鐵路TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)解決方案

王安義，孫偉強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054;2.大唐移動(dòng) (西安)通信設(shè)備有限公司，西安 710061)

1 概述

近年來，在通信技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，世界各國對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究也日益升溫，尤其是寬帶移動(dòng)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(duì)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(dòng)通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(shí)這對(duì)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(chǎng)景［2］。鐵路的通信涵蓋了幾乎所有的無線通信場(chǎng)景，這將對(duì)鐵路無線通信提出更為苛刻的要求。如何在高速度移動(dòng)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(duì)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術(shù)問題。擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4G國際通信標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE(Time Division Long Term Evolution，分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn))，其采用的是時(shí)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(gè)城市完成建設(shè)，計(jì)劃2013年建設(shè)到100個(gè)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。UIC已經(jīng)確定鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)路線將跨越3G技術(shù)，直接由GSM－R技術(shù)向LTE發(fā)展，即發(fā)展LTE－R(for Railway)。

2 鐵路通信需求

鐵路系統(tǒng)希望建設(shè)一個(gè)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(shí)，主要用于內(nèi)部通信。對(duì)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(gè)呼、組呼、廣播、優(yōu)先級(jí)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(hào)校核等通用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載;(4)支持實(shí)時(shí)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(hào)校核數(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(shí)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(gè)呼、組呼、廣播、優(yōu)先級(jí)呼叫等鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù);支持調(diào)度命令、車次號(hào)校核等通用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載;支持實(shí)時(shí)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1 785～1 795 MHz頻段下的山區(qū)、隧道、橋梁、平原等多種場(chǎng)景的覆蓋，其無線設(shè)備應(yīng)滿足以下要求:同時(shí)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。

(3)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。

(4)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(jí)(電源單元除外);支持基站回傳鏈路的檢測(cè)、保護(hù)與備份功能。

3 鐵路通信專網(wǎng)方案

3.1 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)

(1)寬帶無線接入網(wǎng)元［4］

TD－LTE的無線接入網(wǎng)E－UTRAN由eNodeB構(gòu)成，eNodeB之間通過X2接口互連，每個(gè)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(diǎn)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(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和減小延遲，能夠滿足低時(shí)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(dòng)性管理、上/下行動(dòng)態(tài)資源分配/調(diào)度;UE附著時(shí)的MME選擇。由于eNodeB可以與多個(gè)MME/S－GW之間存在S1連接，在UE初始接入到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要選擇一個(gè)MME進(jìn)行附著;提供到S－GW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)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(cè)量與測(cè)量報(bào)告的配置。

(2)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(dòng)性管理信令處理，包括終端UE附著/去附著、E－UTRAN 系統(tǒng)內(nèi) TAU、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(huì)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(diǎn)選擇，同時(shí)支持基于本地Hostfile的節(jié)點(diǎn)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)S1－U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TD－LTE基站之間切換的錨點(diǎn);IPSec安全功能保護(hù)。

PGW網(wǎng)元:PGW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(jì)費(fèi)信息采集;IPSec安全功能保護(hù)。

HSS網(wǎng)元:HSS是用于存儲(chǔ)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(cè)，并存儲(chǔ)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(tái)系統(tǒng)構(gòu)成。

(4)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用分級(jí)設(shè)計(jì)的原則，包括分站，主站。系統(tǒng)由TD－LTE無線攝像機(jī)、視頻編碼器、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)平臺(tái)構(gòu)成。

TD－LTE無線攝像機(jī)可以是彩色或黑白、固定或活動(dòng)云臺(tái)、定焦或變焦的無線攝像機(jī)，主要完成對(duì)車站廣場(chǎng)、候車大廳及旅客通道等人員稠密處，鐵路貨場(chǎng)，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(shí)時(shí)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(chǎng)數(shù)據(jù)的采集或復(fù)原等。實(shí)時(shí)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(tái)。

視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)平臺(tái)包括視頻存儲(chǔ)服務(wù)器，平臺(tái)管理服務(wù)器，報(bào)警管理服務(wù)器，電視墻，監(jiān)控客戶端等。實(shí)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(chǔ)、解壓和回放;登錄用戶的管理，遙控優(yōu)先級(jí)的設(shè)置;通過搭載的指揮調(diào)度中心對(duì)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(tái)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L(zhǎng)TE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(shí)鐘。

3.2 高速鐵路無線覆蓋面臨的難點(diǎn)

(1)多普勒頻移

在高速移動(dòng)的通信場(chǎng)景下，多普勒效應(yīng)對(duì)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(huì)使信號(hào)發(fā)射端和信號(hào)接收端之間產(chǎn)生一定的頻率偏差，出現(xiàn)信號(hào)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(dòng)的速度成正比，終端速度越高則頻偏越大，同時(shí)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(dòng)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(dòng)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)行的高速鐵路列車都采用箱體密閉設(shè)計(jì)，使得整個(gè)車廂對(duì)無線通信信號(hào)的穿透損耗很大。不同的列車車型和列車材質(zhì)的車體對(duì)信號(hào)穿透損耗的差異較大，其穿透損耗相差5～10dB，由此造成損耗大的車廂內(nèi)容易出現(xiàn)弱覆蓋現(xiàn)象。可根據(jù)未來很可能采用的車體材質(zhì)和車體類型的損耗，來計(jì)算和設(shè)計(jì)高速鐵路無線鏈路預(yù)算的取值范圍。

3.3 應(yīng)對(duì)無線覆蓋難題提供的解決方案

(1)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(dòng)的用戶來說，各自的多普勒頻偏都非常大。對(duì)專網(wǎng)系統(tǒng)中的基站接收機(jī)來說，要能估計(jì)出與發(fā)射機(jī)之間的頻率誤差，同時(shí)必須能校正出現(xiàn)的頻率誤差，否則將會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生很大影響。在應(yīng)對(duì)頻偏不斷快速變化的問題，基站接收機(jī)還需對(duì)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(shí)時(shí)地檢測(cè)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(jì)算得出上行信號(hào)的頻率偏移量，再對(duì)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(shí)eNodeB對(duì)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(duì)高速列車行駛速度的不間斷測(cè)量，自動(dòng)選擇是否應(yīng)用AFC算法。當(dāng)列車速度較低時(shí)，選擇自動(dòng)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)列車速度較高時(shí)，自動(dòng)開啟AFC算法，補(bǔ)償由于列車移動(dòng)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。

(2)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(shí)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(shí)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(gè)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(diǎn)同頻分集發(fā)射和多路接收，將增強(qiáng)下行信號(hào)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

(3)使用車載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(shí)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。

4 結(jié)語

鑒于3G技術(shù)使用的頻點(diǎn)太高，不滿足鐵路部門經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠地實(shí)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(huì)過渡到3G，而是直接過渡到“準(zhǔn)4G”的LTE－R技術(shù)，由此鐵路部門就更靈活地應(yīng)對(duì)內(nèi)部及外部的通信需求，為未來的運(yùn)營發(fā)展做好準(zhǔn)備。

國際鐵路聯(lián)盟認(rèn)為，已安裝的GSM－R系統(tǒng)可以強(qiáng)化其應(yīng)用，同時(shí)鐵路部門也應(yīng)大膽創(chuàng)新，向LTE－R演進(jìn)是GSM－R發(fā)展的必然趨勢(shì)［11］。LTE能夠提供簡(jiǎn)單、高效、低時(shí)延、低造價(jià)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以提供安全的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外，LTE基于全I(xiàn)P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(diǎn)和設(shè)備，節(jié)省投資成本。在GSM－R向LTE－R平滑遷移時(shí)，鐵路部門需要注意以下幾點(diǎn)，例如，盡可能保護(hù)目前GSM－R的投資，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)共享;跨兩個(gè)域的移動(dòng)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(shí)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)無線化。無線專網(wǎng)方案可以為鐵路提供靈活便捷高效的實(shí)時(shí)通信，將完成鐵路上的安全、功能、效率、互操作性以及經(jīng)濟(jì)利益方面的期望，提供在高速鐵路上的寬帶網(wǎng)絡(luò)，是鐵路在通信系統(tǒng)建設(shè)時(shí)的理想選擇。LTE通信技術(shù)將對(duì)鐵路行業(yè)大量采用國際標(biāo)準(zhǔn)起了重要作用，將會(huì)取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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