TD-LTE技术承载地铁集群通信业务问题研究

王 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司通信信号处，710043，西安∥工程师)

随着TD－LTE(时分－长期演进)技术在移动通信公用网络的大规模成熟商用，以及地铁运营方对无线调度功能宽带化、多媒体化需求的进一步提高，加之原有 TETRA(泛欧集群无线电)、iDEN、MPT1327 等传统窄带集群通信技术对国内行业用户的专利、加密、价格等方面的限制，TD－LTE 技术承载地铁集群业务的发展方向已经被行业广泛关注。

目前，TD－LTE 技术标准已实现为普通商业和消费电子用户提供高带宽的个人数据业务，TD－LTE 技术凭借其扁平化的网络架构、较高的频率利用率，有着承载多媒体集群通信的先天优势。TD－LTE 技术现有的协议没有完整的集群解决方案，部分设备商通过增加调度单元，已经有了在港口、货场、电力等非应急场景的应用。全球TETRA 及关键通信联合会(TCCA)对于涉及公共安全和关键业务的集群通信演进方向定义为TETRA +LTE，表示仍希望由TETRA 继续承载关键语音业务。

TD－LTE 技术要成为适用于传送关键任务型数据和语音应用的解决方案，特别是承载高质量集群语音业务还面临着很多的挑战。现对TD－LTE技术承载地铁专用集群调度通信存在的若干问题进行分析，并提出相应的解决思路。

1 LTE技术承载语音业务的服务质量保障

LTE 标准设计的初衷是为用户提供一个强大的移动分组数据网络，对于承载语音业务考虑得并不充分。LTE 的核心网(EPC)和接入网E－UTRAN仅定义了不同服务质量的PS(分组交换)承载通道技术，没有专用于语音通信的技术和承载方式。可以说对于LTE 技术，语音是和其他数据业务一样的IP(因特网协议)流，其服务质量尚达不到关键型集群语音的要求。若要求VoIP(IP 承载语音)业务的性能指标达到现有电路域语音业务的质量，有两种可行的办法:一是通过VoLTE(LTE 承载语音)方式解决;二是通过私有协议改造逻辑信道，以减小VoIP 网络时延。

VoLTE 是3GPP 协议定义的 LTE 语音解决方案［1］，在全IP 条件下提供端到端的语音服务。整个架构涉及终端、无线、PS、IMS(IP 多媒体子系统)等各网元，旨在替代电路域话音业务。VoLTE 语音解决方案的核心思想是采用IMS 作为业务控制层系统，EPC 仅作为承载层，IMS 域提供CSCF 等呼叫控制以及HSS(归属签约用户服务器)、MMTel AS(多媒体电话应用服务器)、IP－SM－GW(短信网关)等互通功能，使用IMS 和无线接入网络特性来确保低时延及错误修正能力，为VoLTE 提供承载通道和服务质量控制能力。通过在核心网全面部署 IMS 系统，可以说是考虑在应用层解决VoIP 的服务质量问题。但在地铁专网实现VoLTE 的难度较大，主要是由于核心网侧全面部署 IMS 系统的复杂度大、成本高，以及终端对IMS 协议栈的支持度等问题。

另一种可行的办法是对标准LTE 协议进行修改，在逻辑资源管理、调度方式、数据包结构等方面进行优化，通过扩展NAS(非接入层)协议消息实现集群语音业务(包括单呼、组呼)的会话管理，缩短语音信息的网络时延，实现VoIP 语音的服务质量保证。

可考虑利用TD－LTE 技术快速接入时间短的特点，使用NAS 协议消息替代传统的POC SIP(无线一键通会话初始协议)消息，如图1所示。

图1 语音优化方案示意图

通过缩短呼叫建立消息交互流程和消息大小，减少语音呼叫建立过程参与的网元数量;通过缩短终端消息处理时间和寻呼周期，减少IP/UDP/RTP头消耗;通过去掉VoIP 方式在第三层的IP 包头，用PDCP 层上直接承载 AMR 语音编码，从而简化了VoIP 对语音编码的冗余支持，以提高转发效率。

2 信令风暴问题

由于标准TD－LTE 技术控制面操作的对象是单个终端，因此对于切换、组呼、漫游等控制流程执行前需要首先保证在终端和eNodeB/EPC 之间建立稳固的通信链路［2］。标准TD－LTE 技术中，终端在两个小区之间的切换流程如下:当终端进入切换重叠覆盖区时，向当前小区所属的基站发送测量上报信息;基站根据该信息确定终端切换的目标小区，并和目标小区交互切换相关的信息;切换相关的信令交互完成后，基站向终端发送切换命令;终端执行目标小区的接入过程，建立无线链路，完成小区间的切换过程。

在TD－LTE 技术的集群系统中，在任何时刻群组内只允许一个终端拥有话权，当群组内大量终端从一个小区切换到另一个小区时，或者非话权终端抢占刚刚释放的话权时，这些处于非链接状态的终端将首先切换到链接状态，然后执行向目标小区的切换。

假设群组有N 个处于空闲状态的终端发起群体切换，这些终端将首先切换到链接状态，然后再执行向目标小区的切换。一般终端建立链接态需要5条信令，切换测量控制需要2 条信令，切换过程需要3 条信令。因此在很短的时间内，目标小区所在基站需要处理终端切入的信令将达到峰值［3］，而基站在每个传输时间间隔内的处理信令能力有限，这就会造成这两个小区的信令风暴，直接表现出的现象是终端掉话，或者终端切换延迟增加。

一种可行的解决办法如图2所示。

图2 非话权终端小区切换流程示意

在组呼过程中，基站将当前小区和邻区为群组所建立的信道资源，通过TCCH(集群控制信道)周期性发送给空闲态终端。非链接态终端在小区切换过程中，根据当前小区广播消息内容，依照重选准则进行测量，确定是否进行小区重选过程。当满足重选准则时，终端发现TCCH 有目标小区信息，此时终端根据TCCH 内容，自行重选至新基站下的目标小区，并接收下行组呼数据。通过自行切换的方式可减少终端与原服务小区的信令交互。

3 语音及视频下行组呼的实现

组呼是集群通信中最重要的通信方式，也是地铁专用无线调度系统最常用的功能。在同一个基站群组内的用户是可以共享下行无线信道资源。TD－LTE 技术承载集群业务后，其语音组呼及视频组呼的实现有两种方式:一是通过标准协议中广播多播业务实现;二是通过增加下行逻辑信道承载组呼控制信息来实现。

3GPP 协议R9 定义的LTE 增强型多媒体广播多播业务(eMBMS)［4］，提供了其实现下行资源共享的可行性。由于eMBMS 在空口采用组播/广播模式，不仅要求网络具备时间同步能力，还要求承载网具备组播能力，以便高效地将相同内容的信息复制到所有的基站。而且当组内用户频繁进出当前LTE eMBMS 小区，那么频繁的单播/多播切换问题会使得原有的eNodeB 资源分配过程更加复杂。较高的网络复杂度，使得eMBMS 在LTE 公网中的应用也较为缓慢，当eMBMS 实现规模化部署后，可根据成熟经验再向专网推广应用。

另一种方式是通过优化标准协议，在下行方向新增3 个逻辑信道TTCH(集群业务信道)、TCCH、TPCCH(集群寻呼控制信道)，其分别作为群组用户点对多点传递控制信息的下行信道、群组用户点对多点可共用下行业务信道、集群组呼和单呼的寻呼消息信道。新增逻辑信道与物理信道上的映射关系如图3所示。所有新增信道最终均映射到PDSCH(物理下行共享信道)上。

图3 下行业务增加逻辑信道示意图

采用下行传输信道与物理信道映射的方式来实现集群点对多点下行业务，也是B－TrunC(宽带集群C)标准推荐的空口技术模型之一。通过该方式不仅使得下行组呼共享了物理信道资源，另外也缩短了组呼业务的接续时间。

4 直通模式的实现

直通模式(DMO)是窄带数字集群通信系统功能的一个重要组成部分，其将终端变成“工作在专用频点的数字对讲机”。在ETSI(欧洲电信标准化协议)EN 300396 协议中已完整地定义了直通模式的各种实现方式。DMO 至少具备三个优点:提供了终端在天馈覆盖区之外的通信能力;由于使用了专用的频点，保证了天馈覆盖区内脱网对讲的私密性;提供了在基站故障时终端之间的通信能力。在各地的城市轨道交通专用无线通信线网规划中，一般都会申请一定数量的频点资源用于DMO。

现阶段LTE 协议中没有定义终端间直接互通的通信模式，即便是正在完善中的终端间互通(D2D)的通信协议，依旧需要基站参与信令的处理和资源的分配，这与传统的DMO 完全脱离基站的工作方式还是不同的。

我国用于专网的TD－LTE 技术频点资源有限，并且 TD－LTE 技术可分配的最小载波带宽是1.4 MHz，为实现传统DMO 专门分配一定频带资源的可能性很小。如果要实现类似TETRA 系统的DMO 功能，一种可行的方式是在终端内植入400 MHz 公共对讲模块，并进一步考虑设计空口加密算法，以解决私密性问题，同时调整基带数据映射及射频调制方式，以提高信道的抗干扰性。

5 同频干扰的问题

工信部许可的用于专网TD－LTE 技术的频率资源是1 447 ～1 467 MHz 和1 785 ～1 805 MHz 共2个20 MHz 频段。稀缺的频率资源会造成城市地铁线网内必然存在大量的同频组网情况。虽然LTE依赖OFDM(正交频分复用)技术中频率之间的正交性解决了小区内的干扰，但对于同频小区间的干扰仍需作特殊考虑［5］。

干扰随机化和干扰消除是被动的干扰抑制技术，对于系统的C/I(信干比)并无影响，同频小区间干扰抑制更多的是依靠ICIC(干扰协调技术)来实现。但对于连接机场、高铁车站等其他特殊场景的地铁线路，如果多方都存在同频的LTE 网络，由于各自核心网之间没有联系，已经无法再通过ICIC 来解决网络边界间的无线干扰。

目前，只能通过工程手段规避上述同频干扰问题。在地铁出入口或换乘通道等接口处，与其他TD－LTE 技术网络有重叠区域的地方，应尽量调整频点规划，在2 个网络之间预留一定的频率隔离带;并在边缘天馈处增加衰减器，以快速降低小区边缘的参考信号功率等。

6 时间同步的问题

TD－LTE 技术作为时分系统有着高精度的同步要求以保证移动通信业务的漫游和切换。其频率同步精度要求在0.05 ppm 以内，时钟同步精度要求1.5 μs 以内［6］。在地铁物业范围内架设 GPS 天线多受着场地净空的制约，通信设备机房至出入口或者风亭的走线距离大多超过100 m，而且GPS 天线方案本身成本高、安全性差、施工难度高、运营维护不便。因而，就需要通过地铁专用传输网为TD－LTE 技术系统提供频率和时间同步信号的传送。目前，主流地铁专用传输技术是基于SDH(同步数字体系)的多业务传送平台(MSTP)。该传输技术承载的NTP(网络时间协议)时钟同步信息无法为TD－LTE 技术提供足够精度的相位同步信息。TD－LTE 技术在地铁行业推广应用势必将影响传输设备技术体制的选择，可考虑MSTP +或PTN(网络时间协议)、IP RAN(无线接入IP 网)等可承载1588 V2协议的传输技术。

7 结语

集群通信业务朝专网集群宽带化、多媒体化的发展趋势已经成为地铁行业用户的共识，基于TDLTE 技术的宽带集群在地铁领域的应用有着良好的前景。通过不断解决和优化TD－LTE 技术在专网应用遇到的问题，融合传统窄带集群技术的优点和特点，将会进一步推进TD－LTE 技术承载关键型集群通信业务产业的快速发展。

［1］肖清华，汪丁鼎，许光斌，等. TD－LTE 网络规划设计与优化［M］.北京.人民邮电出版社，2013.

［2］陈俊，彭木根，王文博.TD－LTE 系统切换技术的研究［J］. 中兴通讯技术，2011(3):54.

［3］赵先明，徐云翔，朱伏生.GoTa 4G 宽带多媒体集群系统的研究［J］.中兴通讯技术，2013(2):49.

［4］3GPP TS36.440.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E－UTRA);General aspects and principles for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS)within E－UTRAN［S］.2012.

［5］沈嘉，徐霞艳，杜滢，等.LTE 同频组网关键问题分析［J］.移动通信，2010(21):5.

［6］陈运清，吴伟，阎璐，等.电信级IP RAN 实现面向LTE 规模运营的移动基站回传综合承载指引［M］. 北京. 电子工业出版社，2013.