鐵路TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)解決方案

1、鐵路 TD-LTE 專網(wǎng)系統(tǒng)解決方案王安義;孫偉強(qiáng)【 摘 要 】 In order to satisfy the ever-increasing demand of railway communication at the present time, and in combination with the advantage of TD-LTE communication technology, this paper put forward a solution of railway TD-LTE wireless private network system. The specific fu

2、nctions of every network element in the network system were introduced in details under the premise of ensuring railway wireless network business security and equipment reliability. And then after analyzing the implementation difficulty of this solution in detail, the paper suggested the correspondi

3、ng specific solutions for different cases. It is considered that this solution can not only satisfy the demand of wired and wireless integrated business in railway communication system but also satisfy the multiple communication demands of railway enterprises, truly achieving the modern communicatio

4、n information network platform for high-speed railway.%為滿足當(dāng)前鐵路不斷增加的通信需求，結(jié)合 TD-LTE 通信技術(shù)的優(yōu)勢， 提出一種鐵路 TD-LTE 無線專網(wǎng)系統(tǒng)方案。在保證鐵路無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)安全性和設(shè)備可靠性的前提下，詳細(xì)說明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)元的具體功能，對此方案中的實現(xiàn)難點進(jìn)行詳細(xì)的分析，針對不同場景提出相應(yīng)的解決方案，在滿足鐵路通信中的有線和無線綜合業(yè)務(wù)的同時，也滿足了鐵路企業(yè)多樣的通信需求，真正實現(xiàn)高速鐵路通信的現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡(luò)平臺?！酒诳Q】鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計【年(卷),期】2014(000)002【總頁數(shù)】5 頁(P94-97,13

5、8)【關(guān)鍵詞】鐵路通信;移動通信;專網(wǎng)系統(tǒng);TD-LTE;信息化【作 者】王安義;孫偉強(qiáng)【作者單位】西安科技大學(xué)，西安 710054; 大唐移動 西安 通信設(shè)備有限公司，西安 710061;西安科技大學(xué)，西安 710054【正文語種】中 文【中圖分類】U285.2概述近年來，在通信技術(shù)不斷發(fā)展的同時，世界各國對新一代移動通信系統(tǒng)的研究也日益升溫，尤其是寬帶移動通信在鐵路方面的研究，更是紅紅火火。甬溫線特大鐵路事故令人們對鐵路的安全性更加關(guān)注，在這樣的背景下，采用哪種新一代通信技術(shù)作為鐵路最好的選擇成為了熱切關(guān)注的問題1。近些年國際組織和國內(nèi)外企業(yè)都有著不同的進(jìn)程，使得國內(nèi)外在高速鐵路寬帶移動通

6、信方面有著一定的發(fā)展。我國高速鐵路列車的運(yùn)行速度越來越快，高速鐵路列車速度已經(jīng)達(dá)到了 350 km/h。列車速度的提升以及新型化車廂的問世給鐵路帶來了高效和舒適，同時這對高速運(yùn) 行環(huán)境下的通信服務(wù)種類和通信質(zhì)量的要求也隨之提高。鐵路的無線通信環(huán)境很復(fù) 雜，除了常見的城市和平原情況外，還有山區(qū)、隧道、橋梁等多種特殊場景 2。鐵路的通信涵蓋了幾乎所有的無線通信場景，這將對鐵路無線通信提出更為苛刻的 要求。如何在高速度移動環(huán)境下保持良好的通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這無疑是對鐵路無線通信技術(shù)的極大挑戰(zhàn)3。國際電信聯(lián)盟(ITU)是領(lǐng)先的聯(lián)合國機(jī)構(gòu)，近 145 年為政府和企業(yè)在發(fā)展網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)方面解決信息和通信技

7、術(shù)問題。擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的 4G 國際通信標(biāo)準(zhǔn) TD- LTE(Time Division Long Term Evolution，分時長期演進(jìn))，其采用的是時分雙工的 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)) 接入方式，是獲得國際電信聯(lián)盟批準(zhǔn)的主流標(biāo)準(zhǔn)。2012 年，TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全國 13 個城市完成建設(shè)，計劃 2013 年建設(shè)到 100 個城市的規(guī)模應(yīng)用，這也確保了設(shè)備的成熟性。國際鐵路聯(lián)盟(UIC)是世界鐵路最大的國際性標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。我國把 UIC 標(biāo)準(zhǔn)定為國際標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)是完全涉及鐵路行業(yè)的。UI

8、C 已經(jīng)確定鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)路線將跨越 3G 技術(shù)，直接由 GSMR 技術(shù)向 LTE 發(fā)展，即發(fā)展 LTER(for Railway)。鐵路通信需求鐵路系統(tǒng)希望建設(shè)一個無線企業(yè)專網(wǎng)來進(jìn)行自主管理。其無線專網(wǎng)兼顧外部通信的同時，主要用于內(nèi)部通信。對于鐵路的外部通信需求，主要是與公網(wǎng) PSTN 的互通。內(nèi)部通信功能需求:(1)無線調(diào)度，提供個呼、組呼、廣播、優(yōu)先級呼叫等鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用;(2)機(jī)車同步操控、列尾業(yè)務(wù)的安全數(shù)據(jù)承載;(3)支持調(diào)度命令、車次號校核等通用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載;(4)支持實時視頻業(yè)務(wù)的承載;(5)互通需求方面，鐵路機(jī)車同步操控、列尾業(yè)務(wù)的安全數(shù)據(jù)承載，調(diào)度命令、車次號校核

9、數(shù)據(jù)承載等需求，需要無線專網(wǎng)與鐵路現(xiàn)有的通信系統(tǒng)互聯(lián)互通。由于鐵路無線通信業(yè)務(wù)紛繁復(fù)雜，其專網(wǎng)通信的需求從以下方面進(jìn)行分析。(1)無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求支持鐵路機(jī)車同步操控、列尾業(yè)務(wù)的安全數(shù)據(jù)承載，傳輸時延小于 0.5 s，30 字節(jié)大小數(shù)據(jù)塊;支持無線調(diào)度，提供個呼、組呼、廣播、優(yōu)先級呼叫等鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù);支持調(diào)度命令、車次號校核等通用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載;支持實時視頻業(yè)務(wù)的承載。(2)專網(wǎng)的無線覆蓋需求要求能提供 1 7851 795 MHz 頻段下的山區(qū)、隧道、橋梁、平原等多種場景的覆蓋，其無線設(shè)備應(yīng)滿足以下要求:同時支持單載扇 10 MHz 和 5 MHz 組網(wǎng);支持全網(wǎng) 10 MHz 同頻組網(wǎng)和單

10、網(wǎng)冗余覆蓋;支持全網(wǎng) 5 MHz 同頻組網(wǎng)和雙網(wǎng)冗余覆蓋;無線接入設(shè)備采用基帶和射頻拉遠(yuǎn)形式，支持共小區(qū)覆蓋組網(wǎng)，有效減少切換次數(shù)，保證系統(tǒng)可靠性。無線專網(wǎng)的安全需求支持有效的終端認(rèn)證與鑒權(quán)機(jī)制;無線接入支持空口加密;核心網(wǎng)支持 IPSec 等安全加密機(jī)制。無線專網(wǎng)的可靠性需求室外型無線設(shè)備滿足 IP65 以上防護(hù)等級(電源單元除外);支持基站回傳鏈路的檢測、保護(hù)與備份功能。鐵路通信專網(wǎng)方案組網(wǎng)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鐵路 TD-LTE 無線專網(wǎng)方案的組網(wǎng)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖 1 鐵路 LTE 無線專網(wǎng)組網(wǎng)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)寬帶無線接入網(wǎng)元4TDLTE 的無線接入網(wǎng) EUTRAN 由 eNodeB 構(gòu)成，e

11、NodeB 之間通過 X2 接口互連，每個 eNodeB 又和演進(jìn)型分組核心網(wǎng)通過 S1 接口相連。相比于 3G 網(wǎng)絡(luò)， LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中節(jié)點數(shù)量減少，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加趨于扁平化，這種結(jié)構(gòu)有利于簡化網(wǎng)絡(luò)和減小延遲，能夠滿足低時延，低復(fù)雜度和低成本的要求。eNodeB 具有下述功能:無線資源管理相關(guān)的功能，如無線承載控制、接納控制、連接移動性管理、上/下行動態(tài)資源分配/調(diào)度;UE 附著時的 MME 選擇。由于eNodeB 可以與多個 MME/SGW 之間存在 S1 連接，在 UE 初始接入到網(wǎng)絡(luò)時， 需要選擇一個 MME 進(jìn)行附著;提供到 SGW 的用戶面數(shù)據(jù)的路由;系統(tǒng)廣播消息的調(diào)度與傳輸。系統(tǒng)

12、廣播消息的內(nèi)容可以來自 MME 或者操作維護(hù)，eNodeB 負(fù)責(zé)按照一定的調(diào)度原則向空中接口發(fā)送系統(tǒng)廣播信息;尋呼消息的調(diào)度與傳輸， eNodeB 在接收到來自 MME 的尋呼消息后，根據(jù)一定的調(diào)度原則向空中接口發(fā)送尋呼消息;IP 頭壓縮與用戶數(shù)據(jù)流的加密，測量與測量報告的配置。EPC 核心網(wǎng)網(wǎng)元EPC 核心網(wǎng)網(wǎng)元包括 MME、SGW、PGW、HSS 等，各網(wǎng)元主要功能如下所述5。MME 網(wǎng)元:MME 連接 eNodeB、SGW 和 HSS，主要負(fù)責(zé)信令處理及管理。主要功能是完成核心網(wǎng)控制面信令處理;LTE 終端的移動性管理信令處理，包括終端 UE 附著/去附著、EUTRAN 系統(tǒng)內(nèi) TAU、

13、TA List 管理、基于 X2/S1 接口切換、Purge 等;安全管理的信令處理，包括 UE 鑒權(quán)、NAS 消息處理、NAS 消息完整性保護(hù);會話管理的信令處理，包括承載建立、修改、釋放的信令處理;網(wǎng)元選擇，包括 PGW、SGW 節(jié)點選擇，同時支持基于本地 Hostfile 的節(jié)點選擇;控制信令I(lǐng)PSec 安全性保護(hù)功能。SGW 網(wǎng)元:面向 eNodeB 終結(jié) S1U 接口的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理;接受 MME 的控制，承載用戶面數(shù)據(jù)。SGW 的主要功能是用戶面數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā);承載的建立、修改、釋放;作為用戶在 TDLTE 基站之間切換的錨點;IPSec 安全功能保護(hù)。PGW 網(wǎng)元:PGW

14、與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)連接，承載用戶面數(shù)據(jù)。PGW 的主要功能是用戶 IP 地址的分配;用戶面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā);默認(rèn)承載、專用承載的建立、修改、釋放; 與 Internet 數(shù)據(jù)網(wǎng)的關(guān)口;用戶原始計費信息采集;IPSec 安全功能保護(hù)。HSS 網(wǎng)元:HSS 是用于存儲用戶簽約信息的數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)保存跟用戶相關(guān)的信息:用戶安全信息;用于鑒權(quán)、完整性保護(hù)和加密的安全信息;用戶位置信息;HSS 支持用戶注冊，并存儲系統(tǒng)間的位置信息;用戶檔案信息。(3)多媒體調(diào)度網(wǎng)元多媒體調(diào)度網(wǎng)元由多媒體調(diào)度機(jī)、視頻服務(wù)器、錄音服務(wù)器、調(diào)度臺系統(tǒng)構(gòu)成。(4)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用分級設(shè)計的原則，包括分站，主站。系

15、統(tǒng)由 TDLTE 無線攝像機(jī)、視頻編碼器、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)平臺構(gòu)成。TDLTE 無線攝像機(jī)可以是彩色或黑白、固定或活動云臺、定焦或變焦的無線攝像機(jī)，主要完成對車站廣場、候車大廳及旅客通道等人員稠密處，鐵路貨場，鐵路沿線的無人值守變電站和照明等重要配電設(shè)備、重要道口、路口的人流、車流情況進(jìn)行監(jiān)視，并將拍攝的實時畫面?zhèn)魉偷揭曨l編碼器。視頻編碼器由音視頻壓縮編解碼器芯片、輸入輸出通道、網(wǎng)絡(luò)接口、音視頻接口、RS485 串行接口控制、協(xié)議接口控制、系統(tǒng)軟件管理等構(gòu)成，主要是提供視頻壓縮或解壓功能，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集或復(fù)原等。實時數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮處理后，通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控業(yè)務(wù)平臺。視頻監(jiān)控業(yè)

16、務(wù)平臺包括視頻存儲服務(wù)器，平臺管理服務(wù)器，報警管理服務(wù)器，電視墻，監(jiān)控客戶端等。實現(xiàn)的功能有:視頻監(jiān)控設(shè)備的集中管理，視頻圖像的存儲、解壓和回放;登錄用戶的管理，遙控優(yōu)先級的設(shè)置;通過搭載的指揮調(diào)度中心對各分站統(tǒng)一的指揮和調(diào)度。(5)核心網(wǎng)配套網(wǎng)元層三交換機(jī)功能:完成 EPC 核心網(wǎng)網(wǎng)元連接;多媒體調(diào)度交換機(jī)連接;調(diào)度臺連接;視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接;企業(yè)外網(wǎng) INTERNET 連接。防火墻功能:防止非法用戶的入侵和病毒攻擊;無線寬帶數(shù)據(jù)專網(wǎng)與 INTERNET 網(wǎng)絡(luò)的隔離。NTP 服務(wù)器功能:為 LTE 無線接入網(wǎng)、EPC 核心網(wǎng)、多媒體調(diào)度機(jī)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供 NTP 時鐘。高速鐵路無線覆蓋面臨的

17、難點(1)多普勒頻移在高速移動的通信場景下，多普勒效應(yīng)對 LTE 專網(wǎng)通信系統(tǒng)的性能影響最大6- 7。多普勒頻移將會使信號發(fā)射端和信號接收端之間產(chǎn)生一定的頻率偏差，出現(xiàn)信號失真。這將嚴(yán)重影響通信基站的解調(diào)性能，接收基站受到的最大多普勒頻率偏移與鐵路所用終端運(yùn)動的速度成正比，終端速度越高則頻偏越大，同時所用頻率越高，多普勒頻偏也越大。(2)頻繁切換8-9高速鐵路移動通信專網(wǎng)是沿著高速鐵路布網(wǎng)來建設(shè)，無線通信基站設(shè)置采用的是鏈狀結(jié)構(gòu)。在列車高速移動的情況下，車載終端將不可避免地頻繁跨越小區(qū)，由此導(dǎo)致車載終端在不同的基站小區(qū)間不斷重選和頻繁切換，導(dǎo)致終端掉線甚至脫網(wǎng)。(3)車體穿透損耗大當(dāng)前運(yùn)行的高

18、速鐵路列車都采用箱體密閉設(shè)計，使得整個車廂對無線通信信號的穿透損耗很大。不同的列車車型和列車材質(zhì)的車體對信號穿透損耗的差異較大，其穿透損耗相差 510dB，由此造成損耗大的車廂內(nèi)容易出現(xiàn)弱覆蓋現(xiàn)象?？筛鶕?jù)未來很可能采用的車體材質(zhì)和車體類型的損耗，來計算和設(shè)計高速鐵路無線鏈路預(yù)算的取值范圍。應(yīng)對無線覆蓋難題提供的解決方案自適應(yīng)頻率校正算法解決多普勒頻移問題不論是高速鐵路的車載終端還是列車上高速移動的用戶來說，各自的多普勒頻偏都非常大。對專網(wǎng)系統(tǒng)中的基站接收機(jī)來說，要能估計出與發(fā)射機(jī)之間的頻率誤差， 同時必須能校正出現(xiàn)的頻率誤差，否則將會對通信網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生很大影響。在應(yīng)對頻偏不斷快速變化的問題，

19、基站接收機(jī)還需對上頻偏變化進(jìn)行有效的補(bǔ)償。自適應(yīng)頻偏校正算法(Adaptive Frequency Correction，AFC)，是在基帶子幀上實時地檢測頻率偏移信息，校正由頻率偏移所造成的基帶相位偏移，從而提升基帶的解調(diào)性能。具體操作過程:eNodeB 根據(jù)算法計算得出上行信號的頻率偏移量， 再對接收機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償相應(yīng)的頻偏，抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的上行頻率偏移。同時eNodeB 對下行發(fā)射頻率補(bǔ)償相同的偏移量，保證同終端的正常通信。eNodeB 可根據(jù)對高速列車行駛速度的不間斷測量，自動選擇是否應(yīng)用 AFC 算法。當(dāng)列車速度較低時，選擇自動關(guān)閉 AFC 算法，以此來降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的整體開銷。當(dāng)列車

20、速度較高時，自動開啟 AFC 算法，補(bǔ)償由于列車移動速度快而導(dǎo)致的多普勒偏移，優(yōu)化和提高網(wǎng)絡(luò)性能。小區(qū)合并技術(shù)解決頻繁切換問題提高鐵路專網(wǎng)系統(tǒng)中的小區(qū)間切換的可靠性，可將小區(qū)的覆蓋范圍進(jìn)一步增大，從 而減少切換的次數(shù)。為了擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，可以采用寬波瓣天線，擴(kuò)大覆蓋范圍， 同時抑制覆蓋邊緣天線增益的快速下降，嚴(yán)格控制切換區(qū)域，保證切換區(qū)域的切換 時間滿足最少兩次切換。利用基帶合并技術(shù)減少切換頻率，將不同發(fā)射小區(qū)合并到 一個小區(qū)內(nèi)，過程示意如圖 2 所示。在下行方向還是上行方向，基站的多站點同頻分集發(fā)射和多路接收，將增強(qiáng)下行信號的接收效果和提高上行抗干擾能力和接收靈敏度。圖 2 小區(qū)合并示例使

21、用車載 CPE 解決穿透損耗大問題車載 CPE 可以放置于列車車箱內(nèi)，其天線置于列車車頂，用于與 eNodeB 間的無線通信。同時 CPE 在車廂內(nèi)形成無線覆蓋，車內(nèi)終端通過 CPE 與基站通信，避免了車體的穿透損耗，提高了接收機(jī)性能。結(jié)語鑒于 3G 技術(shù)使用的頻點太高，不滿足鐵路部門經(jīng)濟(jì)、實惠地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在廣泛地域內(nèi)的覆蓋目標(biāo)10，而且在語音業(yè)務(wù)上 3G 技術(shù)與 2G 技術(shù)并沒有本質(zhì)區(qū)別等諸多因素，國際鐵路聯(lián)盟(UIC)明確表示 3G 技術(shù)不適用于鐵路。因此，未來 GSM R 不會過渡到 3G，而是直接過渡到“準(zhǔn) 4G”的 LTER 技術(shù)，由此鐵路部門就更靈活地應(yīng)對內(nèi)部及外部的通信需求，為未來

22、的運(yùn)營發(fā)展做好準(zhǔn)備。國際鐵路聯(lián)盟認(rèn)為，已安裝的 GSMR 系統(tǒng)可以強(qiáng)化其應(yīng)用，同時鐵路部門也應(yīng)大膽創(chuàng)新，向 LTER 演進(jìn)是 GSMR 發(fā)展的必然趨勢11。LTE 能夠提供簡單、高效、低時延、低造價的網(wǎng)絡(luò)，同時可以提供安全的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外， LTE 基于全 IP 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，允許電信運(yùn)營商和鐵路運(yùn)營商共同開發(fā)統(tǒng)一的車地通信系統(tǒng)，并重用已部署的站點和設(shè)備，節(jié)省投資成本。在 GSMR 向 LTER 平滑遷移時，鐵路部門需要注意以下幾點，例如，盡可能保護(hù)目前 GSMR 的投資， 實現(xiàn)站點共享;跨兩個域的移動性與漫游需要透明;保證 2G、LTE 業(yè)務(wù)質(zhì)量的一致性， 提高 QoS 等。鐵路 LTE 無線專網(wǎng)解決方案真正實現(xiàn)了有線和無線的綜合業(yè)務(wù)，滿足鐵路企業(yè)多樣的通信需求，既可以快速地為鐵路搭建一套內(nèi)部無線通信系統(tǒng)，也可以將鐵路原有的 PBX 分機(jī)無