TD－LTE关键技术在水利防汛中的应用

秦超杰

(淮河水利委员会 通信总站，安徽 蚌埠233001)

LTE通信技术是由国际标准化组织3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，于2004年12月3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM和多天线MIMO等关键传输技术，增加了频谱效率和数据传输速率，并支持多种带宽分配，频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖显著提升［1］。TD－LTE采用了TD－SCDMA的技术和设计理念，无线网络架构更加扁平化，增强了空中接口的传输能力，减小了系统时延，降低了建网和维护的成本。随着技术的不断完善，TD－LTE一定会得到各主流通信设备商和运营商的广泛关注，并逐步实现在水利、电力、气象等行业的大规模应用。

1 TD－LTE关键技术研究

LTE最重要的改进在于采用全新的空中接口技术，在上行链路中采用了作为TD－LTE核心技术的调制技术(正交频分服用OFDM、正交频分多址OFDMA)和虚拟多入多出(Virtual MIMO)，有效克服了无线信道的多径效应引起的符号间干扰，同时，在利用现有频谱资源基础上，大幅增加了系统信道容量。

1.1 MIMO技术

MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的宽带内由多个发射天线同时发射，经过无线信道后，再由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性，通过解调恢复出原来的数据流。基本的MIMO模型是下行、上行天线阵列，使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发射功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，从而提高系统的频谱利用率和信道容量［1］。

LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置。另外，LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善边缘的数据速率和系统容量。

2.2 OFDM、OFDMA

OFDM调制技术的原理是将高速数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个正交的子信道中进行传输，而每个子信道中的符号周期会相对增加，这样可减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，还可在OFDM符号之间插入保护时间间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这可最大限度地消除多径带来的符号间干扰。

对于多址技术，LTE规定了下行和上行采用的分址技术，下行方式采用正交频分多址(OFDMA)，上行采用单载波频分多址(SC－FDMA)，由此保证了不同频谱资源用户间的正交性，以避免子载波之间的干扰。

1.3 基于TDD的双工技术

TDD(Time Division Duplexing)时分双工技术是一种通信系统的双工方式，与FDD相对应，在TDD模式下，发送和接收位于同一载波下的不同时隙，信号无需像FDD双工方式那样要求成对的频段，并具有灵活配置的特点，以充分利用有限的频谱资源。

2 TD－LTE的技术特点

(1)采用OFDM和MIMO技术。TD－LTE采用了更适合宽带系统的OFDM技术，结合MIMO多天线和快速分组调度等先进的设计，实现了更高的峰值通信速率，同时能够提供比3G HSPA提高2～3倍的频谱利用效率。在采用下行2天线/上行1天线、20 MHz的系统带宽和3∶1的下行与上行时隙比例配置的情况下，TD－LTE网络的下行峰值速率可达到110 Mbit·s－1、上行峰值速率达到30 MHz。

(2)灵活的系统带宽和载波聚合。TD－LTE支持1.4/3/5/10/15/20 MHz共6种不同的系统带宽选项，更为先进的TD－LTE－Advanced通过载波聚合技术，可支持以上6种带宽选项的不同组合，包括连续或非连续频率资源的组合使用，最大可以达到100 MHz的系统带宽，充分满足各种频率资源场景和网络部署带宽的需求［2］。

(3)简化的网络架构和智能化的网络管理。TDLTE［3］取消了RNC节点，采用了扁平化的网络架构和更加简化的系统协议设计，利用了SON(网络自优化)技术，实现智能化的网络管理，有效的降低了网络成本。

(4)动态的分组调度技术。TD－LTE简化的网络结构降低了传输时延，促进了动态资源调度技术的应用。在空中接口的技术设计中，TD－LTE采用完全基于分组交换的资源分配方式，根据用户的情况，能快速进行最优的资源分配，为各种实时业务提供服务质量(QoS)保证的同时，也保证了系统资源的利用效率。

(5)灵活的上下行时隙比例配置。上下行时隙比例的灵活配置是TDD技术的一个重要特点，TD－LTE支持7种不同的上下行时隙比例配置，包括下行多数的9∶1到上行多数的2∶3，可根据实际网络中上下行业务量不同的需求情况进行相应的选择，满足不同的规划需求，增加TD－LTE网络上下行业务量配置的灵活性。

(6)基于信道互易性的智能天线技术。TDD信道的互易性为智能天线技术的应用提供了便利，TDLTE延续TD－SCDMA的智能天线技术并进行了扩展，进一步提升了系统性能，尤其是网络边缘用户的通信性能［2－9］。

3 基于TD－LTE技术的网络架构

LTE技术中的传统语音业务只是网络为终端用户提供的服务之一，其关键的设计目标是实现网络完全基于分组交换，不再采用3G网络中的双核心结构，而是让分组核心网(MSC/VLR)成为管理UE移动性和处理信令的唯一，实现综合业务通过IP多媒体系统(IMS)服务终端用户［4］。

在具体的行业应用中，基于TD－LTE技术的网络由指挥调度平台、核心网、基站、应用终端4部分组成，基于TD－LTE技术水利应用集群系统示意图如图1所示。

图1 基于TD－LTE技术水利应用集群系统示意图

(1)指挥调度平台。是宽带无线多媒体集群系统的调度控制中心，负责集群协调调度、呼叫控制、用户调度、应用扩展等功能，同时为用户提供调度操作界面。其主要网元包括:调度台(DC)、录音/录像服务器(ReS)、安全服务器(SeS)和各种应用服务器(ApS)等。

(2)核心网EPC。主要负责UE的网络侧移动性管理、业务数据的统一交换控制和传送，并具有移动性管理功能，包括移动性管理实体(MME)、网关x－GW以及策略控制与计费规则实体PCRF。MME基本功能包括负责用户接入控制、非接入层(NAS)信令处理、用户移动性管理、网络管理、x－GW选择控制、业务承载的核心网侧资源控制、鉴权过程管理等功能的处理。同时，处理来自交换控制中心(SCC)的集群控制信令并进行集群业务承载管理，与RDS交互获取集群信息，控制eNodeB与UE间建立集群业务承载空口上行数据链路的分配与释放等。

(3)基站eNodeB。为宽带无线多媒体集群系统中的接入网设备，主要负责无线信号的发送和接收、空口无线资源管理和接入网侧移动性管理，可采用模块化、可配置、可裁剪的统一硬件架构平台，实现设备的即插即用。

(4)应用终端。包括手持单兵终端、头盔单兵终端、多功能车载台、无线高清摄像头、无线专业摄像机、CPE、上网卡等，实现综合业务的传输。

4 水利防汛的应用展望

实践证明，大带宽的无线传输系统在水库、行蓄洪区及偏远水利枢纽防汛调度的作用明显。由于水利行业的特殊性和新形势下水利工作的特点，对通信标准和体制提出了更高的要求。

(1)多媒体数字集群。TD－LTE拥有的高速率、大带宽的优势，具有更大的信道容量、更高的频谱利用率、更强的抗干扰能力和更好的传输性能，与数字集群技术相结合，可开发出集语音、数据、视频为一体的新一代宽带多媒体数字集群系统［8］。

(2)宽带接入。基于TD－LTE技术的新一代通信网可为各类终端用户提供上行50 Mbit·s－1，下行100 Mbit·s－1无线宽带接入［10］，适合防汛调度和重点闸坝的远程视频监视。

(3)指挥调度。在防汛抗旱、抢险救灾方面，需要依靠无线通信系统提供完备的调度控制功能，并支持语音集群、视频集群等。并与水利行业监控系统紧密连接，提供实时数据，以便防汛指挥部门迅速决策。

(4)无线数据采集及控制。数据采集类的终端可提供及时、稳定的水情、工情信息，可广泛应用于水文报讯、闸坝安全检测等工程管理，接入模块可通过串口、网口、wifi等接口与数据采集终端连接，实现数据采集和控制。

(5)移动视频监控。TD－LTE技术在宽带接入方面拥有不可比拟的优势，通过易于架设的视频监控终端，可适合重点水库、闸坝等防护工程的视频监控，并可在移动终端上查看指定点监控视频，大幅提高了水利工程管理的信息化水平。

5 结束语

TD－LTE作为我国自主产权进行TD－SCDMA的长期后续演进，是为了满足移动互联网业务的需求，实现了以我为主而又融入国际化的标准。在国家高科技大战略的支持下，以中国移动为代表的中国运行商在TD－SCDMA标准化、产业化、规模化部署经验的基础上，主导了LTE的标准化和产业化发展，基站测试工作正在各城市进行部署。LTE网络将进入一个不断成长、成熟的阶段，虽然LTE网络的发展仍存在困难，但其先进的技术、优越的性能在水利行业的应用已得到了规模化的研究和论证，经济效益与社会效益值得期待。

［1］ 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.

［2］ 杨鹏，李波.TD－LTE关键技术及测试要点［J］.现代电信科技，2009(11):23－24.

［3］ 王迎，龚惠莉.试论TD－LTE技术的未来发展［J］.移动通信，2009(8):5－8.

［4］ 陈昌川，廖晓锋，赵川斌.TD－LTE无线接入网介绍［J］.通信技术，2009，42(3):103－105.

［5］ 林艳芳.TD－LTE关键技术及发展［J］.数字通信，2011，38(1):36－37.

［6］ 张建国.TD－LTE系统覆盖距离分析［J］.移动通信，2011，35(10):26－29.

［7］ 李新.试论TD－LTE无线网络覆盖特性浅析［J］.电信科学，2009，25(1):43－47.

［8］ 徐玉.TD－LTE产业发展现状及趋势分析［J］.移动通信，2010，34(5):18－21.

［9］ 董伟杰，王超.TD－LTE发展中的关键问题［J］.通信技术，2010，43(5):168－169，175.

［10］林晓东，宋晓国.基于TD－LTE的上行功率控制技术研究［J］.通信技术，2012，45(8):84－86，90.