基于TD-LTE回传系统的高铁通信系统

（中国移动通信研究院，北京 100053）

在早期人们已经对铁路移动通信系统进行了较多的研究。GSM-R是欧洲专门为铁路开发的移动通信系统，也早在2000年被铁道部确定为我国铁路数字移动通信网络的技术体制和发展方向。近几年3G技术发展迅速，为解决高速率通信提供了较好的解决方案。但是2G、3G能够提供的空口速率毕竟有限，尤其是高铁时代的带来，时速300 km/h，2G、3G通信系统面临更多的挑战。高速移动下多普勒效应更为严重，速度的增加导致移动通信系统切换频繁进而影响通话质量甚至导致掉话率的恶化，全封闭车厢带来的信号穿透损耗大，一定程度地影响了空口速率进而影响用户体验等。高铁场景下，传统2G、3G铁路移动通信系统能够提供的业务性能和业务体验已经捉襟见肘，研究更为合理的高铁通信方案迫在眉睫。

本文将从TD-LTE技术出发探讨高铁通信系统架构，研究基于TD-LTE回传系统的高铁通信解决方案。

1 高铁通信系统架构

基于TD-LTE回传系统的高铁通信系统架构如图1所示，与传统通信系统最大的差别在于引入了HSR（High Speed Railway）回传系统，取代传统网络中基站与基站控制设备之间的有线链路。其中HSR系统 是 由 TAU（Train Access Unit）、eNode B-R 和EPC-R（Evolved Packet Core-Railway）构成，其核心技术是TD-LTE的演进技术。由于LTE能够为350 km/h的高速移动用户提供接入服务，因此引入HSR回传系统有望解决高速移动下的通信问题。

高铁引入回传系统后，有线链路被无线链路取代，业务QoS将受到影响，另外无线链路相对有线链路稳定性不足，能够提供的速率有限，因此回传系统的业务QoS保障和空口映射方案将是高铁通信系统的研究重点。

图1 高铁通信系统架构

2 高铁QoS保障

高铁运营初期以保证基础的话音、数据业务为主，高铁通信系统引入HSR回传系统后对业务QoS的影响主要可以从3个方面进行分析，即时延、丢分组率和数据速率，重点分析引入回传系统后，业务QoS的变化情况，是否仍然能够满足通信要求，以及可行的优化方法。

2.1 时延分析

在高铁系统中，基站与基站控制设备之间传统的有线接口由HSR系统代替，引入了额外的时延。由于数据业务本身对于时延的要求较低，因此重点分析引入时延对于话音和信令的影响。

2.1.1 话音

一般认为，话音端到端时延在100～200 ms范围开始被收听者察觉，使会话不自然，建议的时延上限为150 ms[1]。因此，建议高铁系统单向时延小于75 ms，以保证话音用户感受。

对引入HSR系统后单向话音时延各项组成部分的分析如图2所示。

（1）车厢内空口时延：20 ms。参考TD-LTE实际测试空口时延15 ms，适当留有余量。

（2）设备处理时延：5 ms。考虑到TAU与普通终端相比，要完成数据分组汇聚与转发功能，为其预留一定的处理时延。

（3）TD-LTE空口时延：15 ms。根据实际测试结果得到。

（4）回传核心网时延：10 ms。参考实际核心网时延10 ms，但考虑到回传核心网较简单，因此此项时延留有较大余量。

（5）实际核心网时延：10 ms。根据NGMN对TD-LTE系统的建议值得到。

可见，在考虑预留的前提下，引入HSR系统后的话音单向时延为60 ms，与75 ms的要求有一定差距。因此引入HSR系统后，话音质量可以满足需求。

2.1.2 信令

引入HSR系统后，每条经过Abis/Iub/S1接口的信令均增加20～30 ms的时延，这对于需要信令交互的流程将产生较大的影响，其中与用户实际感受最为相关的是呼叫建立流程。经某设备厂商对呼叫建立时延的测试，由回传系统引入的额外时延在300 ms以下，相对于整体时延4.5～7 s可以忽略，因此不会影响实际用户感受。

2.1.3 数据

数据业务本身对时延的要求较低，一般为1～10 s，且用户对于时延的敏感度较低，因此数据业务体验基本不受影响。

综上所述，从话音、信令和数据3个角度分析，引入回传系统后的时延能够得到有效保障。

图2 语音时延分析

2.2 丢分组率分析

表1 丢分组率要求

各类业务对丢分组率的需求如表1所示。车厢内属于相对静止环境，空口质量较好，产生丢分组主要由TD-LTE回传空口造成，因此需要做好回传空口的丢分组控制。LTE已经有很多相应的控制机制，如通过AMC、HARQ、功控等技术控制丢分组率，以达到满足业务需求的目的。

2.3 数据速率分析

静止或低速场景能够提供的空口速率较高，相对高速场景优势明显，这里速率分析主要分析高速场景。高速情况下，考虑到多普勒频移、信道衰落等因素，TD-LTE空口数据速率衰落严重。在2.3GHz频段、载波带宽20 Mbit/s、上下行时隙比2:2、特殊子帧配置10:2:2、64QAM调制、2×2天线、移动速度为60 km/h环境下测试结果如表2所示。350 km/h情况下，TD-LTE空口数据速率将进一步下降。为便于后续分析，暂假设低SINR下下行速率为4 Mbit/s，高SINR下速率为10 Mbit/s。

表2 高速场景下LTE空口速率测试结果

车厢内通信系统为提供基本业务服务，需保障相应的业务速率，因此回传系统需提供对应的回传带宽。根据一定的话务模型，分析得到各业务的带宽需求如表3所示。

根据表中数据，回传系统需最低达到2 Mbit/s的速率，才可以保证基本的话音和视频监控业务需求，如可以提供更高的带宽，则可以在车厢内支持更多的数据业务。下面将从TD-LTE回传系统的特征出发，详细分析高铁移动通信各场景能够提供的速率情况。

表3 业务带宽需求

TD-LTE空口用于高铁回传系统，具有以下特征。

（1）在高速场景下，TD-LTE回传空口的数据速率有限，并且随列车运行不断起伏，在小区边缘时能提供4 Mbit/s，运动到小区中心时能提供10 Mbit/s。

（2）通常状态下一个小区内为2个TAU用户（一辆列车两个动车组），两车对开时最多为4个用户，这时每个TAU的流量骤降。最极端场景为两车同时从两侧边缘开入小区，这时受影响时间最长，如图3所示。

图3 极端场景

针对以上特征，以列车AB所处位置分类，分析如下。

（1）小区内只有一辆列车时，在小区边缘单个TAU的TD-LTE回传空口能达到2 Mbit/s的速率，可以保证话音信令和视频监控2个GBR承载的需求；当列车逐渐接近小区中心， TD-LTE回传空口速率提升，可以开始承载2G/3G及Wi-Fi数据业务。

（2）两车对开且都处于小区边缘时，单个TAU的TD-LTE回传空口速率降到1 Mbit/s，可以认为是速率低谷，此时只能满足车厢内话音业务需求。

（3）两车对开，一车处于小区边缘、另一车处于小区中心时，无法保证边缘TAU的视频监控业务；由于仍有一半的空口资源被分配给边缘TAU，所以小区中心TAU即使处于较好的无线环境中，回传空口的速率仍然非常有限，只能承载少量数据业务。

整理如表4所示。可见，不同场景下，列车可使用的回传空口带宽以及可提供的业务种类、速率情况不同，在某些场景下空口资源匮乏，有待进一步合理规划。但总体来说各场景下基本通信需求都能得到一定的保障。

表4 各场景可用空口资源

综上所述，从时延、丢分组率和数据速率3个角度分析，基于TD-LTE回传系统的高铁通信系统能够提供满足需求的QoS保障。

3 TD-LTE空口承载映射方案

前几节对高铁通信系统的分析表明，引入TD-LTE回传系统的高铁通信系统架构能够保障业务基本QoS需求，但可能受限于空口速率。文献[2]研究了多媒体的无缝连接，但未考虑资源受限。下面本文将针对空口资源受限情况，在保障业务QoS前提下，探讨有效的空口承载映射方案。

3.1 基于业务类型的基础方案

在高铁通信系统建设之初，应首先保证基础业务，同时尽量简化通信系统处理开销，以保证落地方案的最大可用性，因此可以考虑不细分数据业务类型，在保证业务QoS下，拟定基础方案。

图4 基础方案

基础方案仅区分话音、信令、视频、数据4类业务。空口QoS保障的实现上，话音取EPS标准化值[3]QCI（QoS Class Identifier）为 3，对应 PDB[4]（Packet Delay Budget）为50 ms，PELR（Packet Error Loss Rate）=10-2；视频监控取QCI=4，对应PDB=300 ms，PELR=10-3；对于数据业务，采用非GBR承载，取QCI=6，对应PDB=300 ms，PELR=10-6。由于信令对丢分组率要求较高，同时为避免对呼叫建立时延的影响，应尽量降低其时延，因此建议定义新的QCI等级10，对应PDB=50 ms，PELR=10-8，以满足信令要求。其空口承载映射方案如图4所示。

3.2 基于数据等级的优化方案

与传统通信系统相比，高铁TD-LTE回传系统架构下的回传空口数据略显复杂，它是多种通信系统数据流的混合体。多种接入网数据流在TAU端汇聚，再经过TD-LTE空口传输。TAU/eNB-R的数据分组与TD-LTE回传空口承载的映射如图5所示。然而对移动通信来说，空口资源是很有限的，尤其在高速移动下，空口资源受时变无线环境影响能够提供的无线容量弥足珍贵，因此有必要研究更为合理的优化解决方案。

优化方案有必要让TD-LTE空口区分出车厢内AP类型、业务类型甚至是业务等级，为车厢内用户提供不同等级的服务。可从以下几方面探讨。

图5 空口承载映射

（1）可根据资费（WLAN高于2G/3G）或运营策略（如体现TD-SCDMA优势）优先保证来自某类AP的数据业务。

（2）优先保证移动办公等需求迫切的高端用户的数据业务需求。

（3）优先保证流量小、传输效率高且收益高的业务（如网页浏览，几十kbit/s），优先丢弃流量大或传输效率低的业务（如QQ）等。

对此可将数据分为高优先级数据、中优先级数据和低优先级数据。高优先级数据可定为来自2G/3G网络高端用户的高价值数据，中优先级数据指来自2G/3G网络普通用户的高价值数据和高端用户的其它数据，低优先级数据指来自2G/3G网络普通用户的其它数据和Wi-Fi数据。在空口资源有限时优先丢弃优先级低的数据业务，以保证高优先级数据业务的传输。实现上对话音、信令和视频监控采用基础方案中空口承载策略。对于数据，进一步修改承载级ARP(Allocation and Retention Priority)值，高优先级数据取ARP=1，中优先级数据取ARP=2，低优先级数据取ARP=3进行标识，如图6所示。

在实现方式上可以：TAU/eNB-R根据传输层IP分组头的DSCP区分不同业务类型；TAU/eNB-R根据payload IP分组头的DSCP区分不同的用户等级，甚至对业务类型进一步细分；TAU/eNB-R根据数据来源区分不同的车厢内AP等。

3.3 对比及建议

通过上面分析，两种方案呈现出各自的特点，对比如表7所示。

两种方案在设计上是由浅到深，由易到难的，在实际部署时也需要保持一定的层次性。在网络建设之初，首先考虑基础方案，在其的基础上留出相应的接口承接优化方案，完成一些优化方案中可行的简单策略，当有进一步需求时，进行TAU/eNB-R设备升级和深化TD-LTE空口资源分配策略研究，更合理地利用有限的空口资源。

4 结束语

本文针对高铁移动通信系统面临的种种挑战，探讨了基于TD-LTE回传系统的高铁通信系统架构，并从时延、丢分组率和数据速率角度对引入HSR系统的高铁通信系统进行了详细分析，结果表明，基于TD-LTE回传系统的高铁移动通信系统能为业务提供有效的QoS保障。之后，针对在高速移动场景下空口资源匮乏的情况，结合基于TD-LTE回传系统的高铁通信系统的空口数据来源复杂，存在很大优化可行性的特点，文章研究了具体的高铁TD-LTE回传空口承载映射方案。两类方案中，基础方案仅区分话音、信令、视频、数据4类业务，实现起来较为简单；优化方案能够提供精细的业务、AP类型、用户等级区分，空口资源分配更加合理，但却需要增加额外的设备解析能力，实现相对复杂。因此为保障前期实施方案的最大可行性，应尽量降低设备处理复杂度，建议在网络建设初期优先考虑基础方案，在基础方案基础上实现部分简单的优化策略，最大化利用有限的空口资源。

图6 优化方案

表5 方案对比

[1] ITU-T Recommendation G.114 2003 One-way Transmission Time[S].

[2] Karimi O B, Liu J C, Wang C G. Seamless wireless connectivity for multimedia services in high speed trains[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2012, 30(4), 729-739.

[3] 3GPP TS 23.203 v11.3.0, 3rd Generation Partnership Project;Technical 3GPP Specification Group Services and System Aspects; Policy and Charging Control Architecture[S]. 2011.

[4] Sesia S, Toufik I, Bake M著. 马霓, 邬钢, 张晓博, 张学军译.LTE-UMTS长期演进理论与实践[M]. 北京：人民邮电出版社,2012.