朔黃鐵路LTE配套傳輸網絡技術探討

曹彥平

朔黃鐵路采用先進的LTE技術建設寬帶移動通信系統，開創了我國重載鐵路使用LTE技術的先河。而LTE寬帶移動通信系統需要高質量的傳輸網絡，其高可靠、高安全、易擴展性能是整個通信系統穩定運行的保障。

1 傳輸網絡建設需求

1.高質量承載LTE網絡。傳輸網絡需要承載LTE業務，即負責LTE系統的eNodeB與核心網EPC間的通信，將BBU處的業務匯聚到LTE核心網。LTE無線接入采用負載分擔、共站址A、B網方式實現網絡冗余，在同一站址設置2套獨立基站，分別接入不同核心網EPC。為保證LTE業務的安全可靠，傳輸網絡需要分別承載A、B網的業務。LTE業務中包括像機車無線重聯、可控列尾業務等實時安全數據信息業務，因此傳輸網絡需要具備低時延、高安全的傳輸性能，還需要具備全方位的保護能力，無論是鏈路故障、硬件故障、軟件故障，網絡都能夠實時觸發保護倒換，保證網絡的可靠性和業務的生存性。

2.多業務統一接入和承載。傳輸網絡除了承載LTE業務，還要承載電力SCADA、電源及環境監控等業務，并預留防災、視頻監控等業務。針對不同業務類型，傳輸設備需要提供STM-1/4/16，E1，FE，GE等不同類型的接口，實現多業務的統一接入和統一承載。

3.網絡易于管理和運維。全網由數十個站點組成，運維人員能夠通過網管系統統一管理各站點。運維人員應能通過網管系統提供的視圖查看業務配置情況，選中任何一條業務即可逐級展開，查看各節點的交叉配置情況，通過信號流圖界面可以看到任何一條業務所經過的節點、單板以及端口的信息，還可以創建或刪除光纖連接、配置單板、查詢告警統計信息等。

4.設備環境適應性強。惡劣、多變的地理和氣象條件對設備的環境適應性提出了較高要求，設備必須能在極端的環境條件下長期穩定工作。

5.適應未來業務發展的需求。朔黃鐵路運力的不斷增強，對傳輸系統容量的要求也會相應提高。系統擴容應不需要更換已有的設備，只需在設備上增加或替換單板、升級軟件即可。另外，系統擴容需在不中斷業務的情況下進行，避免因擴容導致網絡短時不可用而造成的經濟損失。隨著視頻監控、會議電視等數據業務的接入和發展，會對傳輸系統提出更高的帶寬需求。對于此類帶寬需求大的數據業務，應能采用分組平面承載，以便對其進行靈活的統計復用，實現帶寬收斂，提升承載效率。

6.提供IEEE 1588v2時間同步。LTE系統對網絡同步的精度要求較高，只有GPS和1588v2能夠滿足要求。與GPS相比，全網采用1588v2技術可以使投資更低，并可作為GPS失效時的同步保護方案。傳輸設備應能夠提供IEEE 1588v2時間同步技術，將時間信息在網絡中層層傳遞，最終傳遞到LTE無線基站等需要精確時間的設備，滿足LTE系統對網絡同步的高精度要求。

2 承載平臺MSTP

2.1 技術選型

朔黃LTE-R試驗段之初，為確保LTE業務實現端到端穩定傳送，就當前業內主流技術MSTP及運營商近年部署的分組傳送網PTN、IP RAN技術進行技術論證。由于在承載重要列控信號方面，PTN與IP RAN都沒有類似的業績案例，而且IP RAN技術商用時間較短，故主要對MSTP與PTN 2種技術進行比選，以適合朔黃鐵路LTE業務承載。

MSTP技術誕生得比PTN早，在對IP業務承載方面，PTN的統計復用能夠提高傳輸承載能力。從組網技術到現網應用而言，MSTP與PTN在運營商的應用比較廣泛，PTN在統計復用方面的能力使網絡具有較高的收斂比，提升了整體能力。本次朔黃引入LTE無線新技術，對配套傳輸方案做了專題論證，經全面考慮朔黃鐵路LTE配套傳輸網絡選擇基于MSTP技術進行建設。

多業務傳輸平臺MSTP(Multi-Service Transfer Platform)，在SDH的基礎上實現TDM、ATM、以太網等多種業務的接入、處理和傳送，并能夠提供統一的網絡管理和維護。MSTP是面向連接的，采用電路時隙交換技術，業務之間相互物理隔離，能夠保證傳統SDH/PDH業務的安全可靠傳輸，也能保證IP業務的高質量傳輸。

MSTP技術體系支持 G.703，G.707，G.831，G.813等ITU-T相關標準，支持鏈形、環形、星形等多種組網模式，可采用子網連接保護 (SNCP)、復用段保護 (MSP)等多種網絡保護方式。

基于傳統SDH/MSTP/OTN/WDM技術的市場仍然在增長，但隨著分組技術和網絡的迅速發展，分組PTN技術承載專線方案的可行性也在增加。

2.2 專線網絡

由于朔黃LTE項目承載鐵路電力SCADA等重要列控業務，關注的是網絡的安全性和保護可靠性，并不是收斂比，類似于運營商提供的重要大客戶專線業務。對此，針對類似的專線模型展開調研論證。常見的專線網絡技術可進一步細分為硬管道、彈性管道和非管道。

朔黃鐵路是一條重載鐵路，LTE-R系統作為本條鐵路運行業務的綜合通信平臺，需滿足包括多機車同步操控數據業務、可控列尾業務、語音調度業務、視頻監控等四大類業務的傳輸需求。這四類都是帶寬專用、對鏈路要求物理隔離的業務，對系統提出2方面要求:①對安全業務的實時性、可靠性負責;②滿足重載鐵路多業務車-地通信承載需求。

物理隔離、高可靠性、完善的保護機制使得硬管道專線成為鐵路行業網絡設備最優選擇。朔黃鐵路行業的實際建網需要對所有部件進行冗余，包括接口、設備、控制系統，不同系統的專線必須專用，避免鐵路運營中各個系統的相互影響，最大程度地保證安全性。當前只有基于SDH硬管道設備才能提供完善的設備級、網絡級保護，不同業務間做到嚴格的物理隔離，而且保護倒換時間均小于50 ms。而基于IP/MPLS的彈性管道網絡缺乏完善的保護機制，只能提供邏輯隔離，支持200 ms的快速重路由能力，很難達到50 ms。

3 時間同步

LTE存在FDD LTE和TDD LTE(即TD-LTE)2種制式，FDD需要使用上下行對稱頻率，頻率之間需要“間隔”保護。TDD發送和接收信號在同一頻率信道的不同時隙中進行，不需要對稱的頻率，在進行不對稱的數據傳輸時，可充分利用有限的頻譜資源，因此TDD存在不對稱組網的優勢。

TD-LTE為中國自有知識產權的LTE國際標準，受到工信部在內的國家通信主管部門的大力扶持。在該背景下，產業鏈各環節均在積極投入TD-LTE技術的研發。截至目前，國內各行業 (電力、民航、能源、交通等)均選用了TD-LTE作為其無線移動業務的承載平臺。朔黃鐵路選擇了TD-LTE，這個選擇帶來以往鐵路GSM-R技術不一樣的挑戰，就是更高的時鐘精度要求。

3.1 時鐘同步要求

以GSM/WCDMA為代表的歐洲標準采用的是FDD制式，只需要頻率同步，精度要求0.05 ppm(或者 50ppb)。而以 TD-SCDMA/CDMA2000/LTE為代表的TDD制式，需要頻率同步和時間同步。無線基站之間在軟切換時，如果基站管理器(RNC)和基站 (NodeB)沒有時間同步，可能導致在選擇器中發生指令不匹配，從而使通話連接不能建立起來。時間和頻率的偏差還會影響移動臺在基站間切換的成功率。因此，時間同步是LTE通信網絡必然的選擇。

3.2 選擇IEEE1588V2協議

IEEE 1588V2是網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議，用于精確同步分布式網絡通信中各個節點的時鐘。其基本構思為通過硬件和軟件將網絡設備 (客戶機)的內時鐘與主控機的主時鐘實現同步。1588V2最初應用在工業自動化領域，提高儀器和測量的準確度。后被引入網絡通信領域，用于滿足LTE等通信設備間高精度的時間同步需求。

傳統的時間同步鏈路采用NTP傳送方式實現，該協議的最大缺點是只能滿足ms級別的時間傳遞精度，這對于無線時間同步基站所需的μs級時間精度是遠遠不夠的。而在基站側，目前采用GPS解決頻率和時間同步問題。但是采用GPS進行時間同步在朔黃鐵路工程中存在諸多問題:安裝選址難;維護困難，GPS系統故障率高，超過了1%，出現故障時需要上站維護;饋線鋪設困難，饋線較長時需要加裝放大器并考慮饋電;安全隱患高，這種方法依賴于美國GPS系統，緊急情況下整網可能因失步而癱瘓，且GPS系統目前存在失效的可能;成本高，每一個LTE基站均需要配置一套GPS系統，安裝、維護成本更高。針對無線時間同步基站高精度時間的需求以及現有GPS解決方案的種種弊端，朔黃鐵路需要有一種高精度的地面傳送時間同步方案。

典型的1588v2同步傳送方案中時間源通過GPS/北斗/GLONASS等多種方式注入，承載設備通過1588v2協議傳送時間信息，基站可通過1588v2或1pps+TOD接口從承載設備獲取時間信息，達到與時間源同步，精度可達到ns級，完全能夠滿足LTE無線基站的要求。1588V2通過記錄主從設備之間事件報文交換時產生的時間戳，計算出主從設備之間的平均路徑延遲和時間偏差，實現主從設備之間的時間同步。

基于1588V2精確時間傳送協議的優點:空間本地化，應用于支持多播消息的局域網 (包括但不限于以太網)通信;高同步精度，ns級別;免管理;協議完善的狀態機和管理消息，減少人工干預;低成本，網絡資源和處理器計算資源需求最小，可實現低成本應用，符合網絡轉型趨勢IP網絡-承載未來的融合網絡。

4 傳輸承載模型

針對傳輸網絡建設需求，以及對傳輸容量的估計，朔黃鐵路采用MSTP技術構建LTE配套傳輸承載網絡。鐵路寬帶移動通信系統采用TD-LTE建設，并且設計成網絡冗余組網方式。

與LTE配套的傳輸網絡采用骨干匯聚層和接入層二層結構，傳輸網絡全程采用1588V2，保證LTE同步信息的可靠傳輸。在沿線車站及車站之間的BBU節點處分別設置STM-16 MSTP設備，將車站BBU和區間BBU連接成2個2.5 Gb/s的二纖環，分別承載LTE A、B網業務，并通過車站BBU處的STM-16 MSTP設備將業務匯聚到車站STM-64 MSTP設備，最終傳送至中心機房。2.5Gb/s環采用SNCP的保護方式，并預留升級為10 Gb/s的條件。在區間RRU處分別設置STM-1 MSTP設備，將BBU節點與其歸屬的區間RRU節點間組成容量為155 Mb/s的二纖環，采用SNCP的保護方式，并預留升級為622 Mb/s的條件。

該組網方案既能夠滿足LTE鐵路寬帶移動通信系統現在及預留業務傳輸的需求，又不盲目追求超高規格而導致投資浪費。

5 結束語

朔黃鐵路LTE寬帶移動通信系統是國內外首次將4G無線網絡技術應用于重載鐵路行業的重大技術創新;在傳輸網絡的技術選擇上尤為慎重，需要一個穩定、可靠的系統，為LTE業務的傳送保駕護航。LTE網絡和MSTP網絡相輔相成，共同構建安全、可靠、穩定、永續的鐵路通信系統，助力朔黃鐵路運力的提升，為實現朔黃鐵路“綠色、高效、數字化”的發展戰略目標貢獻力量。

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