（中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司）
【摘 要】高铁具有安全、快速、经济实惠的特点，已逐渐成为人们出行的首要选择，随着遍布全国快速客运网络的基本形成，我国也即将全面步入高铁时代。但随着高铁的发展，高铁通信问题也逐渐显露出来。现目前的高铁通信网络难以满足人们对高质量通信的要求，因此，创建新时代的高铁通信系统，确保在高速率环境下人们也能获得高质量的网络是高铁通信工程发展的新目标和新趋势。基于此，本文主要探讨TD-LTE回传系统在高铁通信工程中的应用。
【关键词】TD-LTE；高铁通信；空口承载映射
随着2G和3G技术的发展，较好地解决了通信速率和质量问题，但2G和3G技术可以提供的空口速率是有限的，尤其是在我国即将全面步入高铁时代的今天，传统的2G和3G铁路通信系统已经不能满足发展需求。在高速率环境下多普勒效应十分严重，速度的提升也加快了通信系统切换的频率，对通话质量造成影响，甚至可能促使掉话率恶化。由此可见，优化高铁通信系统、确保通信质量是一项迫在眉睫的工作。
1 基于TD-LTE回传系统的高铁通信系统
图1基于TD-LTE回传系统的高铁通信架构
图1为以TD-LTE回传系统为基础的高铁通信架构，相较于传统通信系统，此系统引进了HSR回传系统。HSR，即High Speed Railway,主要由三部分构成：eNodeB-R、TAU（Train Access Unit）、EPC-R(Evolved Packet Core-Railway)，HSR系统的核心技术即为TD-LTE的演进技术。因为LTE可以为高速移动用户提供每小时350km的接入服务，故HSR回传系统有望能满足高铁通信需求。在高铁通信工程中运用回传系统后，无线链路取代了以往的有线链路，影响业务QoS，加之相较于有线链路无线链路的稳定性较差，可以提供的速率也有限，为此，在高铁通信工程中运用回传系统首先要保障业务的QoS以及有效的空口映射方案。
2 TD-LTE回传系统保障高铁QoS的优势
2.1保障时延
在高铁通信系统里，HSR替代了基站控制设备间的有线接口，引进了额外时延，鉴于数据业务自身对时延要求及用户的时延敏感度均不高，故引进回传系统基本不会影响数据业务体验，重点为引进额外时延对信令与话音的影响。
信令：引进HSR回传系统后，每条通过Abis/Iub/S1接口的信令时延都会提升20-30ms，会很大程度上影响需进行信令交互的环节，尤其是呼叫建立环节。某设备厂商对建立呼叫环节的时延进行了测试，发现通过回传系统引进的额外时延低于300ms，相较于整体时延可以忽略不计，故不会对用户实际感受造成影响。
话音：一般而言，话音端到端时延在100-200ms收听者会感觉到，但会话会受到影响，建议将时延控制在150ms以下，在高铁通信系统中，单向时延就应在75ms以下。
图2 时延分析
图2为引进HSR回传系统后高铁通信系统中单向话音的时延分析，从图中可以看出车厢内空口时延的上限为20ms，建议实际测试时将空口时延控制在15ms；设备处理时延为5ms，鉴于相较于普通终端TAU还要负责数据的分组汇聚和转发，为此需预留相应的处理时延；TD-LTE空口时延上限为15ms；回传核心网时延上限为10ms，鉴于回传核心网比较简单，故在时延上预留了比较大的空间；实际核心网时延为10ms（基于NGMN对TD-LTE回传系统的建议值得出）。
通过分析可得出，在考虑预留的情况下，引进HSR回传系统后高铁通信系统中话音的单项时延是60ms，相比75ms还有一定差值，故在高铁通信系统中运用HSR回传系统功能，能保障话音质量。
2.2保障丢分组率
在高铁通信系统中，话音、数据、视频和信令业务对丢分组率的要求分别为<10-2、<10-6、<10-2、<10-6。高铁车厢里属于相对静止的环境，空口质量比较好，会出现丢分组的主要原因是TD-LTE回传空口，为此，必须要合理控制TD-LTE回传空口的丢分组。就现目前LTE的发展来看，已经具备相应的控制机制，有如AMC、功控等多种控制技术，能有效满足业务需求。因此，在高铁通信系统中引进HSR回传系统能保障丢分组率。
2.3保障数据速率
本文将以TD-LTE回传系统的特征为基础，有针对性地分析在高铁通信工程中各个场景可以提供速率的具体情况。将TD-LTE空口运用于高铁回传系统，主要有以下两个特征：一是在高速度场景下，TD-LTE回传空口能提供的数据速率是有限的，随着车辆运行过程中的不断起伏，从小区边缘到小区中心可以提供的速率为每秒4Mbit-10Mbit。二是一般情况下在同一个小区里有2个TAU用户，即一辆列车有两个动车组（设为1号车与2号车），两车相对行驶时最多可有4个用户，这个时候每个TAU用户的流量都会出现骤降的情况，最极端的情况就是两车同时由两侧边缘驶进小区，这种情况受影响的时间最久。
针对上述两个特征，以1号车和2号车所处的位置分类进行分析，如下：
一是，小区里仅有一辆车，在小区边缘时单个TAU用户的回传空口速率可以达到每秒2Mbit，能保障话音信令以及视频监控2个GBR；当车辆行驶接近小区中心的时候，回传空口速率增加，能保障2G、3G以及wifi数据业务。二是两车相对行驶且都处在小区边缘的时候，单个TAU用户的回传空口速率能达到每秒1Mbit，可认为处于速率低谷，仅能保障车厢里的话音业务需求。三是两车相对行驶，一车处于小区边缘，一车处于小区中心，这个时候不能保障边缘TAU的视频监控；对处于中心的TAU用户来说，虽说无线环境良好，但仍有50%的空口资源被分配给了边缘的TAU用户，因此回传空口的速率仍受限制，仅能保障少许的数据业务。
通过分析得出，场景不同，列车能使用的回传空口带宽和能保障的速率以及业务种类各有差异，有的场景下空口资源极少，需要做进一步的规划。但就整体情况而言，引进HSR回传系统在各个场景下基本都能保障一定的通信质量。
3 TD-LTE空口承载映射方案
通过上文分析可知，在高铁通信系统中运用TD-LTE回传系统能有效保障业务QoS，但仍有可能受到空口速率的限制，为此，需要再保障业务QoS的基础上，研究出合理、有效地TD-LTE空口承载映射方案。
3.1基础方案
图3 基础方案
图3为基础TD-LTE空口承载映射方案，由图可知，基础方案仅有四类业务，分别为话音业务、信令业务、视频业务及数据业务。通过分析可知，基础方案在保障空口QoS上难以满足需求，需要做进一步优化。
3.2优化方案
图4 优化方案
图4为TD-LTE空口承载映射优化方案，由图可知，优化方案对基础方案原有业务中的数据业务进行了细分，为车厢里的用户提供高级优先、中级优先和低级优先三种等级服务。具体为：可以资费或是运营策略为基础为某类AP提供优先数据保障业务；为移动办公等要求较高的用户提供优先数据保障业务；为流量小、收益高、传输快的业务（如浏览网页）提供优先保障，优先放弃传输慢或是流量大的业务(如微信、QQ等)。对三种等级的服务可做如下定义：高级优先数据可定义为源于2G、3G网络高端用户的高价值数据；中级优先数据可定义为源于2G、3G网络高端用户的其他数据以及一般用户的高价值数据；低级优先数据可定义为源于2G、3G网络一般用户的其他数据以及wifi数据。当空口资源受限制的时候，优先放弃低等级的数据业务，为高级优先数据业务提供保障，就数据而言，需对承载级ARP的值做修改，如图4所示，高优先数据、中优先数据和低优先数据的ARP值分别取1、2、3。
4 结语
高铁通信工程是高铁行业快速、稳定发展的重要基础，如何保障高铁上通信的质量和速率是所有相关工作人员都应重视和研究的问题。本文主要分析了TD-LTE回传系统在高铁通信系统中的应用，得出在高铁通信系统中运用TD-LTE回传系统能有效保障高铁业务的QoS,但在运用过程中仍有可能会受到空口速率的限制，为此，本文分析了TD-LTE空口承载映射的优化方案，此方案能较好地解决空口速率受限问题。但在具体引进TD-LTE回传系统的时候，还应紧密结合高铁通信工程的实际情况，综合考虑多方面因素，充分发挥TD-LTE回传系统的作用，有效保障高铁通信质量。
参考文献：
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论文作者:康从岭
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年2月供稿
论文发表时间:2016/5/27
标签：高铁论文; 回传论文; 系统论文; 速率论文; 时延论文; 通信系统论文; 业务论文; 《工程建设标准化》2016年2月供稿论文;