TD—LTE宽带数字集群通信发展分析及建议

杨骅+刘劲松

杨骅

TD产业联盟

秘书长

刘劲松

TD产业联盟

产业部技术经理

【摘 要】

结合宽带数字集群通信系统发展需求和现状，分析TD-LTE宽带数字集群产业发展过程中存在的频谱资源紧张、技术标准不统一等问题，并提出相应的发展建议。

【关键词】

TD-LTE 集群 无线专网 频段 标准

1 集群通信系统发展分析

1.1 集群通信系统发展历程

集群通信系统是为了满足行业用户指挥调度需求开发，面向特定行业应用的专用无线通信系统。其特点为大量无线用户共享少量无线信道，具备快速的语音建立和抢占能力，以指挥调度为主体应用。集群通信系统在政务、医疗、能源、交通、应急通信等领域有着广泛的应用。

集群通信系统经历了与公众移动通信系统类似的发展过程。第一代集群系统是模拟集群通信系统，以基于MPT-1327标准的模拟集群为代表，主要支持语音通信。第二代集群系统是窄带数字集群通信系统，相对传统模拟集群系统，窄带数字集群通信系统支持语音、低速数据（700kbps峰值速率）通信和更好的安全性，是集指挥调度、电话互联、数据传输和短消息通信等特性于一体的集群通信技术。

1.2 集群通信发展需求

传统行业方面，随着能源、交通、医疗等领域的快速发展，尤其是在提高效率和安全生产的需求推动下，行业无线通信的需求正在从单一的语音集群向语音集群、宽带数据和视频应用融合调度过渡，并且对时延、容量等性能指标提出了更高要求。

政务、应急指挥方面，随着我国城市化的快速发展，城市的复杂性和突发应急事件也在与日俱增。政务专网和应急指挥系统除用于日常公共管理外，更需要确保有效地处理政要来访、节庆等重大活动以及地震、洪涝灾害等突发危难事件，这也对无线通信系统提出了更高要求。

另外，国外数字集群技术不对中国开放加密接口，国内对信息安全要求高的单位和机构采用国外集群技术无法满足信息安全的要求，制约了国内对集群的应用。

上述专用无线通信的市场需求，促进着集群通信系统向数据宽带化、业务多样化、终端多模化、系统IP化的发展方向迈进，数字集群通信系统将进入一个崭新的宽带数字集群通信时代。

1.3 集群通信发展现状

从集群通信系统的发展历程来看，集群通信系统的发展远远落后于公众移动通信系统的发展，其技术创新和产业链等方面都还不尽完备。目前市场上仍以窄带数字集群通信系统为主，技术相对落后。

随着公众移动通信的快速发展、传统行业、政务等领域的市场需求不断提高，我国领先的通信企业和研究机构已经启动研究基于TD-LTE技术的宽带数字集群通信系统，并充分利用TD-LTE高速率、大带宽、高频谱效率、低时延等诸多优点以及窄带数字集群的技术积累，形成了从网络到终端系列产品和解决方案，初步具备了产业化的能力。

目前，国内基于TD-LTE的政务网市场已经启动。其中，北京市政务网2011年开始建设，已经建设200多个基站，开展物联数据和移动视频监控等业务，目前正在针对多媒体集群功能做相关测试工作。天津政务网基本完成一期TD-LTE网络建设，滨海部分地区已经部署了TD-LTE专网宽带集群网络。南京政务网为支撑2014年青奥会的通信保障，积极开展TD-LTE专网宽带数字集群网络规划和技术试验，并开始招标。此外，我国公共安全领域正在开展频谱需求和宽带技术演进的研究工作，港口、航运、机场、石油、电力行业也正在规划或建设TD-LTE专网宽带数字集群通信系统。

2 基于TD-LTE的宽带数字集群通信系

统分析

基于TD-LTE的宽带数字集群通信系统不论从技术还是从产业、信息安全角度均能够更好地满足国内各行业各领域快速发展的需求。

（1）TD-LTE技术特性满足行业发展需求

TD-LTE宽带数字集群通信系统集TD-LTE和集群优势于一体，能够提供更高的速率、更低的时延以及完善的调度呼叫控制、故障弱化、脱网直通等功能，可满足当前及未来一段时间内行业发展需求。

同时，TD-LTE后续演进路径清晰，以其作为宽带数字集群系统主要技术，将随着3GPP的后续演进而逐步得到提升，可持续为行业发展提供完善的业务能力。

（2）TD-LTE产业基础为行业应用提供可靠保障

在产业链共同努力下，TD-LTE已形成中国主导、全球广泛的完整产业链。经历国内外系列规模技术试验、规模商用，新一代移动通信技术TD-LTE从技术到产品均趋于成熟。

TD-LTE公网产业链的规模发展，将大大降低TD-LTE用于宽带数字集群系统的成本。集群产品性能的提升和价格的优势，将会促进其在各传统行业、现代服务业中广泛应用。同时，在TD-LTE公网所形成的研发、生产、售后等方面强大的支撑能力，也将为行业应用提供可靠保障。

（3）TD-LTE有利于提升国家、行业信息安全

知识产权方面，作为我国具有自主知识产权的TD-SCDMA技术的后续演进技术，TD-LTE可以更好地确保国家整体战略安全、行业信息安全。

技术安全方面，TD-LTE沿用TD-SCDMA安全架构，并将其进一步完善、扩展和加强，具体如下：1）考虑了接入网AN和服务网络SN之间的数据交换的安全性，在AN和SN之间进行双向安全保护；2）考虑了终端UE和SN之间的非接入层安全问题，在ME和SN之间进行双向安全保护；3）增加了服务网的认证，在归属网络HE和SN之间进行双向安全保护。同时，LTE系统的安全密钥层次更为复杂，UE及网络共享由CK和IK生成的母密钥KASME，进而各自生成一系列用于用户数据及RRC、NAS信令加密和完整性保护的密钥。endprint

综上，基于TD-LTE的宽带数字集群通信系统与传统行业、现代服务业融合发展，将产生更大的效益和价值。一方面，TD-LTE的技术优势、产业优势在各传统行业和现代服务业等领域得以充分发挥，加快其信息化建设。另一方面，行业应用促进TD-LTE进一步发展，有助于科技成果向产业转化，带动TD-LTE网络、芯片、终端、仪表等多个环节快速发展，推动TD-LTE产业全面开花。

3 TD-LTE宽带数字集群通信系统架构

及关键技术特性

3.1 TD-LTE宽带数字集群通信系统架构

TD-LTE宽带数字集群通信系统架构是以集群技术为基础融合LTE技术形成的，具体见图1：

图1 TD-LTE宽带数字集群系统架构

3.2 TD-LTE宽带数字集群通信系统关键技术特性

TD-LTE宽带数字集群通信系统集TD-LTE和集群优势于一体，具体如下：

（1）更高的速率

采用OFDM和MIMO技术，在20MHz系统带宽下，最大上行50Mbps、下行100Mbps，并提高小区边缘用户数据传输速率，其速率超过窄带数字集群系统100倍。

（2）更灵活的带宽配置

支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、20MHz多种带宽灵活组网，增强了专用网络用户频率的获得性和组网的灵活性。

（3）更低的传输时延

TD-LTE宽带数字集群技术创新地在TD-LTE上实现专业语音集群，群组建立时延小于300ms，话权申请/话权抢占小于200ms，语音集群功能和性能指标达到国际语音集群主流标准TETRA的指标。

（4）完善的调度呼叫控制功能

TD-LTE宽带数字集群通信系统可提供较强的指挥调度功能，包括组呼、广播呼叫、强插/强拆、动态重组、迟后进入等集群系统所具备的特色功能。基于TD-LTE技术的宽带数字集群通信系统在时、频、空三维资源上采用灵活的分组调度技术，通过业务优先级、公平性、吞吐量、干扰协调、信道质量等信息对业务进行调度传输。

（5）脱网直通功能

脱网直通的应用场景包括但不限于以下几个方面：

◆ 用户在系统覆盖区外或盲区工作；

◆ 用户在没有部署基站的地区工作；

◆ 网络侧设备出现故障时。

（6）安全可靠

◆ 双向鉴权，提供更高的接入安全性；

◆ UE及网络共享由CK和IK生成的母密钥KASME，进而各自生成一系列用于用户数据及RRC、NAS信令加密和完整性保护的密钥。

除上述功能和特性，TD-LTE宽带数字集群通信系统还具备设备易于部署和维护、定制化等诸多优势。

4 TD-LTE集群系统可用频率分析

当前无线频谱资源主要被广播、公众移动通信、航空移动/无线电导航、集群通信、卫星通信、空间操作业务以及对讲等业务占用，可能用于TD-LTE行业应用的频段主要集中在1 400MHz（1 437—1 525MHz）、1 800MHz（1 785—1 805MHz）、230MHz（223.025—235.000MHz）频段，具体如图2所示。

4.1 1.4GHz频段分析

（1）1.4GHz频段规划政策

作为潜在的IMT通信频段，L波段早已成为WRC-15考虑的IMT候选频段之一，并重点考虑作为TDD使用，具有非常广泛的国际推广优势。美国、英国、澳大利亚的宽带计划中已将L波段列为潜在的IMT通信频段。我国标准化组织CCSA TC 5 WG8 也已立项研究L波段（1 427—1 525MHz）共存研究。该频段有望在2014年被正式列为IMT TDD频段。

为促进TD-LTE技术的广泛应用，推动开展物联网基础设施建设，自2011年7月工业和信息化部陆续批准北京、天津、南京、上海等地进行TD-LTE物联数据专网试验，试验频率1 447—1 467MHz。

（2）1.4GHz频段使用现状

1.4GHz频段范围为1 427—1 525MHz，共98MHz。该频段分布使用情况见图3：

图3 1.4GHz频段分布使用

其中，1 427—1 435MHz规划用于点对点通信业务，1 435—1 447MHz规划用于移动视频业务，1 467—

1 475MHz分别规划用于卫星广播业务，1 447—1 467MHz

部分城市规划用于TD-LTE物联数据专网。

4.2 1.8GHz频段分析

（1）1.8GHz频段规划政策

根据信无部[2003]408号《关于扩展1 800MHz无线接入系统使用频段的通知》，为适应本地无线接入业务的需求，促进无线接入技术的发展，提高频谱利用率，将1 800MHz时分双工（TDD）方式无线接入系统的工作频率带宽由1 800—1 805MHz扩展为1 785—1 805MHz。具体频率指配和无线电台站管理工作，由各省、自治区、直辖市无线电管理机构负责。

（2）1.8GHz频段使用及产业现状

1.8GHz频率分布使用情况见图4，其中，1 710—1 735MHz/1 805—1 830MHz用于中国移动DCS1800系统，1 735—1 755MHz/1 830—1 850MHz用于中国联通DCS1800系统，1 755—1 785MHz/1 850—1 880MHz将可能后续LTE FDD系统预留。1 785—1 805MHz中，1 790—1 795MHz用于McWill系统，为城市信息化及行业信息化提供宽带接入服务。endprint

根据上述分析，1.8GHz未使用的频段为1 785—

1 790MHz、1 795—1 805MHz，共计15MHz。若TD-LTE与McWill系统同步，则两个系统间不需要保护间隔，实现TD-LTE与McWill系统共存，即TD-LTE系统可部署在1 785—1 805MHz。

4.3 230MHz频段分析

（1）230MHz频段规划政策

根据国无管[1991]5号发文《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》，223.025—235.000MHz作为给遥测、遥控、数据传输等业务使用频段。该频段规划为单频组网频段和双频组网频段以分别支持TDD和FDD模式。其中：228.025—230.000MHz为单频组网频段，频道间隔为25kHz；223.025—228.000MHz和230.025—235.000MHz为双频组网频段，收发间隔为7MHz，频道间隔为25kHz。230.025—235.000MHz用于主台发射，223.025—228.000MHz用于属台发射。

该频段分为6个频率组F1—F6，由国家无委办公室或者地方无委办公室以授权方式进行频点的分配。具体分布使用情况如下：

部分省份已发文明确支持在此频率组采用频率聚合技术开展TD-LTE专网试验项目。230MHz频段有望在项目执行期内在国家层面形成批文，全面支持TD-LTE在该频段开展项目。

（2）230MHz频段使用现状

国无管对223—235MHz频段无线资源使用的指导意见是行业用户生产保障应用。目前主要被能源、军队、气象、地震、水利、地矿、轻工、建设等部门或行业使用，各行业分配的频点呈离散交错分布。

能源属于比较大的一个领域，包含若干细分行业。如：煤矿、石油、电力等等，其中电力行业主要是在230MHz频点上实现应急抢修、检修及移动资产可视化管理。根据频率规划政策，电力行业在230MHz共有40个授权频点，频点带宽为25kHz，离散分布在223—235MHz频段内。

5 TD-LTE宽带数字集群通信发展有关问题

5.1 无线专网升级面临频谱危机

频谱是所有无线技术发展的先决条件，频谱如何分配历来是无线技术发展的核心问题。如今我国已步入无线专网宽带化发展的重要时期，在移动互联网业务极大丰富、频谱资源争夺紧张的背景形势下，频谱资源成了无线专网发展的瓶颈之一。

首先，在我国频谱资源大部分已经划分给公网，同时预留出部分频谱供公网通信后续演进技术使用，这导致能够划分给专网的频谱资源十分有限。

其次，由于专网用户分布分散、需求差异大，划分给专网的频谱资源十分零散，这种频谱划分方式在窄带通信时期能够满足需求，但在专网通信进入大数据宽带传输时期不适应性尤为凸显。在宽带时期，随着数据不断增多、应用增加，对频谱的需求随之增加，在建设初期可能就有几十兆的需求。

频谱资源的限制已遏制专网升级换代的脚步，加之使用不连续的频段不利于网络建设，对通信的稳定性、覆盖面积等都有着非常大的影响。

5.2 TD-LTE宽带数字集群技术标准不统一

现有通信行业标准主要针对通信行业制定，尤其是公众通信网。随着移动通信技术与传统行业信息化的融合加速，现有通信行业标准在标准的完善程度、及时性、灵活性等方面的不足日渐显露，已无法满足各传统行业和现代服务业移动宽带业务的需求。

目前我国领先TD-LTE设备商都已研发或推出TD-LTE宽带数字集群通信系统行业应用相关产品和解决方案，由于标准缺失，设备商技术方案不一致，无法实现不同设备商终端与网络、网络与网络之间的互联互通，形成了“烟囱式”的系统。正由于此，无法形成多厂商供货的健康供应链，系统设备、终端价格居高不下，直接影响用户使用和网络建设，不利于TD-LTE系统在传统行业中广泛推广，跨行业跨领域的标准制定工作迫在眉睫。

5.3 跨行业协调难度大，缺乏行业应用示范效应

目前国内TD-LTE宽带数字集群通信系统的行业应用处于起步阶段，虽在政务、公安、能源、交通等垂直领域开始创新应用尝试，但由于TD-LTE宽带数字集群通信系统的行业应用属于技术创新与传统产业的交叉领域，跨领域沟通协调难度大，大部分项目规模小，产业集中度较低，缺乏辐射带动作用，未形成有效的示范效应和集群效应。

6 TD-LTE宽带数字集群通信发展建议

6.1 尽快推动无线专网频段的落实

国际上，为使LTE能够更好地服务于公共安全及各传统行业，通常会在政策和资金上给予支持。如美国，规划使用LTE技术建设覆盖全国的公共安全专网，国会从频率和资金上用法案的形式给予保障，分配700MHz上的20MHz频段和70亿美元的资金。

结合当前TD-LTE宽带数字集群通信系统行业应用的发展形势，应提早规划分配适于TD-LTE宽带数字集群系统行业应用的频谱资源，除目前划分政务网1.4GHz外，建议规划1GHz以下的低频段作为TD-LTE行业应用的频谱资源。

6.2 充分发挥联盟平台优势，加快TD-LTE宽带数

字集群通信标准化进程

作为我国现行四级标准体系标准有力补充，联盟标准具有制定周期短、快速反应市场需求、跨产业跨学科、标准推广高效等优势，对推进企业标准化生产、避免同业竞争过渡、促进行业特色产业升级和产业集群的发展起到了积极的作用。

基于普大中华等核心企业在TD-LTE集群技术领域的工作基础，以及各行业应用领域相关技术规范薄弱甚至缺失的现状，TD产业联盟发挥联盟自身的创新资源整合优势，联合产业链上下游企业，组织成立TD-LTE集群技术规范工作组，形成并发布了《TD-LTE宽带数字集群通信系统行业应用技术规范》。为进一步促进产业的快速发展，目前TD产业联盟正在围绕TD-LTE集群终端与业务应用创新开展技术规范的制修订工作。

随着TD产业联盟标准化工作的深入开展，联盟将进一步优化工作流程，推动跨行业、跨领域的合作与创新，加速自主知识产权的发展，提供对行业指导性和参考性更强的标准文献。

6.3 加强资金扶持力度，建立部级协调机制，推动

行业应用示范项目的开展

建议政府建立部级协调机制，自上而下解决跨行业跨领域沟通协调困难的问题。同时，建立产业化示范项目引导机制，加强资金支持力度，推动TD-LTE宽带数字集群系统行业应用示范项目的开展，发挥示范项目的辐射带动作用，有效形成产业集群，拉动TD-LTE行业应用快速发展。

6.4 深入研究无线专网的运营模式

为了更好地推动无线专网的宽带技术产业和市场的发展，研讨当前BOT模式是否可持续，是否利于通信产业和传统行业的快速融合发展。同时以创新的概念和思路深入探索无线专网（尤其是政府专用网络）的其他运营模式。

参考文献：

[1] TDIA/T N-001.1 2013. TD-LTE宽带数字集群通信系统行业应用技术规范[S]. 2013.

[2] 易睿得. LTE系统原理及应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012.

[3] 郑祖辉. 数字集群移动通信系统[M]. 3版. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[4] 王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.endprint