林 威

（福州市城市地鐵有限責任公司，福建福州 350004）

技術裝備

基于TD-LTE的地鐵無線綜合承載網

林 威

（福州市城市地鐵有限責任公司，福建福州 350004）

針對地鐵行業(yè)對通信業(yè)務多樣化的需求，以及保障通信高可靠性要求的行業(yè)應用特點，結合新一代無線寬帶技術 TD-LTE 的技術優(yōu)勢，發(fā)揮 TD-LTE 技術高帶寬、高可靠性的特點，從可靠性、并發(fā)性和可維護性 3 個方面出發(fā)，探討滿足地鐵行業(yè)應用需求的無線寬帶綜合解決方案，并給出了實際網絡設計的鏈路預算方案，證明利用 TD-LTE 技術實現統(tǒng)一通信制式的地鐵無線綜合承載網是完全可行的。

地鐵通信；無線通信；TD-LTE；綜合承載網

0 引言

地鐵通信系統(tǒng)是地鐵日常運行的神經系統(tǒng)，承擔著列車運行監(jiān)控、運營調度、企業(yè)管理、應急通信等眾多業(yè)務功能。它所需要的承載網絡必須能提供可靠的、冗余的、可重構的、靈活的傳輸通道。這些傳輸通道一方面需要為上層不同的業(yè)務功能提供多樣化的傳輸速率，另一方面還需要提供不同的通信質量保障。傳統(tǒng)的專網系統(tǒng)，受限于原有通信技術的能力限制，不同的業(yè)務都通過不同的無線傳輸技術來實現。譬如語音集群通信采用了基于陸上集群無線電（TETRA）技術，基于通信的列車控制系統(tǒng)業(yè)務（CBTC）和旅客信息系統(tǒng)（PIS）采用了 WiFi 技術，這些業(yè)務分別代表了地鐵日常運營中語音、視頻和數據 3 類信息傳輸的需求?，F有的專網通信解決方案是為這些不同的業(yè)務搭建不同的硬件通信平臺，這些業(yè)務網絡之間各自獨立并且單獨組網。這就造成在地鐵場景內存在多種制式的無線通信系統(tǒng)，這些無線通信系統(tǒng)之間存在相互干擾等問題，不光給初期通信系統(tǒng)建設提高了設計和施工難度，抬高了投入成本，而且制式和設備眾多也加重了后期日常運營維護的難度和成本。

隨著通信技術的發(fā)展，無線通信所能提供的傳輸能力和傳輸質量保障可靠性獲得了極大的提高。自然而然地，在地鐵無線系統(tǒng)中采用統(tǒng)一的無線技術、基于相同的收發(fā)設備建設一張無線綜合承載網所能帶來的成本和維護優(yōu)勢是非常具有誘惑力的。而分時長期演進（TDLTE）技術在公網應用領域展現的高帶寬高頻譜利用率的特點，為上述目標的實現提供了一個切實的解決思路。本文將從軌道交通行業(yè)應用需求出發(fā)，結合 TDLTE 的技術優(yōu)勢，探討基于 TD-LTE 技術構建地鐵無線綜合承載網的解決方案。

1 地鐵綜合承載網業(yè)務需求

現有的地鐵無線通信系統(tǒng)，在其使用人員、承載業(yè)務以及業(yè)務保障能力上，都體現了其鮮明的行業(yè)應用特點。

從使用上看，既包括參與地鐵日常運營的各類運營人員，同時也包括了各類自動控制系統(tǒng)平臺上的終端設備。因此，地鐵無線綜合承載網需要既能滿足人與人之間互連的需求，同時又兼具物聯網的特點。

從承載業(yè)務上看，即包括雙向溝通的語音、視頻業(yè)務，同時也包括單向視頻廣播業(yè)務、緊急文本信息分發(fā)業(yè)務等。因此，地鐵無線綜合承載網其上下行帶寬的分配需要根據其業(yè)務需求來精心設計，并不類同于一般通信系統(tǒng)下行多于上行的場景。

從業(yè)務保障能力上看，不同的業(yè)務類型注定了不同業(yè)務在傳輸可靠性和傳輸延遲上有著不同的指標約束。譬如：語音視頻通信業(yè)務因為其主要面向人與人之間的雙向實時通信，因此，對傳輸延遲非常敏感但對數據差錯的容忍度就較高；但各類自動控制系統(tǒng)的業(yè)務數據，其周期性傳輸業(yè)務量較小且周期較長，但不允許數據出錯，因此，對傳輸可靠性要求非常高但對傳輸延遲反而不敏感；而視頻廣播業(yè)務，則對高帶寬傳輸能力提出了額外的要求。因此，地鐵無線綜合承載網本身需要具備對不同的業(yè)務具有靈活的帶寬調度能力且具有不同的業(yè)務質量（QoS）保障能力。

另外，考慮到傳統(tǒng)軌道交通行業(yè)的無線專網為了保障日常運營的高可靠性，在物理網絡建設上通常采用同期建設 2 個網絡，運行時采用主從網絡冗余備份的方式。因此，在新系統(tǒng)研究設計時，盡可能地需要繼承此類優(yōu)點而避免因系統(tǒng)設備故障給日常運營帶來風險。

綜合起來看，現有的地鐵業(yè)務應用中，基于同一張地鐵綜合承載網絡，需要用無線接入技術來承載的業(yè)務通常包括以下這些業(yè)務。

（1）集群調度業(yè)務，包括語音通信業(yè)務、視頻通信業(yè)務。

（2）旅客信息化業(yè)務，通常是單向的傳輸業(yè)務，把圖像或視頻信息通過廣播方式傳輸給網絡內所有的列車。

（3）視頻監(jiān)控業(yè)務（CCTV），主要是把運行列車或者監(jiān)控點的視頻監(jiān)控圖像根據需求傳輸給視頻監(jiān)控平臺或者存儲服務器。

（4）列車運行狀態(tài)監(jiān)控業(yè)務，服務于列車運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，把運行列車上的各類傳感器采集的數據反饋給監(jiān)控中心，使得運營中心可以實時掌握列車的運行狀態(tài)，提前發(fā)現或排除問題，提高運營的安全性和可靠性。

（5）列車控制業(yè)務，用于支持列車的自動駕駛行為，直接關系到列車的駕駛行為，對數據的可靠性要求非常高。

這些業(yè)務有著不同的業(yè)務需求和傳輸質量保證，匯總見表1。

這些業(yè)務在傳輸速率和傳輸質量上的需求，是基于 TD-LTE 建設地鐵無線綜合承載網時所需要面臨的挑戰(zhàn)。以下結合 TD-LTE 技術的技術特點來分析解決這些問題的可行性。

2 TD-LTE的技術特點及系統(tǒng)優(yōu)勢

TD-LTE 作為下一代寬帶無線接入技術的主流標準，在公共通信領域獲得了大規(guī)模的商用，其正交頻分多址/單載波頻分多址（OFDMA/SC-FDMA）、多輸入多輸出（MIMO）等核心技術，已被證明可以顯著地提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和數據傳輸效率。目前我國已經專門劃出相應的頻段 1 785～1 805 MHz 用于城市軌道交通行業(yè)建設基于時分雙工（TDD）模式的寬帶無線接入網絡。依照 TD-LTE 的技術特點，在上述規(guī)劃的 20 MHz的頻譜寬度上可以實現下行 100 Mbit/s、上行 50 Mbit/s的信息傳輸能力。這就為城市軌道交通行業(yè)結合政策和技術優(yōu)勢，基于 TD-LTE 技術建設統(tǒng)一的無線承載網絡提供了契機。

表1 地鐵常用業(yè)務的業(yè)務需求和傳輸質量保證

TD-LTE 在物理層采用了 OFDMA/SC-FDMA 多址接入技術。該技術把有效的信號傳輸帶寬細分成了多個相互正交的窄帶子載波，每個子載波都可以單獨或者成組地傳輸獨立的信息流。同時多輸入多輸出技術的引入，有利于根據業(yè)務需求的不同采用不同的多天線配置方案，靈活解決提高傳輸速率或改善傳輸質量的問題。這些特點，對于我們用一張統(tǒng)一的無線承載網絡來解決目前城市軌道交通場景中存在多個無線系統(tǒng)的混亂局面，是非常有利的。

系統(tǒng)的主要優(yōu)勢體現如下。

（1）OFDMA 的多址接入方式，使得系統(tǒng)的信道帶寬配置取決于利用的子載波的數量。整個無線接入網可以在不改變系統(tǒng)基本參數或者更換系統(tǒng)設備的情況下通過配置不同的信道帶寬模式來設計不同傳輸能力的承載網絡，實現靈活組網和多場景兼容。譬如：主從網絡的需求就可以采用帶寬不對等的方式基于相同的系統(tǒng)設備來構建，在保證系統(tǒng)可靠性的同時又充分利用了頻譜資源。

（2）用戶分配帶寬的大小取決于調度子載波的數量，這樣就使得整個系統(tǒng)可以在傳輸資源內根據在網用戶數、用戶優(yōu)先級及用戶帶寬需求來自由組合帶寬資源調度方案。譬如：針對低突發(fā)、低速率的列控系統(tǒng)數據和高速率的流式視頻業(yè)務就可以調度不同帶寬來予以支持，取代原先基于 WiFi 的 CBTC 系統(tǒng)和 PIS 系統(tǒng)不管業(yè)務傳輸量上的巨大差別都要占用一個 WiFi 業(yè)務信道的弊端。

（3）各個用戶之間的帶寬資源在頻域內是相互正交的，原先不同系統(tǒng)之間的干擾可以通過多用戶頻域調度來實現規(guī)避，可以有效地避免干擾問題。同時利用軟頻率復用技術和小區(qū)間的干擾協調技術，非常適合系統(tǒng)采用 TD-LTE 方式進行單頻組網。

（4）各用戶之間不光帶寬可變，同時采用的調制編碼方式也是相互獨立的，可以自適應地根據用戶業(yè)務的特點、用戶無線傳播環(huán)境的好壞在傳輸魯棒性和傳輸效率之間實現優(yōu)化平衡。

（5）TD-LTE 物理層還整合了混合自動重傳請求（HARQ）技術，該技術結合了自動重傳請求（ARQ）的高可靠性和前向糾錯碼（FEC）高效率的特點，針對無線傳輸引起的突發(fā)錯誤，可以快速地在物理層發(fā)起重傳，大大降低了分組數據的誤包率，同時也改善了數據的傳輸延遲。該技術特點非常契合軌道交通行業(yè)應用高可靠性需求和低延遲需求同時并存的場景。

從上述 TD-LTE 技術的特點來看，基于 TD-LTE 技術構建統(tǒng)一的地鐵無線綜合承載網在技術上是可行的。我們將根據地鐵行業(yè)應用的典型場景來設計一個具有典型代表意義的 TD-LTE 無線網絡。

3 基于 TD-LTE 技術的地鐵綜合承載網方案

結合地鐵無線綜合承載網的業(yè)務需求和 TD-LTE 的技術特點，在設計 TD-LTE 無線專網時，既需要保持傳統(tǒng)地鐵無線專網的特點，又需要根據 TD-LTE 的技術特點有針對性地對地鐵行業(yè)應用來加以優(yōu)化，以確保傳統(tǒng)地鐵無線專網可以平緩地演進到寬帶傳輸時代。

以下從高可靠性、低并發(fā)業(yè)務、可維護性 3 個方面，針對地鐵行業(yè)應用的特點對 TD-LTE 系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3.1 高可靠性

列車控制系統(tǒng)和列車監(jiān)測系統(tǒng)因為其關系到列車的正常運行，傳統(tǒng)上運行這類業(yè)務的無線網絡都采用了主從網絡冗余備份的方案，即物理上同時維護 2 套收發(fā)信機，兩者分別占用不同的工作頻段來傳輸相同的業(yè)務信息，以此來確保業(yè)務數據傳輸的高可靠性。但其缺點也非常明顯，一方面工作頻段帶寬遠大于業(yè)務帶寬需求，同時還占用了 2 個相同帶寬的工作頻段，造成了極大的頻譜浪費；另一方面工作頻段為免許可頻段，同類型系統(tǒng)眾多，并且各類系統(tǒng)之間不正交，非常容易受到相鄰頻段同類型無線系統(tǒng)的干擾。

基于 TD-LTE 技術的承載網絡同樣采用主從網絡冗余備份的方案時，卻可以解決上述 2 個問題。因為基于TD-LTE 系統(tǒng) 1 套收發(fā)信機可靈活支持 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz 和 20 MHz 多種信道配置模式的特點，我們可以基于相同的 LTE 收發(fā)信機設備，通過軟件配置的方式來支持傳統(tǒng)的主從網絡模式，但采用不對稱的帶寬分配方式來解決頻譜資源浪費的問題。具體可以根據雙網冗余備份的業(yè)務帶寬需求，優(yōu)先設計主網絡占用的信道帶寬，剩余的帶寬全部分配給備份網絡。在備份網絡中，通過業(yè)務優(yōu)先級的劃分來為需要雙網冗余備份的業(yè)務優(yōu)先預留所需帶寬，剩余的帶寬可以預留給高數據量的業(yè)務使用。從這上面看，充分利用了 LTE 技術在網絡業(yè)務帶寬靈活配置和高數據傳輸能力上的優(yōu)勢。

3.2 低并發(fā)業(yè)務

公共通信網絡主要面向大用戶提供高速突發(fā)性的數據傳輸能力，而在軌道交通行業(yè)領域，專用通信領域的業(yè)務更多的是周期性的、低突發(fā)的數據報業(yè)務或者業(yè)務速率較平穩(wěn)的視頻流業(yè)務。同時由于行業(yè)應用人員在物理空間上的稀疏性，以及入網運行列車在空間上的天然間隔，因此，無線專網的單小區(qū)內的激活用戶數相對較小，在同一時刻需要并發(fā)支持的業(yè)務種類有限。這就為系統(tǒng)保障各業(yè)務的傳輸需求以及各業(yè)務的優(yōu)先級需求帶來了便利。

3.3 可維護性

多天線技術和 HARQ 技術的引入，提高了接收機的接收能力，降低了系統(tǒng)對最小接收電平的需求。無線系統(tǒng)可以容忍更大的傳播路徑衰減，客觀上提高了單小區(qū)的覆蓋范圍。通過合理的系統(tǒng)規(guī)劃，可以充分利用地鐵系統(tǒng)連續(xù) 2 個車站間距有限的特點，利用 TD-LTE 的拉遠能力，采用信源設備不進入隧道軌行區(qū)的覆蓋方案，有效地規(guī)避了系統(tǒng)設備故障帶來的保障能力問題，可以使得信源設備的維修保養(yǎng)或者緊急搶修不受地鐵列車正常運行的限制，切實提高了地鐵系統(tǒng)的保障能力。

4 網絡覆蓋方案

基于以上述分析，在 1 705～1 805 MHz 許可頻段上，按照 5 MHz/15 MHz 的非對稱帶寬分配方式來設計地鐵無線綜合承載網的主從網絡方案，同時，給出基于上述方案所能達到的鏈路預算和覆蓋方案。

從提高系統(tǒng)靈活度考慮，TD-LTE 無線系統(tǒng)的上下行業(yè)務切換周期設定為 5 ms。另外，從前面的業(yè)務需求來看，上下行業(yè)務的帶寬需求基本平衡，因此，在上下行配比上采用上下行時隙 1 : 1 的配比方案，特殊子幀配比設定為 7，使得下行業(yè)務能力略高于上行業(yè)務能力。此外，考慮到同小區(qū)內并發(fā)用戶數較少，可相應降低同時隙內并發(fā)用戶數的限制，同時從降低業(yè)務信道中用于承載信令控制消息開銷的目的出發(fā)：設定每個子幀內物理下行控制信道（PDCCH）占用的OFDMA符號個數為 1，物理上行控制信道（PUCCH）占用資源塊（RB）的個數最大為 4。

而在多天線模式上，由于隧道區(qū)間天饋系統(tǒng)的安裝條件受限以及工程造價的限制，設定隧道區(qū)間內的天饋系統(tǒng)最多采用 2 根泄漏電纜或裂縫波導管。因此，TD-LTE 專網的多天線模式，下行最多支持 2×2 多輸入多輸出（MIMO）模式，上行僅支持 1×2 單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng)模式。

根據上述參數估算，單小區(qū)上下行理論峰值速率見表2。

從業(yè)務需求上看，需要主從備份的業(yè)務主要是列車控制業(yè)務和列車檢測業(yè)務，兩者的需求之外再加上 1 路集群語音需求，單列車在上行方向約需要 424 kbit/s、下行方向需要 321 kbit/s 的傳輸帶寬。結合表2 來看，5M 帶寬模式的主網絡用于承載上述業(yè)務時，主要的帶寬限制和并發(fā)用戶限制在上行方向，以調制編碼模式MCS10 和 MCS20 來估計，并發(fā)用戶數限制為 3.7 個和9.1 個，考慮到運營中前后列車在空間間隔上近似于平均分布，對應到網絡狀態(tài)也近似于平均分布于網絡的好點和差點之間，從這上看，單小區(qū)支持 6 個列車并發(fā)接入是完全可以實現的。

從覆蓋目標上來看，雖然下行業(yè)務有著更高的帶寬需求，但受益于下行的 MIMO 模式和系統(tǒng)設備側較高的發(fā)射功率，通常下行方向的帶寬需求和覆蓋需求不會是瓶頸。從整個系統(tǒng)的需求來看，15M 帶寬模式的從網絡中上行方向的 CCTV 視頻監(jiān)控業(yè)務則會是帶寬需求和覆蓋需求上的短板。對運行中的列車來說，在隧道內按固定線路運行，按運行方向分別穿越小區(qū)遠點、中點、近點，要維持上行的視頻流業(yè)務不中斷，在網絡覆蓋設計上必須保證在小區(qū)邊緣也能維持上行的視頻流業(yè)務所需的帶寬和發(fā)射功率需求。

表2 單小區(qū)上下行理論峰值速率

從降低信號與干擾加噪聲比（SINR）和調制編碼方案（MCS）需求角度考慮，假設邊緣用戶最多可以分配 20 個 RB，其對應的熱噪聲為-108.4 dBm，考慮為單個列車預留 2.5 Mbit/s 的帶寬來計，則需要預留 10 dB 的 SINR 余量和 3 dB 的損耗系數余量，在不考慮天線增益的情況下，可以得到針對邊緣用戶的最小接收電平需求值為-95 dBm。如果降低視頻監(jiān)控的分辨率，單個列車的帶寬預留可放寬至 1.5 Mbit/s，終端側可以通過降低發(fā)射帶寬實現功率匯聚的方式，或者采用更魯棒的調制編碼格式來降低最小接收電平的目標需求值，從而實現更大的小區(qū)覆蓋。

表3 天饋系統(tǒng)（泄漏電纜或裂縫波導管）的傳播特性

假設車載臺的最大發(fā)射功率限制為 33 dBm，那么在不考慮天線增益的情況下，上行方向所能接受的最大路徑損耗為 128 dB?？紤]地鐵隧道區(qū)間所采用的天饋系統(tǒng)（泄漏電纜或裂縫波導管）的傳播特性見表3。

另外，考慮 7 dB 的干擾余量、5 dB 的饋線/接頭損耗余量以及 3 dB 的工程余量，同時采用車頂放置天線的方式避免穿透損耗，那么在隧道區(qū)間采用泄漏電纜作為天饋系統(tǒng)，單向最大覆蓋距離約為 1 km；而采用裂縫波導管作為天饋系統(tǒng)，隧道區(qū)間內單向最大覆蓋距離可以擴大為 2.15 km。這意味著通過在相鄰車站的兩側站臺分別放置信源設備，利用天饋系統(tǒng)向隧道內輻射無線信號的方式可以有效地實現“信源設備不進入軌行區(qū)”的目的。當采用泄漏電纜時，最大支持間距為 2 km 的隧道區(qū)間，而采用裂縫波導管則可以擴大至 4.3 km 的隧道區(qū)間。上述方案的好處在于當主從網絡的收發(fā)信機設備出現運行故障時，維護部門可以不必等到“維修天窗點”才開始設備維修，同時不影響列車的正常運行，可以極大地提高地鐵無線承載網絡的可維護性和高保障能力。

5 總結

本文結合地鐵行業(yè)應用的特點和 TD-LTE 的技術優(yōu)點，從地鐵行業(yè)應用的需求出發(fā)，從 3 個方面考察了基于 TD-LTE 技術建設地鐵綜合承載無線網絡的特點，通過系統(tǒng)鏈路預算說明了系統(tǒng)的可實現性。

［1］ 工業(yè)和信息化部.關于重新發(fā)布1 785- 1 805 MHz 頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知［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］ 肖遠強，張武軍.泄漏電纜的性能分析［J］.移動通信，2002（6）：40-43.

責任編輯 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，高級工程師

2015-11-11