TD-LTE宽带集群技术在城市轨道交通中的应用

张　婧

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)



TD-LTE宽带集群技术在城市轨道交通中的应用

张婧

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)

摘要通过分析城市轨道交通无线通信系统的现状和目前方案存在的问题，提出使用TD-LTE宽带集群技术承载轨道交通综合业务，并给出设计方案架构。通过与目前技术的对比，得出TD-LTE方案技术上的优势，并对车地无线网络多业务融合中关键的TD-LTE需求进行分析。从传输等级、传输时延和丢包率等指标入手，对TD-LTE技术应用于CBTC车地通信的可行性进行分析，得出结论：TD-LTE方案具备统一承载轨道交通综合业务的能力，应用在轨道交通行业具备较大可行性。

关键词城市轨道交通；车地通信；TD-LTE；应用方案

随着城市轨道交通的不断发展，对车地通信系统的安全性、高效性和服务性提出了更高要求。车地通信系统采用的无线通信技术主要有TD-SCDMA(时分同步码分多址)、TETRA(陆上集群无线电)、IDEN(集成数字增强型网络)、WCDMA(宽带码分多址)、WLAN(无线局域网)等。

目前，城市轨道交通车地通信系统除了承载列车集群调度系统，还需承载PIS(包含CCTV视频监控)系统、CBTC系统，组成示意图如图1所示。现阶段由于技术体制上的限制，无法使用1张网络承载此3种业务，需建立3张独立的网络来承载，即移动闭塞信号子系统使用的WLAN网络、车地无线子系统使用的专用WLAN网络、集群调度子系统使用的TETRA。CBTC业务对可靠性和实时性要求高，对带宽需求低，PIS业务对丢包率要求低，对带宽需求高，由于分别组网的限制，使CBTC系统和PIS系统无法共享无线资源，频谱利用率大幅降低。再者，WLAN具有很大局限性：(1)高速移动环境中无法满足高清需求；(2)设备覆盖范围较小，越区切换频繁；(3)工作在2.4GHz，干扰源多；(4)无法支持语音集群业务。因此，如何构建一个既能保证列车运营安全又能提升旅客出行体验、提供增值应用的宽带数字集群技术，将是城市轨道交通发展道路中亟待解决的问题。

图1　城市轨道交通车地通信系统示意图

1TD-LTE在轨道交通车地通信中应用

LTE(长期演进)是由3GPP(第三代合作伙伴)组织制定的第三代通信技术的进一步演进。采用基于OFDM(正交频分复用)的上下行多址接入和信号调制方式，以及MIMO(多输入多输出)、ICIC(小区干扰协调)等先进技术，有效提高了系统的传输速率、频谱利用率和抗干扰性。TD-LTE(时分长期演进)是LTE系统的时分双工模式，拥有我国核心自主知识产权，专为移动高带宽应用而生，具有公开、统一、完善的标准和完备的产业链。

用TD-LTE宽带集群技术承载城市轨道交通综合业务，不仅能解决系统内外干扰问题，还能提高网络资源利用率，实现高移动、大带宽的车地无线传输。方案采用一网承载多业务、双网冗余设计。A网独立承载CBTC业务，B网承载CBTC业务和PIS业务。每张网络包含eCNS(核心网)、eNodeB(轨旁无线接入网)、TAU(车载无线终端)。基站由BBU(基带处理单元)和RRU(射频单元)组成，车站和隧道内通过合路器和漏缆进行网络覆盖，高架段采用定向天线覆盖，车辆段采用全向天线覆盖，设计方案架构如图2所示。

图2　设计方案架构图

2TD-LTE技术优势

2.1移动性

TD-LTE支持350km/h的移动性能，0～120km/h移动场景下平均吞吐率可达60Mbit·s-1。同时系统具备自动频率校正能力，采用远距离覆盖、无缝切换算法，能更好的保证列车在高速运行下时延<50ms。而WLAN单个AP覆盖距离约为200m，高速移动下AP间切换过于频繁，带来的高时延势必会对数据传输造成不利影响。

2.2抗干扰性

TD-LTE系统物理层具有导频检测功能，能对信道的变化做出及时跟踪。链路层具备AMC(自适应调制编码)编码、HARQ重传功能，可根据信道干扰情况自适应调整调制与编码策略或自动重传请求。网络层采取ICIC和IRC(干扰抑制合并)干扰抑制算法，能有效降低网络整体干扰水平。而WLAN系统内缺乏抗干扰技术，只能通过开环功控来抗干扰。两者抗干扰对比如表1所示，可看出TD-LTE在干扰检测、干扰避免和干扰控制3个层面均优于WLAN。

表1　TD-LTE和WLAN抗干扰对比

2.3安全性

TD-LTE在安全性方面优于WLAN，其安全体系架构具备3层(应用层、网络层、传输层)和5个安全功能组，采用分层安全机制。TD-LTE通过AKA(认证与密钥协商)协议实现用户的所有操作，并对用户设备和网络侧进行双向鉴权，双向鉴权能抵御地铁中不良伪基站的攻击，完善的密钥分层系统也能有效防止上下级密钥相互泄露情况的发生。

2.4信道特点

TD-LTE下行信道采用OFDMA(正交频分多址)调制技术和多用户子载波分配相结合的传输技术，每个用户使用一个二维时频子载波集进行传输，可根据需求动态分配带宽。上行信道采用SC-FDMA(单载波频分多址)多址接入技术，不仅保持了OFDMA抗多用户接入干扰和多径干扰的优势，还降低了信号峰均比，其频谱配置示意图如图3所示。

图3　TD-LTE时域频谱资源配置示意图

2.5灵活性

TD-LTE上下行可灵活配比，频段可根据业务的不同需求灵活申请，支持1.4/3/5/10/15/20MHz系统带宽，充分利用了数据业务不对称性提高频谱效率。WLAN在灵活性方面远不如TD-LTE。

3无线网络多业务融合关键需求分析

3.1安全需求

TD-LTE可为视频监控系统提供高清的视频传输业务，辅助公安系统实时监控列车内的动态，以有效应对突发状况。当发生紧急情况时，能通过列车科室内音、视频播放等将服务信息有效传递给乘客，引导乘客安全、便捷的出行。

3.2宽带需求

PIS系统带宽分为上行带宽和下行带宽，D1标准下，上行带宽中每路视频图像最高需要2Mbit·s-1，隧道安防监控需要2Mbit·s-1(1路图像)。每列车共有12～16个摄像机，当列车同时上传视频图像时，所需最高带宽为16×2+2=34Mbit·s-1，下行带宽中每路视频图像需要8Mbit·s-1(每列车接收2路)，则所需带宽至少42Mbit·s-1。CBTC系统传输带宽需求为：高速移动时传输速率≥100kbit·s-1，在非切换区域上下行总速率≥1Mbit·s-1。3GPP对TD-LTE网络带宽指标：在20MHz频谱带宽下可提供下行100Mbit·s-1、上行50Mbit·s-1的峰值速率，完全能满足地铁带宽需求。

3.3增值业务需求

TD-LTE提供公共媒体实时信息投放平台，可细分时间段进行广告投放，并可调节广告投放模式，取得高效科学的盈利模式。

4可行性分析

轨道交通CBTC车地通信系统主要采用WLAN方案，目前该方案存在的局限性日趋明显，因此将TD-LTE应用到CBTC信号系统，对地铁安全运营及持续发展极为重要。本文将从QoS保障、时延性和丢包率方面分别对TD-LTE承载CBTC车地通信可行性进行分析。

4.1QoS保障

TD-LTE系统通过对不同业务建立不同的EPS承载来满足业务的QoS需求。EPS承载分为GBR承载和Non-GBR承载。网络拥挤时，GBR会保证相应的比特速率，而Non-GBR需要承受降速的要求。TD-LTE还定义了9个QCI等级，不同优先级对应不同传输时延和丢包率,如表2所示。CBTC业务对于时延和丢包率的要求远高于PIS和CCTV业务，基于TD-LTE的QoS保障特性，可将CBTC业务设置为GBR承载、较高优先级，其他业务设置为Non-GBR承载、较低优先权，这样即使CBTC业务和其他业务使用一张网络承载，也能确保列控信息的实时性和安全性。

表2　TE-LTE QCI等级表

4.2时延性

TD-LTE特有的扁平化网络架构，能有效降低控制面和用户面时延，3GPP对TD-LTE时延要求如下：用户平面单向传输时延<5ms，控制平面从睡眠状态进入激活状态迁移时延<50ms，驻留状态进入激活状态迁移时延<100ms。郑州城轨1号线在动调阶段，华为公司对TD-LTE网络切换时延进行了测试，记录的控制面时延平均值为19ms，最大值21ms，最小值16ms，用户面时延平均值为59.2ms，最大值64ms，最小值54ms。测试数据表明TD-LTE能满足地铁各业务对无线通信时延的要求。

4.3丢包率

TD-LTE无线小区具备无损切换功能，该功能使列车在不同小区移动时发生自动的无线链路切换操作，让TAU从原小区切换到信号强度较好的小区，确保TAU在基站间切换时少丢包甚至不丢包。通过华为公司在郑州1号线动调阶段对TD-LTE车地无线的实测数据显示：在重复测试50次的条件下，TAU的RRC(无线资源控制)和E-RAB(演进的无线接入承载)连接建立成功率高达100%，动态跑车场景中切换成功率>97%。WLAN小区切换过于频繁(约9s切换一次)且不具备切换保障功能，相比之下，TD-LTE系统可较大程度减少切换中丢包的概率。

通过以上分析，TD-LTE系统在传输等级、传输时延和丢包率上满足信号系统的指标要求，并且优于目前采用的WLAN系统。尤其是2015年工业和信息化部对1.785～1.805GHz城市轨道交通专用频段的下发，为TD-LTE技术可靠承载CBTC无线传输通道提供了有力保证。综上所述，TD-LTE技术承载CBTC车地通信网络具备良好的可行性。

5结束语

随着城市轨道交通日益增长的客流，以及对运营效率、运营体验和运营安全保障提出的更高要求，需要利用先进的通信网络技术将行车控制、乘客信息资讯、列车人员调度相连接。目前TD-LTE作为移动通信发展的最新技术，将其应用于轨道交通势必会带来该领域的全新发展，用TD-LTE宽带集群技术来承载城市轨道交通综合业务也是轨道交通发展的必然趋势。

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Application of TD-LTE Broadband Cluster Technology in Urban Rail Transit

ZHANGJing

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

AbstractThis paper introduces the present situation of the wireless communication system of urban rail transit and the existing problems of the current scheme, and proposes the use of TD-LTE broadband cluster technology integrated services with the scheme architecture given. the advantages of TD-LTE scheme are given by comparison with the present technology, and the key TD-LTE requirement in the multi-service integration of the train-ground wireless network is analyzed. From the transmission level, transmission delay and packet loss rate, the feasibility of the application of the TD-LTE technology in the train-ground communication of CBTC is discussed. It is concluded that the TD-LTE scheme is capable of the integrated services of urban rail transit.

Keywordsurban rail transit; train-ground communication; TD-LTE; application scheme

收稿日期:2015- 11- 17

作者简介:张婧(1989-)，女，硕士研究生。研究方向：智能交通与信息系统。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.035

中图分类号TN929.5；U231+.7

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)07-120-04