基于TD-LTE的地铁无线综合承载网

林 威

（福州市城市地铁有限责任公司，福建福州 350004）

技术装备

基于TD-LTE的地铁无线综合承载网

林 威

（福州市城市地铁有限责任公司，福建福州 350004）

针对地铁行业对通信业务多样化的需求，以及保障通信高可靠性要求的行业应用特点，结合新一代无线宽带技术 TD-LTE 的技术优势，发挥 TD-LTE 技术高带宽、高可靠性的特点，从可靠性、并发性和可维护性 3 个方面出发，探讨满足地铁行业应用需求的无线宽带综合解决方案，并给出了实际网络设计的链路预算方案，证明利用 TD-LTE 技术实现统一通信制式的地铁无线综合承载网是完全可行的。

地铁通信；无线通信；TD-LTE；综合承载网

0 引言

地铁通信系统是地铁日常运行的神经系统，承担着列车运行监控、运营调度、企业管理、应急通信等众多业务功能。它所需要的承载网络必须能提供可靠的、冗余的、可重构的、灵活的传输通道。这些传输通道一方面需要为上层不同的业务功能提供多样化的传输速率，另一方面还需要提供不同的通信质量保障。传统的专网系统，受限于原有通信技术的能力限制，不同的业务都通过不同的无线传输技术来实现。譬如语音集群通信采用了基于陆上集群无线电（TETRA）技术，基于通信的列车控制系统业务（CBTC）和旅客信息系统（PIS）采用了 WiFi 技术，这些业务分别代表了地铁日常运营中语音、视频和数据 3 类信息传输的需求。现有的专网通信解决方案是为这些不同的业务搭建不同的硬件通信平台，这些业务网络之间各自独立并且单独组网。这就造成在地铁场景内存在多种制式的无线通信系统，这些无线通信系统之间存在相互干扰等问题，不光给初期通信系统建设提高了设计和施工难度，抬高了投入成本，而且制式和设备众多也加重了后期日常运营维护的难度和成本。

随着通信技术的发展，无线通信所能提供的传输能力和传输质量保障可靠性获得了极大的提高。自然而然地，在地铁无线系统中采用统一的无线技术、基于相同的收发设备建设一张无线综合承载网所能带来的成本和维护优势是非常具有诱惑力的。而分时长期演进（TDLTE）技术在公网应用领域展现的高带宽高频谱利用率的特点，为上述目标的实现提供了一个切实的解决思路。本文将从轨道交通行业应用需求出发，结合 TDLTE 的技术优势，探讨基于 TD-LTE 技术构建地铁无线综合承载网的解决方案。

1 地铁综合承载网业务需求

现有的地铁无线通信系统，在其使用人员、承载业务以及业务保障能力上，都体现了其鲜明的行业应用特点。

从使用上看，既包括参与地铁日常运营的各类运营人员，同时也包括了各类自动控制系统平台上的终端设备。因此，地铁无线综合承载网需要既能满足人与人之间互连的需求，同时又兼具物联网的特点。

从承载业务上看，即包括双向沟通的语音、视频业务，同时也包括单向视频广播业务、紧急文本信息分发业务等。因此，地铁无线综合承载网其上下行带宽的分配需要根据其业务需求来精心设计，并不类同于一般通信系统下行多于上行的场景。

从业务保障能力上看，不同的业务类型注定了不同业务在传输可靠性和传输延迟上有着不同的指标约束。譬如：语音视频通信业务因为其主要面向人与人之间的双向实时通信，因此，对传输延迟非常敏感但对数据差错的容忍度就较高；但各类自动控制系统的业务数据，其周期性传输业务量较小且周期较长，但不允许数据出错，因此，对传输可靠性要求非常高但对传输延迟反而不敏感；而视频广播业务，则对高带宽传输能力提出了额外的要求。因此，地铁无线综合承载网本身需要具备对不同的业务具有灵活的带宽调度能力且具有不同的业务质量（QoS）保障能力。

另外，考虑到传统轨道交通行业的无线专网为了保障日常运营的高可靠性，在物理网络建设上通常采用同期建设 2 个网络，运行时采用主从网络冗余备份的方式。因此，在新系统研究设计时，尽可能地需要继承此类优点而避免因系统设备故障给日常运营带来风险。

综合起来看，现有的地铁业务应用中，基于同一张地铁综合承载网络，需要用无线接入技术来承载的业务通常包括以下这些业务。

（1）集群调度业务，包括语音通信业务、视频通信业务。

（2）旅客信息化业务，通常是单向的传输业务，把图像或视频信息通过广播方式传输给网络内所有的列车。

（3）视频监控业务（CCTV），主要是把运行列车或者监控点的视频监控图像根据需求传输给视频监控平台或者存储服务器。

（4）列车运行状态监控业务，服务于列车运行状态实时监控系统，把运行列车上的各类传感器采集的数据反馈给监控中心，使得运营中心可以实时掌握列车的运行状态，提前发现或排除问题，提高运营的安全性和可靠性。

（5）列车控制业务，用于支持列车的自动驾驶行为，直接关系到列车的驾驶行为，对数据的可靠性要求非常高。

这些业务有着不同的业务需求和传输质量保证，汇总见表1。

这些业务在传输速率和传输质量上的需求，是基于 TD-LTE 建设地铁无线综合承载网时所需要面临的挑战。以下结合 TD-LTE 技术的技术特点来分析解决这些问题的可行性。

2 TD-LTE的技术特点及系统优势

TD-LTE 作为下一代宽带无线接入技术的主流标准，在公共通信领域获得了大规模的商用，其正交频分多址/单载波频分多址（OFDMA/SC-FDMA）、多输入多输出（MIMO）等核心技术，已被证明可以显著地提高无线通信系统的频谱效率和数据传输效率。目前我国已经专门划出相应的频段 1 785～1 805 MHz 用于城市轨道交通行业建设基于时分双工（TDD）模式的宽带无线接入网络。依照 TD-LTE 的技术特点，在上述规划的 20 MHz的频谱宽度上可以实现下行 100 Mbit/s、上行 50 Mbit/s的信息传输能力。这就为城市轨道交通行业结合政策和技术优势，基于 TD-LTE 技术建设统一的无线承载网络提供了契机。

表1 地铁常用业务的业务需求和传输质量保证

TD-LTE 在物理层采用了 OFDMA/SC-FDMA 多址接入技术。该技术把有效的信号传输带宽细分成了多个相互正交的窄带子载波，每个子载波都可以单独或者成组地传输独立的信息流。同时多输入多输出技术的引入，有利于根据业务需求的不同采用不同的多天线配置方案，灵活解决提高传输速率或改善传输质量的问题。这些特点，对于我们用一张统一的无线承载网络来解决目前城市轨道交通场景中存在多个无线系统的混乱局面，是非常有利的。

系统的主要优势体现如下。

（1）OFDMA 的多址接入方式，使得系统的信道带宽配置取决于利用的子载波的数量。整个无线接入网可以在不改变系统基本参数或者更换系统设备的情况下通过配置不同的信道带宽模式来设计不同传输能力的承载网络，实现灵活组网和多场景兼容。譬如：主从网络的需求就可以采用带宽不对等的方式基于相同的系统设备来构建，在保证系统可靠性的同时又充分利用了频谱资源。

（2）用户分配带宽的大小取决于调度子载波的数量，这样就使得整个系统可以在传输资源内根据在网用户数、用户优先级及用户带宽需求来自由组合带宽资源调度方案。譬如：针对低突发、低速率的列控系统数据和高速率的流式视频业务就可以调度不同带宽来予以支持，取代原先基于 WiFi 的 CBTC 系统和 PIS 系统不管业务传输量上的巨大差别都要占用一个 WiFi 业务信道的弊端。

（3）各个用户之间的带宽资源在频域内是相互正交的，原先不同系统之间的干扰可以通过多用户频域调度来实现规避，可以有效地避免干扰问题。同时利用软频率复用技术和小区间的干扰协调技术，非常适合系统采用 TD-LTE 方式进行单频组网。

（4）各用户之间不光带宽可变，同时采用的调制编码方式也是相互独立的，可以自适应地根据用户业务的特点、用户无线传播环境的好坏在传输鲁棒性和传输效率之间实现优化平衡。

（5）TD-LTE 物理层还整合了混合自动重传请求（HARQ）技术，该技术结合了自动重传请求（ARQ）的高可靠性和前向纠错码（FEC）高效率的特点，针对无线传输引起的突发错误，可以快速地在物理层发起重传，大大降低了分组数据的误包率，同时也改善了数据的传输延迟。该技术特点非常契合轨道交通行业应用高可靠性需求和低延迟需求同时并存的场景。

从上述 TD-LTE 技术的特点来看，基于 TD-LTE 技术构建统一的地铁无线综合承载网在技术上是可行的。我们将根据地铁行业应用的典型场景来设计一个具有典型代表意义的 TD-LTE 无线网络。

3 基于 TD-LTE 技术的地铁综合承载网方案

结合地铁无线综合承载网的业务需求和 TD-LTE 的技术特点，在设计 TD-LTE 无线专网时，既需要保持传统地铁无线专网的特点，又需要根据 TD-LTE 的技术特点有针对性地对地铁行业应用来加以优化，以确保传统地铁无线专网可以平缓地演进到宽带传输时代。

以下从高可靠性、低并发业务、可维护性 3 个方面，针对地铁行业应用的特点对 TD-LTE 系统进行优化。

3.1 高可靠性

列车控制系统和列车监测系统因为其关系到列车的正常运行，传统上运行这类业务的无线网络都采用了主从网络冗余备份的方案，即物理上同时维护 2 套收发信机，两者分别占用不同的工作频段来传输相同的业务信息，以此来确保业务数据传输的高可靠性。但其缺点也非常明显，一方面工作频段带宽远大于业务带宽需求，同时还占用了 2 个相同带宽的工作频段，造成了极大的频谱浪费；另一方面工作频段为免许可频段，同类型系统众多，并且各类系统之间不正交，非常容易受到相邻频段同类型无线系统的干扰。

基于 TD-LTE 技术的承载网络同样采用主从网络冗余备份的方案时，却可以解决上述 2 个问题。因为基于TD-LTE 系统 1 套收发信机可灵活支持 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz 和 20 MHz 多种信道配置模式的特点，我们可以基于相同的 LTE 收发信机设备，通过软件配置的方式来支持传统的主从网络模式，但采用不对称的带宽分配方式来解决频谱资源浪费的问题。具体可以根据双网冗余备份的业务带宽需求，优先设计主网络占用的信道带宽，剩余的带宽全部分配给备份网络。在备份网络中，通过业务优先级的划分来为需要双网冗余备份的业务优先预留所需带宽，剩余的带宽可以预留给高数据量的业务使用。从这上面看，充分利用了 LTE 技术在网络业务带宽灵活配置和高数据传输能力上的优势。

3.2 低并发业务

公共通信网络主要面向大用户提供高速突发性的数据传输能力，而在轨道交通行业领域，专用通信领域的业务更多的是周期性的、低突发的数据报业务或者业务速率较平稳的视频流业务。同时由于行业应用人员在物理空间上的稀疏性，以及入网运行列车在空间上的天然间隔，因此，无线专网的单小区内的激活用户数相对较小，在同一时刻需要并发支持的业务种类有限。这就为系统保障各业务的传输需求以及各业务的优先级需求带来了便利。

3.3 可维护性

多天线技术和 HARQ 技术的引入，提高了接收机的接收能力，降低了系统对最小接收电平的需求。无线系统可以容忍更大的传播路径衰减，客观上提高了单小区的覆盖范围。通过合理的系统规划，可以充分利用地铁系统连续 2 个车站间距有限的特点，利用 TD-LTE 的拉远能力，采用信源设备不进入隧道轨行区的覆盖方案，有效地规避了系统设备故障带来的保障能力问题，可以使得信源设备的维修保养或者紧急抢修不受地铁列车正常运行的限制，切实提高了地铁系统的保障能力。

4 网络覆盖方案

基于以上述分析，在 1 705～1 805 MHz 许可频段上，按照 5 MHz/15 MHz 的非对称带宽分配方式来设计地铁无线综合承载网的主从网络方案，同时，给出基于上述方案所能达到的链路预算和覆盖方案。

从提高系统灵活度考虑，TD-LTE 无线系统的上下行业务切换周期设定为 5 ms。另外，从前面的业务需求来看，上下行业务的带宽需求基本平衡，因此，在上下行配比上采用上下行时隙 1 : 1 的配比方案，特殊子帧配比设定为 7，使得下行业务能力略高于上行业务能力。此外，考虑到同小区内并发用户数较少，可相应降低同时隙内并发用户数的限制，同时从降低业务信道中用于承载信令控制消息开销的目的出发：设定每个子帧内物理下行控制信道（PDCCH）占用的OFDMA符号个数为 1，物理上行控制信道（PUCCH）占用资源块（RB）的个数最大为 4。

而在多天线模式上，由于隧道区间天馈系统的安装条件受限以及工程造价的限制，设定隧道区间内的天馈系统最多采用 2 根泄漏电缆或裂缝波导管。因此，TD-LTE 专网的多天线模式，下行最多支持 2×2 多输入多输出（MIMO）模式，上行仅支持 1×2 单输入多输出（SIMO）系统模式。

根据上述参数估算，单小区上下行理论峰值速率见表2。

从业务需求上看，需要主从备份的业务主要是列车控制业务和列车检测业务，两者的需求之外再加上 1 路集群语音需求，单列车在上行方向约需要 424 kbit/s、下行方向需要 321 kbit/s 的传输带宽。结合表2 来看，5M 带宽模式的主网络用于承载上述业务时，主要的带宽限制和并发用户限制在上行方向，以调制编码模式MCS10 和 MCS20 来估计，并发用户数限制为 3.7 个和9.1 个，考虑到运营中前后列车在空间间隔上近似于平均分布，对应到网络状态也近似于平均分布于网络的好点和差点之间，从这上看，单小区支持 6 个列车并发接入是完全可以实现的。

从覆盖目标上来看，虽然下行业务有着更高的带宽需求，但受益于下行的 MIMO 模式和系统设备侧较高的发射功率，通常下行方向的带宽需求和覆盖需求不会是瓶颈。从整个系统的需求来看，15M 带宽模式的从网络中上行方向的 CCTV 视频监控业务则会是带宽需求和覆盖需求上的短板。对运行中的列车来说，在隧道内按固定线路运行，按运行方向分别穿越小区远点、中点、近点，要维持上行的视频流业务不中断，在网络覆盖设计上必须保证在小区边缘也能维持上行的视频流业务所需的带宽和发射功率需求。

表2 单小区上下行理论峰值速率

从降低信号与干扰加噪声比（SINR）和调制编码方案（MCS）需求角度考虑，假设边缘用户最多可以分配 20 个 RB，其对应的热噪声为-108.4 dBm，考虑为单个列车预留 2.5 Mbit/s 的带宽来计，则需要预留 10 dB 的 SINR 余量和 3 dB 的损耗系数余量，在不考虑天线增益的情况下，可以得到针对边缘用户的最小接收电平需求值为-95 dBm。如果降低视频监控的分辨率，单个列车的带宽预留可放宽至 1.5 Mbit/s，终端侧可以通过降低发射带宽实现功率汇聚的方式，或者采用更鲁棒的调制编码格式来降低最小接收电平的目标需求值，从而实现更大的小区覆盖。

表3 天馈系统（泄漏电缆或裂缝波导管）的传播特性

假设车载台的最大发射功率限制为 33 dBm，那么在不考虑天线增益的情况下，上行方向所能接受的最大路径损耗为 128 dB。考虑地铁隧道区间所采用的天馈系统（泄漏电缆或裂缝波导管）的传播特性见表3。

另外，考虑 7 dB 的干扰余量、5 dB 的馈线/接头损耗余量以及 3 dB 的工程余量，同时采用车顶放置天线的方式避免穿透损耗，那么在隧道区间采用泄漏电缆作为天馈系统，单向最大覆盖距离约为 1 km；而采用裂缝波导管作为天馈系统，隧道区间内单向最大覆盖距离可以扩大为 2.15 km。这意味着通过在相邻车站的两侧站台分别放置信源设备，利用天馈系统向隧道内辐射无线信号的方式可以有效地实现“信源设备不进入轨行区”的目的。当采用泄漏电缆时，最大支持间距为 2 km 的隧道区间，而采用裂缝波导管则可以扩大至 4.3 km 的隧道区间。上述方案的好处在于当主从网络的收发信机设备出现运行故障时，维护部门可以不必等到“维修天窗点”才开始设备维修，同时不影响列车的正常运行，可以极大地提高地铁无线承载网络的可维护性和高保障能力。

5 总结

本文结合地铁行业应用的特点和 TD-LTE 的技术优点，从地铁行业应用的需求出发，从 3 个方面考察了基于 TD-LTE 技术建设地铁综合承载无线网络的特点，通过系统链路预算说明了系统的可实现性。

［1］ 工业和信息化部.关于重新发布1 785- 1 805 MHz 频段无线接入系统频率使用事宜的通知［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］ 肖远强，张武军.泄漏电缆的性能分析［J］.移动通信，2002（6）：40-43.

责任编辑 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，高级工程师

2015-11-11