TD-LTE无线通信系统在铁路上的应用
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摘要: TD-LTE 的应用方面也存在一些不足，主要 有同频组网时，同频干扰造成边缘数据带宽下降严
重；射频功放均峰比高，发射功率受到限制；网络
优化难度大等。这些都需要在TD-LTE 应用中不断
得到克服。
目前LTE-R 国际标准还未颁布，LTE 宽带通
信在铁路的业务应用也在探索。高速宽带作为无线
通信发展趋势，能从降低铁路建设投资成本，简化
后期维护管理，将各种铁路无线通信业务纳入到一
个统一平台，是铁路无线通信发展的重要方向。
Technological Innovation 技术创新
TD-LTE无线通信系统在铁路上的应用
（铁道部经济规划研究院技术标准所, 北京 100038）
摘要：TD-LTE是我国自主知识产权的新一代宽带移动通信系统标准，目前已经开始大规模商用实
验，介绍了LTE宽带移动通信系统在铁路无线通信系统应用前景，并对相关技术原理和功能做了介
绍，针对铁路实际应用前景做了具体分析并给出应用参数。
关键词：TD-LTE；无线通信；铁路应用
Abstract: TD-LTE is a new generation of broadband communication systems with an intellectual property,
and has been launched into large-scale commercial experiments. The prospect of applying LTE broadband
mobile communication system in the railway wireless communication system is introduced, the relevant
technical principle and the function are presented, and application parameters are put forward in view of the
prospect of the practical railway application.
Keywords: TD-LTE; wi application in railways
DOI: 10.3969/j.issn.13.03.001
铁路通信信号工程技术(RSCE） 2013年6月，第10卷第3期
我国铁路从2003 年开始采用GSM-R 数字通
信技术作为新一代铁路无线通信系统，利用其技术
的成熟性和通信可靠性，满足铁路语音通信和数据
通信业务的需求。但是GSM-R 作为一种窄带通信
系统，难以满足铁路未来宽带数据业务发展需要，
随着铁路业务的不断增加，以及数字铁路发展需要，
宽带、高效、可靠的无线通信系统成为今后铁路无
线通信发展的方向。
LTE 作为3GPP 国际组织推出的LTE 长期演
进(Long Term Evolution) 宽带无线通信技术，能
够实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本、
更好的系统容量和覆盖质量。LTE 作为GSM-R 平
滑过渡升级的解决方案，符合未来无线通信系统移
动化、宽带化和IP 化的趋势，为铁路无线通信提供
强大的业务承载平台。
2 LTE无线宽带系统
LTE 技术是3GPP 国际组织于2004 年启动的
新一代无线宽带通信技术，分为FD-LTE 频分系
统和TD-LTE 时分系统， 其中TD-LTE 是我国主
导，并具有知识产权的LTE 技术，具有频谱利用率
高、配置灵活等特点。本文主要探讨TD-LTE 及其
铁路应用。
2.1 TD-LTE网络结构
TD-LTE 网络采用扁平化网络结构，由eCN
核心网和eUTRAN 演进无线接入网组成，如图1
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核心网eCN 由移动管理MME 和服务网关
S-GW 组成，负责用户鉴权、用户信息管理、软交
换、移动信令和数据安全性管理等；eUTRAN 由
eNode B（=Node B+RNC）基站组成，负责无线
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资源管理、无线承载控制、移动性管理和数据寻址
2.2 TD-LTE主要技术特点
1）增强型IP 多媒体子系统（IMS）和核心网
2）支持多媒体广播多播技术（Multi broadcast
Multimedia service，MBMS）。
3）支持1.25 至20 MHz 带宽单一频段，不需
要上下行对称频谱。
4） 采用OFDM、MIMO、AMC 自适应调制
编码及HARQ 混合自动重传等技术，下行峰值数
据速率达到150 Mbit/s，上行峰值数据速率达到
75 Mbit/s。
5）频谱利用率高， 下行链路达到5（bit/s）/Hz，
上行链路达到2.5（bit/s）/Hz。
6）数据传输时延小于100 ms。
7）支持多种同频组网方式。
8）支持350 km/h 高速移动用户。
9）支持非对称上下行数据传输。
10）通过Vo IP 协议承载话音业务。
11）支持现有GSM-R 系统的平滑演进升级。
12）网络建设成本低，仅3G 无线通信网络的1/3。
13）支持femto 等微基站连接，覆盖模式灵活。
2.3 TD-LTE频率资源
频率资源规划如图2 所示。
国家给公众网TD-LTE 的频段：2 570 ～
2 620 MHz， 以及原TD-SCDMA 频段。现在
GSM-R 铁路专用900 M 频段，难以开展TD-LTE
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宽带数据移动业务，可以申请使用以下专网TDLTE
1）1 447 ～ 1 467 MHz 固定移动用户频段。
2）1 785 ～ 1 805 MHz TDD 行业用户频段。
2.4 TD-LTE系统容量
系统主要考量通信最大吞吐量和支持最大用户
数。对于铁路通信系统，链状覆盖模式、用户数量
有限，而吞吐量则表示承载业务的数量和质量。用
户峰值速率是通信系统吞吐量的重要表征，它和
调制方式、时隙配比、控制信道开销等因素有关，
在5/10 MHz 频率带宽和2×2 天线配置条件下，
TD-LTE 的下行峰值速率如表1 所示（按照最高
64QAM 来进行估算）。
最大用户数和用户的业务类型以及eNodeB 处
理用户数有关。根据eNodeB 技术资料，在10 M
带宽条件下，TDD 单小区最大可调度用户数量约
60 个，TD-LTE 业务类型主要有数据交互、移动互
联网、数据下载、视频广播、视频监控上传等，不
同业务对数据速率需求不同，不同业务的速率需求
如表2 所示。
表1 不同技术体制下的下行峰值速率
MHz 系统体制下行峰值速率/
10 TDD 40.5
5 TDD 20.1
举例：10 MHz 的TD-LTE 网络，平均传输速
率为下行8 Mbit/s，上行为4 Mbit/s，可以下传一
铁路通信信号工程技术(RSCE) 2013年6月
Technological Innovation 技术创新
路标清电视节目（广播）；上传2 路VGA 视频监控
图像；5 位手机上网浏览用户；1 位视频通话用户和
20 个以上的语音用户。
2.5 TD-LTE系统组网技术
1）组网方式和同频干扰
如图3 所示，TD-LTE 支持同频组网、异频
组网和混合组网。同频组网的频谱利用率最高，但
是小区间的同频干扰（特别是边缘重叠区）ICI
（Inter-Cell Interference）对通信速率影响较大。
异频组网频谱利用率低，但是小区边缘通信速率影
响较小。混合组网减少了同频对控制信道的干扰，
改善频谱利用率和边缘通信质量，但是需要设备支
持此功能。根据铁路链状分布和移动速度快等特点，
采用同频或混合组网是一种较实用的方案，通过扩
大小区区域，压缩并减少小区边缘重叠区，同时使
用ICIC（Inter Cell Interference Cacellation）小区
干扰协调技术，可提高小区整体数据吞吐量。
2）小区切换
与GSM-R 类似，LTE 切换过程是一种硬切
换，采用源eNodeB 发起，UE 辅助的切换模式，
切换失败可以返回源小区，具体如图4 所示。
表2 LTE承载的典型业务及速率需求
业务类型业务名称基本描述业务体验要求下行/上行带宽
音视频节目
手机视频节目流媒
体（普通屏幕)
用手机或其他手持终端观看标
清的视频节目
下行符合VGA分辨率要求(800 kbit/s)/(64 kbit/s)
高清视频节目流媒
体（大屏幕）
手持或车载终端观看高清的视
下行符合720P分辨率要求(1.6 Mbit/s)/(64 kbit/s)
视频通话标清视频通话用手机与其他手机以较高清晰
度进行视频通话
上、下行均符合VGA分辨
(800 bit/s)/(800 kbit/s)
中高速上网
手机上网用手机浏览互联网网站150 kbit网页3 s下载完成(400 kbit/s)/(64 kbit/s)
电脑移动上网笔记本、平板电脑上网浏览和有线网络基本相同的用
(1 Mbit/s)/(256 kbit/s)
视频监控视频监控上传公共安全视频集中监控VGA质量的分辨率(64 kbit/s)/(800 kbit/s)
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No.3 尹福康：TD-LTE无线通信系统在铁路上的应用
Technological Innovation 技术创新
切换造成数据传输时延不超过50 ms，对于二
次连续切换的间隔不超过200 ms，切换区设计只需
要保证列车经过的信号重叠区的时间大于切换间隔
即可，按照350 km/h 高铁速度，切换区长度也不
超过20 m。
常规切换机制如下。
a．基于覆盖功率预算；
b．基于业务负荷控制；
c．基于移动速度和位置；
d．强制切换。
LTE 的定位精度高，可以达到10 m 量级，铁
路用户使用区域和轨迹基本固定，因此采用基于位
置和功率预算的混合切换机制，有利于减少切换时
间，提高切换成功率。同时切换时间的减少，压缩
小区边缘区域，有利于提高小区的数据吞吐率。
2.6 LTE无线信号覆盖预算
信号覆盖主要考虑eNB 的覆盖链路预算、覆盖
距离、覆盖形式等。根据铁路使用环境，链路预算
条件如下。
覆盖目标：最小接收电平RSRP ＞-104 dBm ；
载干比C/I ＞ -1.3 dB。
基站天线采用2T2R 双流传输，增益15 dBi，
挂高40 m ；UE 天线采用双天线，挂高3.5 m。
根据上述条件和TD-LTE 的参数配置，对覆盖
场强和覆盖距离进行预算，具体如表3 和图5 所示。
表3 TD-LTE小区链路预算
业务信道类型
PUSCH上行PDSCH下行
MIMO机制1×2 2×2 SFBC
小区边缘速率/（kbit/s） 4.00
MCS 16QAM 0.45 64QAM 0.7
最大总发射功率/dBm 33.00 46.00
分配的RB数40 23
分配功率的RB数40 25
分配功率的子载波数480 300
子载波发射功率/dBm 6.19 21.22
发射端天线增益/dBi 0.00 18.00
发射端馈线损耗/dB 0.00 0.50
每子载波等效全向发射功
率/dBm 6.19 38.72
业务信道类型
PUSCH上行PDSCH下行
解调门限/dB 9.33 17.19
接收端噪声系数/dB 3.50 7.00
接收机灵敏度/dBm -119.41 -108.05
接收端天线增益/dBi 18.00 0.00
接收端馈线损耗/dB 0.50 0.00
接收端人体损耗/dB 0.00 0.00
目标负载100.00% 100.00%
干扰余量/dB 5.00 2.00
最小信号接收电平/dBm -131.91 -106.05
路径损耗 & 小区半径　
穿透损耗/dB 0.00 0.00
慢衰落标准差/dB 6.00 6.00
区域覆盖概率90.00% 90.00%
慢衰落余量/dB 14.00 14.00
路径损耗/dB 124.10 130.77
传播模型C o s t 2 3 1 -
C o s t 2 3 1 -
天线高度/m Tx3.5m；
小区半径/km 3.25 4.24
2.7 隧道覆盖技术
隧道漏缆覆盖条件下，计算得出允许路径损
耗100.6 dB（ 上行） 和111.27 dB（ 下行）， 在
1.8 GHz 频段的漏缆覆盖长度为730 m（上行）和
880 m（下行）。
根据铁路业务量需求，每个RRU 小区范围可
以到4 km，隧道内通过两侧各敷设一根漏缆，实现
双流MIMO，通过TD-LTE 数字射频拉远等中继
设备（如RRU 和直放站）可以有效扩大隧道LTE
覆盖范围，如图5、6 所示。
根据漏缆覆盖预算， 采用1-5/8 宽带漏缆，
RRU 单边可以带850 m 漏缆，RPU 可以带300 m
漏缆，光纤直放站覆盖距离可以到800 m。隧道基
站小区分布如图6 所示。
3 LTE铁路应用
根据LTE 高速宽带和IP 连接特性，LTE 在铁
路的应用将非常广泛，主要有列车无线调度通信、
列控车地传输、列车视频监控、旅客多媒体业务服
务、应急通信等。目前LTE 宽带通信系统已开始应
铁路通信信号工程技术(RSCE) 2013年6月
Technological Innovation 技术创新
用于地铁车地通信和朔黄铁路列控系统。
铁路TD-LTE 网络主要有业务应用层（TDCS
业务、RBC 列控业务、应急通信业务、防灾预警业
务、视频监控业务等）；eCNS 核心网；高速IP 传
输网WAN ；eUTRAN 无线接入网；移动终端等几
部分，如图7 所示。
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3.1 无线调度系统
铁路无线列调目前只提供语音和窄带数据业务，
LTE 通过VoIP 技术，一个eNB 小区同时满足600
个用户语音通信。LTE 具备宽带集群调度功能。和
GSM-R 相比，具有系统容量大、时延短、语音数
据融合调度等特点，同时支持视频调度，车辆人员
精确定位功能，提高列车调度的安全性和可靠性。
3.2 车载数据及视频监控
车载数据类型如下。
1）列车设备运行监控数据：实时监控机车动
力、电力等设备状态。
2）列车控制数据：列控以及ATP、ATO 和车
机联控等高可靠数据。
3）列车多媒体视频广播：根据地域特点和旅客
类型进行高清视频广播，提供旅客舒适性。
4）车厢视频监控：了解乘客和车厢状态，保证
列车和乘客安全。
5）列车外部视频监控数据：了解司机工作状
态，保证驾驶安全，调度中心通过视频，可以随时
了解车厢内外实际情况。
车载数据通过数据接入单元(TAU)，将车内的
IP 局域网数据通过LTE 传输到地面。TAU 单元特
1）TD-LTE 列车接入单元TAU 支持多种专
2）满足高速移动情况下的性能要求。
3）外置双天线接口，支持多集和双流。
4）提供IEEE 802.3/3u 以太网接入。
5）内置DHCP Server、DNS 及NAT 功能。
6）基于WEB 方式管理界面，方便直观。
7）支持远程维护，包括状态管理、配置管理、
软件升级等。
8）适应车厢内严酷电磁环境和高温、湿热环境
使用要求。
3.3 LTE安全网络
为了保证铁路安全数据的可靠性，LTE 网络需
要进行容灾备份，首先核心网采用双网冗余，双层
网络连接，eNodeB 板卡冗余配备。其次，LTE 应
采用双网、双频进行交织覆盖，在保证系统安全冗
余基础上，防止同频干扰，保证网络安全和性能。
LTE 冗余组网和交织覆盖网络如图8 所示。
3.4 旅客信息服务系统
随着信息社会发展，网络成为社会生活重要组
成部分，LTE 通过TAU 为乘客提供网络等多媒体
信息服务。
高清视频广播服务：采用H.264 或MPEG4 流
（下转10 页）
No.3 尹福康：TD-LTE无线通信系统在铁路上的应用
Technological Innovation 技术创新
运行在多个典型场景下的无线信道环境。该结果验
证了提出的无线信道仿真机制能够支持变化的场景
下GSM-R 系统的无线信道仿真。
本文提出了一种新型无线信道仿真机制，通过
对无线信道仿真仪设备的改进，可以在CTCS-3
列控仿真系统中加载多种场景无线信道模型，实现
GSM-R 无线信道的场景变化环境的仿真；信道仿
真仪的信道仿真播放的速度可以根据虚拟列车的速
度与位置调整，实现变化速度下的无线信道仿真。
测试结果表明，该无线信道仿真机制完全适用于
CTCS-3 列控系统对GSM-R 无线信道仿真的需求。
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（收稿日期：）
（上接5 页）
媒体技术，为乘客提供标清或高清电视节目，码率
控制在1.5 ～ 3 Mbit/s， 通过HARP 重传机制，
解决实时性和数据丢包矛盾，保持视频图像流畅稳
乘客互联网服务：按照每列车100 个用户来估
计，根据前面分析，LTE 网络可以提供每个上网用
户有不低于100 kbit/s 的连接速率。
TD-LTE 的应用方面也存在一些不足，主要
铁路通信信号工程技术(RSCE) 2013年6月
有同频组网时，同频干扰造成边缘数据带宽下降严
重；射频功放均峰比高，发射功率受到限制；网络
优化难度大等。这些都需要在TD-LTE 应用中不断
得到克服。
目前LTE-R 国际标准还未颁布，LTE 宽带通
信在铁路的业务应用也在探索。高速宽带作为无线
通信发展趋势，能从降低铁路建设投资成本，简化
后期维护管理，将各种铁路无线通信业务纳入到一
个统一平台，是铁路无线通信发展的重要方向。
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(收稿日期：)】优领域
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