基于TD-LTE技术的车地无线通信系统设计

戴克平，韩志永

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037；2.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200）

基于TD-LTE技术的车地无线通信系统设计

戴克平1，韩志永2

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037；2.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200）

针对车地无线通信系统的应用需求，介绍了TD-LTE技术的特点，提出了一种基于TD-LTE技术的车地无线通信系统架构设计方案。针对系统架构设计的关键技术及难点问题进行了详细说明：提出了综合承载业务的Qos规划；阐述了系统抗干扰设计；介绍了系统的移动性设计和系统的高可靠性设计。通过实验线系统测试验证，证明了系统设计的合理性和TD-LTE技术应用在车地无线通信领域的可行性。

TD-LTE；轨道交通；车地无线通信；CBTC；CCTV；PIS

0 引言

随着城市轨道交通系统的不断发展，其安全性、舒适性和高效性得到社会的普遍关注。车地无线通信系统作为有线传输网络的延伸，担负着轨道交通运行过程中，车辆与外界信息交互的“桥梁”作用。为行车所需的闭路电视系统（Closed-Circuit TeleVision systerm，CCTV）、乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）、列车控制系统（Commu- nication-based Train Control，CBTC）等提供车辆与车站／控制中心之间的无线传输通道。

目前业内车地无线传输主要以IEEE802.11系列WLAN技术为主，作为一种宽带无线接入技术，其在网络化、宽带化、经济性方面具有一定优势，但其存在的一些固有局限性，限制了轨道交通车地无线通信系统的发展：①设备密集、维护不便：WLAN天线范围覆盖较小，每间隔200 m需布设一个天线，增加了隧道内有源设备数量，维护困难，同时带来频繁的越区切换；②业务带宽严重受限：WLAN上下行采用CSMA／CA机制，上下行竞争是使用信道资源，当用户增多碰撞几率增加，吞吐量下滑严重；③易受干扰：WLAN工作在民用开放2.4G频段，尤其近年来wifi设备在公众中的普及，使得基于WLAN的车地无线设备易受同频段设备干扰；④Qos无法保证：多业务并发时不能按照优先级调度，高优先级业务带宽无法保障，不适用于综合承载；⑤高速移动性差：WLAN没有充分考虑高速移动性的环境需求，当列车速度超过80 km／h时，其移动性明显不足。

1 总体设计

1.1 TD-LTE技术介绍

TD-LTE是具有中国自主知识产权的技术，得到政府的大力支持，其采用OFDM技术、MIMO天线技术及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。TD-LTE主要技术优势如下。

①高数据吞吐率：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；④低系统时延：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完善的多级Qos：保证多种不同质量要求业务的并发服务质量；⑥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。

1.2 系统需求

在系统业务方面，基于TD-LTE技术的车地无线通信系统不仅需要完成传统车地无线通信系统承载的CCTV、PIS业务，还需要完成原来单独部署的CBTC业务，在未来还可以考虑完成语音集群调度业务，实现轨道交通业务的综合承载。

在系统带宽方面，上述业务所需的带宽需求如表1所示。

表1 综合承载需求列表

在高速移动性方面，系统应该充分考虑列车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损失，以保证承载的业务质量，尤其是CBTC业务质量不受损失。

1.3 系统结构

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可靠性原则，任何节点双备份，避免单点故障导致网络瘫痪；②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；③实时性原则：为实现对车辆的安全控制，视频传输的清晰流畅，数据传输要具有低延时；④高带宽原则：为传输高质量视频，上下行要具有大带宽；⑤环境适应性原则：充分考虑轨旁设备、车辆设备的环境要求。

基于TD-LTE技术的车地无线通信系统结构如图1所示。

图1 基于TD-LTE技术的车地无线通信系统结构

整个基于TD-LTE技术的车地无线通信系统采用A／B双网部署、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，不会影响综合承载业务。A网承载CBTC、CCTV和PIS，分配15 MHz带宽；B网只承载CBTC，分配5 MHz带宽；系统共占用20 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、CCTV和PIS的业务服务器相连，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与控制中心核心网设备连接。

在每列车的车头和车尾分别设置1套车载接入设备TAU，通过车载交换机与CBTC、CCTV和PIS的车载设备相连。

2 需解决的问题

按照如上总体设计的描述，基于TD-LTE技术的车地无线通信系统需要解决如下几个核心问题：

①综合承载业务的QoS设计：基于TD-LTE技术的车地无线通信系统承载多种业务，各种业务之间以及同种业务的不同内容之间，需要采用优先级保证设计，这是系统设计的一个核心问题；

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影响。尤其是北京的1.4 GHz频段的TD-LTE政务专网对于系统的异网同频干扰是系统设计的另一个核心问题；

③系统的高可靠设计：系统承载的CBTC业务是关键性业务，因此系统的高冗余性和高可靠性是系统设计的第3个核心问题。

3 系统设计

针对上述需解决的问题，系统设计采用的关键技术如下所述。

3.1 综合承载业务Qos设计

TD-LTE系统可以实现了9个调度优先级，用于CBTC、CCTV和PIS等不同的业务。系统为不同优先级的业务设计不同QoS并分配ARP和QCI参数。各业务的ARP分配由高到低，同时根据各业务对可靠性、时延的要求，系统为其分配不同的QCI，如表2所示。

表2 综合承载Sos定义

系统通过IP地址和端口号识别不同的业务，针对不同业务优先级进行资源调度。

通过上述方法可以实现系统业务差异化，同时还可以针对同一业务实现不同用户使用时的业务体验差异。

3.2 抗干扰设计

基于TD-LTE技术的车地无线通信系统的干扰问题主要分为其他通信系统的干扰，TD-LTE系统的系统内同频干扰和其他TD-LTE系统的异网同频干扰。

针对以上干扰，系统采用的抗干扰措施包括：

（1）全线采用漏泄电缆覆盖

为减小对异网的干扰和提高自身抗干扰能力，全线采用漏泄电缆进行覆盖，并可以采用空间隔离，或采用POI合路等方法增加与通信系统的隔离度，减少相互干扰。

（2）无线参数优化

针对系统内同频干扰，可以对LTE设备无线参数进行优化来进行小区间干扰控制和消除。可采用的优化方法包括采用异频调度、IRC算法和小区间干扰协调（ICIC）技术。小区下行可采用异频调度来满足小区边缘的信噪比，保证小区边缘的业务速率。通过IRC算法可以将单小区来自列车运行相反方向的干扰去除，用于进行上行干扰消除。通过ICIC进行小区间的干扰协调优化，ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率，通过考虑多个小区中资源使用和负载等情况对多小区无线资源进行管理使得小区间干扰得到控制。

（3）增强TD-LTE信号强度

为了增强弱信号区的信号强度，采用如下措施：①增大接收天线增益。增加天线增益就可以在一个确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。基于天线增益的重要性，采用室外型双极化平板天线，天线增益为13 dbi，提高了TAU的接收信号电平。②加大弱信号区射频信号强度，提高弱信号的抗干扰能力。基站无线射频单元发出的射频信号，通过馈线送到漏缆，在漏缆中进行电磁波传送。射频信号的强弱，对漏缆的覆盖半径和强度有直接关系。增加射频信号强度有利于抑制干扰。③采用沿线布置站点的方式，在干扰强度大的位置RRU的布置间距相对变小，而在隧道路段和干扰弱的位置RRU的布置间距可相对加大。

（4）利用车辆的屏蔽作用降低干扰

针对最严重的异网同频干扰，还可以利用车辆的屏蔽作用降低干扰，列车车体对干扰信号有一定屏蔽作用，有大约10～20 dB左右的车体屏蔽效果。所以将车载天线设置在车体底部或车体一侧。这样可以利用这10～20 dB的车体屏蔽效果，降低对车地无线通信系统的干扰。另外降低天线的安装位置也有利于抑制相互干扰。

如图2显示，采用车载定向平板天线安装在车底侧面，漏缆开槽正对车载平板天线，有利于降低相互干扰。

图2 车体屏蔽原理图

3.3 高可靠性设计

由于轨道交通车地无线通信系统要承载CBTC，而CBTC是列车运行控制的大脑，所以高可靠性是车地无线通信的重中之重。系统采用双网设备冗余和设备内板卡冗余的多级冗余理念来确保车地无线通信的高可靠性。

系统关键设备（核心网、基站BBU、基站RRU、车载TAU）每节点均部署2套独立的同类型设备，构成两张独立的TD-LTE网络同时对外提供承载业务，一张网络故障时，另一网络仍可保证通信畅通。

核心网设备内每块板卡均支持冗余热备；基站BBU设备主控板支持主备，基带板间支持冗余备份，可实现故障小区跨板重建，保证小区业务能够自动恢复，降低小区业务中断时间；单级RRU冷环备份；车载TAU车头车尾互备。这样不会因为网内设备某一板卡故障而引起整个网络故障。

4 设计验证及结果分析

4.1 测试场景

为了验证上述基于TD-LTE技术的车地无线通信系统的设计方案的可行性和系统的综合承载能力，在完成实验室模拟实验的基础上，进行了实验段测试验证工作。

实验段测试在北京东北五环外侧铁科院环形铁路进行。环形铁路线路长度为8.6 km，包括785 m高架桥以及925 m隧道（含两个U型槽），其余为露天环境，环形铁路为铁科院专用试验线路，具备安装TD-LTE测试设备的条件，能够进行全天候测试。经过现场勘测，全线路处于北京市1.4G政务网的覆盖范围内，因此所有的测试内容均在异网同频干扰条件下进行。系统测试结构如图3所示。

图3 系统测试验证结构图

测试设备包括2套LTE设备，A／B双网方案，A网带宽15 MHz，B网带宽5 MHz。每个网络包括核心网1台、BBU 2台、RRU 9台，车载TAU 1台。BBU通过以太网交换机直接接入LTE核心网设备。区间采用RRU／漏缆覆盖，平交道口采用RRU／定向天线覆盖。

测试方案中RRU与BBU采用交叉联接的目的是保证每次切换均是跨BBU的越区切换。

测试内容主要包括：传输性能测试、综合承载测试、设备稳定性、单网故障测试和极限性能测试五大方面。

4.2 测试结果分析

实验段测试的结果如表4所示。

表4 系统测试结果

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、列车状态信息和紧急文本信息的传输。

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、CCTV和PIS综合承载的传输需求；最恶劣情况时，双网均可满足CBTC和紧急文本信息的传输需求，但CCTV和PIS偶尔会出现卡顿。

通过上述测试，验证了基于TD-LTE技术的车地无线通信系统进行综合承载时能够保障CBTC业务高可靠传输，能够满足紧急文本下发和列车实时状态监控的传输需求，同时能为CCTV和PIS等业务提供有效的通信保障，证明了系统设计的可行性和合理性。

5 结束语

TD-LTE作为目前最先进的4G无线技术，在国内已经开始大规模商用，产业链趋于完善，具有高带宽、高质量、高可靠、高抗干扰能力等优良特性，与其他技术相比，更适合应用于轨道交通车地无线通信领域。

基于TD-LTE技术可以完成车地无线通信综合承载以外，未来还可以实现宽带多媒体集群调度业务，从而实现全业务综合承载。基于TD-LTE技术还可以进行大规模组网、多条线路混合组网，降低系统的总体建设投资和运营维护成本。相信在未来几年，TD-LTE技术一定会在国内轨道交通车地无线通信应用领域内大放异彩。

［1］阚庭明.城市轨道交通乘客信息系统技术发展趋势探讨［J］.铁路计算机应用，2009，18（1）：37－39.

［2］张利彪.城市轨道交通信号与通信系统［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］李晓江.城市轨道交通技术规范实施指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［4］李佳祎.轨道交通PIS与CBTC无线组网技术及干扰［J］.铁道工程学报，2011（6）：88－91.

［5］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，2011（6）：4－6.

［6］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.

［7］刘 晋.LTE自组织网络技术及其应用［J］.无线电通信技术，2014，40（6）：89－92.

［8］罗洪中，胡 晶，李泽朋.LTE技术在机动接入中的应用与研究［J］.无线电工程，2012，42（4）：51－52，64.

［9］杨桂芹，胡 滢，赵春和.3GPP LTE中基于HARQ技术的吞吐量性能研究［J］.无线电工程，2013，43（4）：48－50.

［10］李 青.TD-LTE系统PCI规划方法研究［J］.无线电通信技术，2013，39（5）：66－67，92.

［11］张 浩，师彦静，蒋 毅.TD-LTE中MBSFN动态区域配置研究［J］.无线电通信技术，2013，39（5）：6－10.

［12］ETS TR103 111：Electromagnetic Compatibilityand Radio Spectrum Matters（Erm）；System Reference Docu-ment（Srdoc）；Spectrum Requirements for Urban Rail Sys-tems in 5.9 Ghz Range［S］，2014.

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，韩志永.基于TD-LTE技术的车地无线通信系统设计［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：06－09，31.

2015－06－22

北京市科技计划项目，城市轨道交通专用车地综合通信系统（LTE-M）研制与示范应用（D151100005615003）

戴克平（1959―），男，高级工程师，主要研究方向：轨道交通无线通信技术。韩志永（1967―），男，工程师，主要研究方向：行业专网通信系统与装备。