长江水面TD―LTE宽带无线专网方案研究

【摘 要】为更好地实现长江水面的视频监控及突发事件发生时的语音视频信息快速有效传输，需要网络在水面的无缝覆盖，由此提出了整套宽带专网解决方案。通过研究水面覆盖模型和水面波导效应，提出了Z字形水面无线覆盖方案，同时还研究了业务流和传输方式，提出分布式核心网方案，实现分布式管理集中调度和传输本地化功能。经仿真和业务评估，本方案能够较好地满足多媒体业务覆盖质量和管理要求。

【关键词】水面网络覆盖 宽带集群 分布式核心网 业务下沉 TD-LTE

[Abstract] To better enforce video surveillance and fast and effective transmission of voice and video messages during emergency on the Yangtze River， seamless network coverage is necessary. Thus， the paper proposed an entire broadband network solution. Based on the propagation model over the river and waveguide effect research， a zigzag method for wireless coverage was proposed to solve the seamless coverage problem. And through the research on the data flow and evaluation of traffic， distributed core network method was proposed to realize the function of distributed management， centralized schedule， and localized transmission network. The simulation results and evaluations of traffic flow indicated that the solution could meet the quality requirement of coverage and management.

[Key words]river coverage broadband trunk distributed core network traffic sink TD-LTE

1 引言

长江源远流长，水量充沛，终年不冻，水运条件优越，素有“黄金水道”的称誉。随着12.5 m深水航道工程一期工程的完工和二期工程的开工，长江水上生产活动将日益频繁，发生水上重大交通事故、污染事故等突发事件的风险将越来越高，水上安全的压力持续加大，水上交通安全形势将会更加严峻，故对安全管理能力和水平提出了更高的要求。而采用信息化的方式是加强水上交通秩序维护、提高安全和完善应急保障的重要而有效的手段。目前电信运营商的无线网络在长江江面上覆盖不足，无论是网络带宽还是覆盖率都难以满足业务需求。为了提升信息化能力，有必要建设一张能够覆盖长江水面的宽带无线专网。

传统的集群专网主要是窄带集群技术，以语音为主，数据能力较弱，难以满足新一代无线专网对于宽带的需求。TD-LTE宽带集群是当前宽带集群专网发展的热点和大趋势，基于TD-LTE的宽带集群标准早已在CCSA中开始了标准化进程，目前第二阶段的标准化已近完成。TD-LTE宽带多媒体数字集群完全满足专用网络的最新需求：专用高速通道，具有高QoS的集群通话、协同作业、数据采集、图像传送、视频监控的统一调度指挥能力[3-5]。此外，它还具有安全可靠、易于部署、易于维护以及可定制化等优势。

此外由于无线专网主要是满足政务、行业特殊应用需求，不同地区不同使用机构的需求差异巨大，具有鲜明的行业特征，因此需要针对不同的行业需求设计无线专网网络。TD-LTE宽带集群在国内虽已得到应用，但是对于长江如此长距离的水面覆盖尚无先例。长江水面覆盖网络面临水道长、缺乏成熟传播模型、信号在水面反射等难点。作为国内首个大规模长距离水面覆盖网络，需满足如下需求：当突发事件发生后，应急处理人员能及时到达事件现场，第一时间将现场实际情况通过高清视频、语音交流等方式通知到应急指挥中心，指挥中心根据现场情况，使用调度呼叫进行远程指挥；具备江面船舶运行情况的高清视频监控。针对这些难点和需求本文提出了一种长江水面无线专网的解决方案。无线网方案通过实测确定所采用的传播模型，Z字形和线性覆盖可降低水面波导效应产生的越区干扰，充分利旧和共享站址资源，全面满足业务需求和实现江面的无缝覆盖。采用分布式核心网方案，将业务下沉至本地网络，降低跨区业务流量，分区段独立管理和统筹调度兼顾，可大大提升网络整体可靠性。

2 TD-LTE水面覆盖无线专网方案

由于水面业务结构的特殊性，各个江段需要独立管理，并具有大量的视频监控业务。为满足长江江面的高清视频监控、移动办公、应急通信等业务需求，需对无线接入网进行特别设计及优化，以及对业务管理进行专门设计，实现业务流本地化。

2.1 业务特征分析

（1）业务模型

江面业务分为一般和紧急两种场景，而且对上行传输的需求更高。在日常情形下，业务类型及速率需求如表1所示，单个小区覆盖区域上行速率需达11 Mbps，下行2.5 Mbps。而在应急情形下，业务类型及速率需求如表2所示，单个小区覆盖区域上行速率需达22 Mbps，下行4.35 Mbps[7]。因此业务主要以上行业务为主，TD-LTE上下行时隙配比宜设置为3：1。

（2）业务特征

长江沿线是分区段管理的，各个区段间相对比较独立，管区间业务不互相影响。在各个管区内，具有独立自主的业务管理，且存在大量的视频录制类业务。由于管区间没有明显的界限，船只存在少量跨区的情形，因此管区间存在少量的漫游业务。同时存在一个总局，能够管理和提取各个管区的数据，以便在发生紧急事件时能够统一指挥调度各方资源。综上所述，业务管理特征如下：

业务分管区独立管理，大量的视频监控类数据业务需下沉至各个独立管区，减少区域间数据流动；

管区间存在少量的漫游业务，需要保持业务一定的连续性；

各个管区的业务和数据能够进行统一管理，总局进行统筹。

2.2 TD-LTE宽带集群方案

TD-LTE宽带集群系统虽然继承了LTE标准的大部分特性，特别是空口，但是新增加的集群通信功能需对原LTE架构做一定的调整，同时增加调度机系统，系统结构如图1所示。核心网系统可以实现传统LTE的数据业务，而集群语音功能需要调度机系统才能实现[1，9]。

（1）无线网络方案

基于业务需求，上下行边缘速率为2 Mbps，覆盖率在95%，指标要求可以满足业务需求。更高的边缘速率会导致较高的网络规模，所需投资也会更高。

由于江面网络覆盖尚未有成熟的路损模型，而且水道弯曲和江面宽窄不同，使得水面环境复杂，不同水域信号传播性能差异巨大。站点在岸边的位置及岸边码头等建筑物遮挡程度不同会对传播造成额外的影响。鉴于江面传播环境的多样性，选择江边建筑物密集、水道弯曲最多的江段进行测试[6]，结果如图2所示，其传播损耗与陆地郊区经验模型接近，因此可采用COST郊区路损模型[2]进行链路计算，估测总体所需站点规模。如表3所示，站间距约10 km可以保证足够的覆盖质量[8]。同时由于水面较强的波导效应，为避免严重的越区覆盖问题，小区间避免正对，按照江面环境采用Z字形覆盖。同时充分利用岸边的高层建筑、已有站址和共享站址，扩大覆盖范围，降低站点规模。

（2）核心网络方案

核心网方案依赖于传输方式和管理方式。通过租用运营商等机构的传输网络可以大大降低建设费用和周期。业务管理大多发生在本地，业务流也主要发生在本地。按照长江沿线的管理机构和管理范围，将长江沿线划为若干区段分别建设相对独立的网络，保障网络整体可靠性，同时总局可以统筹管理。因此采用分布式的核心网架构较为合适，同时配置多个调度机实现分布式管理、业务数据下沉至本地网络和统筹调度管理，如图3所示。

3 性能分析

根据链路预算站间距进行覆盖仿真[10]，站点设置充分考虑现有站址，沿江属于线性覆盖，大多采用两扇区结构，覆盖性能如图4和图5所示，下行2 Mbps的覆盖率达到99.4%，上行2 Mbps的覆盖率达到95.1%，满足覆盖和容量要求。

采用分布式核心网方案，其业务流如图6所示，主要业务实现业务流量下沉至本地网络，降低跨区传输需求，同时总局可以集中管理和调度数据，满足业务和管理要求。

4 结论

江面无线专网建设具有较高的覆盖和管理难度。一方面没有成熟的水面传播模型，水面也存在较强的信号反射使得越区覆盖严重；另一方面，长江的覆盖距离长达数百公里，业务区段性特征显著，需要根据业务特点和传输特性确定合适的调度管理方式。本文通过实际水面传播测试，类比经验模型，在保证覆盖和容量的要求下，以陆地传播模型为参考确定整体覆盖所需站点规模，同时为避免水面信号反射效应，采用Z型覆盖方式的无线网方案，较好地解决了江面网络覆盖问题，仿真结果显示覆盖效果良好。管理调度方式采用分布式核心网方案，兼顾了本地和统筹管理调度要求，同时最大程度地将业务下沉至本地传输网络，一方面降低跨区传输的压力，另一方面不同区段可独立管理则提高了网络整体可靠性。

参考文献：

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