhuān)網(wǎng)的多天線(xiàn)模式，下行最多支持 2×2 多輸入多輸出（MIMO）模式，上行僅支持 1×2 單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng)模式。

根據(jù)上述參數(shù)估算，單小區(qū)上下行理論峰值速率見(jiàn)表2。

從業(yè)務(wù)需求上看，需要主從備份的業(yè)務(wù)主要是列車(chē)控制業(yè)務(wù)和列車(chē)檢測(cè)業(yè)務(wù)，兩者的需求之外再加上 1 路集群語(yǔ)音需求，單列車(chē)在上行方向約需要 424 kbit/s、下行方向需要 321 kbit/s 的傳輸帶寬。結(jié)合表2 來(lái)看，5M 帶寬模式的主網(wǎng)絡(luò)用于承載上述業(yè)務(wù)時(shí)，主要的帶寬限制和并發(fā)用戶(hù)限制在上行方向，以調(diào)制編碼模式MCS10 和 MCS20 來(lái)估計(jì)，并發(fā)用戶(hù)數(shù)限制為 3.7 個(gè)和9.1 個(gè)，考慮到運(yùn)營(yíng)中前后列車(chē)在空間間隔上近似于平均分布，對(duì)應(yīng)到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)也近似于平均分布于網(wǎng)絡(luò)的好點(diǎn)和差點(diǎn)之間，從這上看，單小區(qū)支持 6 個(gè)列車(chē)并發(fā)接入是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

從覆蓋目標(biāo)上來(lái)看，雖然下行業(yè)務(wù)有著更高的帶寬需求，但受益于下行的 MIMO 模式和系統(tǒng)設(shè)備側(cè)較高的發(fā)射功率，通常下行方向的帶寬需求和覆蓋需求不會(huì)是瓶頸。從整個(gè)系統(tǒng)的需求來(lái)看，15M 帶寬模式的從網(wǎng)絡(luò)中上行方向的 CCTV 視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)則會(huì)是帶寬需求和覆蓋需求上的短板。對(duì)運(yùn)行中的列車(chē)來(lái)說(shuō)，在隧道內(nèi)按固定線(xiàn)路運(yùn)行，按運(yùn)行方向分別穿越小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)、中點(diǎn)、近點(diǎn)，要維持上行的視頻流業(yè)務(wù)不中斷，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)上必須保證在小區(qū)邊緣也能維持上行的視頻流業(yè)務(wù)所需的帶寬和發(fā)射功率需求。

表2 單小區(qū)上下行理論峰值速率

從降低信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）和調(diào)制編碼方案（MCS）需求角度考慮，假設(shè)邊緣用戶(hù)最多可以分配 20 個(gè) RB，其對(duì)應(yīng)的熱噪聲為-108.4 dBm，考慮為單個(gè)列車(chē)預(yù)留 2.5 Mbit/s 的帶寬來(lái)計(jì)，則需要預(yù)留 10 dB 的 SINR 余量和 3 dB 的損耗系數(shù)余量，在不考慮天線(xiàn)增益的情況下，可以得到針對(duì)邊緣用戶(hù)的最小接收電平需求值為-95 dBm。如果降低視頻監(jiān)控的分辨率，單個(gè)列車(chē)的帶寬預(yù)留可放寬至 1.5 Mbit/s，終端側(cè)可以通過(guò)降低發(fā)射帶寬實(shí)現(xiàn)功率匯聚的方式，或者采用更魯棒的調(diào)制編碼格式來(lái)降低最小接收電平的目標(biāo)需求值，從而實(shí)現(xiàn)更大的小區(qū)覆蓋。

表3 天饋系統(tǒng)（泄漏電纜或裂縫波導(dǎo)管）的傳播特性

假設(shè)車(chē)載臺(tái)的最大發(fā)射功率限制為 33 dBm，那么在不考慮天線(xiàn)增益的情況下，上行方向所能接受的最大路徑損耗為 128 dB。考慮地鐵隧道區(qū)間所采用的天饋系統(tǒng)（泄漏電纜或裂縫波導(dǎo)管）的傳播特性見(jiàn)表3。

另外，考慮 7 dB 的干擾余量、5 dB 的饋線(xiàn)/接頭損耗余量以及 3 dB 的工程余量，同時(shí)采用車(chē)頂放置天線(xiàn)的方式避免穿透損耗，那么在隧道區(qū)間采用泄漏電纜作為天饋系統(tǒng)，單向最大覆蓋距離約為 1 km；而采用裂縫波導(dǎo)管作為天饋系統(tǒng)，隧道區(qū)間內(nèi)單向最大覆蓋距離可以擴(kuò)大為 2.15 km。這意味著通過(guò)在相鄰車(chē)站的兩側(cè)站臺(tái)分別放置信源設(shè)備，利用天饋系統(tǒng)向隧道內(nèi)輻射無(wú)線(xiàn)信號(hào)的方式可以有效地實(shí)現(xiàn)“信源設(shè)備不進(jìn)入軌行區(qū)”的目的。當(dāng)采用泄漏電纜時(shí)，最大支持間距為 2 km 的隧道區(qū)間，而采用裂縫波導(dǎo)管則可以擴(kuò)大至 4.3 km 的隧道區(qū)間。上述方案的好處在于當(dāng)主從網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)信機(jī)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，維護(hù)部門(mén)可以不必等到“維修天窗點(diǎn)”才開(kāi)始設(shè)備維修，同時(shí)不影響列車(chē)的正常運(yùn)行，可以極大地提高地鐵無(wú)線(xiàn)承載網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性和高保障能力。

5 總結(jié)

本文結(jié)合地鐵行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和 TD-LTE 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，從地鐵行業(yè)應(yīng)用的需求出發(fā)，從 3 個(gè)方面考察了基于 TD-LTE 技術(shù)建設(shè)地鐵綜合承載無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)鏈路預(yù)算說(shuō)明了系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。

［1］ 工業(yè)和信息化部.關(guān)于重新發(fā)布1 785- 1 805 MHz 頻段無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知［S］.2015.

［2］ ITU-R.Recommendation ITU-R P.1238-7 Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radio communication systems and radio local area networks in the frequency range 900 MHz to 100 GHz［S］.2012.

［3］ 肖遠(yuǎn)強(qiáng)，張武軍.泄漏電纜的性能分析［J］.移動(dòng)通信，2002（6）：40-43.

責(zé)任編輯 冒一平

TD-LTE Based Wireless Integrated Bearing Network for Metro

Lin Wei

According to the requirements of the metro industry on communication business diversification，and the industry application characteristics to guarantee the high reliability of the communication，the paper takes into consideration of the advantages of a new generation of wireless broadband technology—— TD-LTE technology， having the characteristics of TD-LTE technology of high bandwidth， high reliability into full play.From three aspects of reliability， concurrency and maintenance， the paper discuses how to meet the application needs of metro wireless broadband integrated solutions， and gives the actual network design link budget scheme that proves the use of TD-LTE technology to achieve unified communication standard in metro wireless integrated network is feasible.

metro communication， wireless communication， TD-LTE， integrated bearing network

U231.7

林威（1970—），男，高級(jí)工程師

2015-11-11