LTE-M車地通信中的綜合接入技術研究

韋 文牛建華師 進謝和歡

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

LTE-M車地通信中的綜合接入技術研究

韋 文1，2牛建華1，2師 進1，2謝和歡1，2

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

研究城市軌道交通LTE-M車地通信中多種業務綜合接入技術，重點關注流量調度策略、帶寬共享和流量分擔技術。通過分析和實際測試，提出建議綜合業務采用雙網承載方式和負載均衡技術，既保證各業務承載的可靠性，又滿足高實時性、大帶寬業務（如視頻傳輸業務）的傳輸需求。

城市軌道交通；LTE-M；綜合接入；負載均衡

1 概述

目前，長期演進（Long Term Evolution，LTE）移動寬帶通信技術在鐵路和城市軌道交通中的應用方興未艾，中國對相關技術及工程應用的研究和測試工作已走在世界前列［1-3］。借助LTE技術的寬帶承載能力及其他優勢，軌道交通的車地無線通信可以實現從單一業務傳輸到綜合業務承載，通信的可靠性、服務質量也將有新的提升。

從2014年3月開始，北京市軌道交通安全運營領導小組正式展開對LTE-M（LTE-Metro，用于地鐵的LTE）技術綜合承載基于通信的列車控制（Communication Based Train Control，CBTC）業務、乘客信息系統（Passenger Information System，PIS）業務、車載閉路視頻監控（Closed Circuit Television，CCTV）等業務的可行性驗證工作，并計劃選取燕房線作為LTE-M的示范應用線［1］。2014年7月至9月，北京市軌道交通建設管理有限公司組織各設計單位和通信廠商在中國鐵道科學院東郊分院開展LTE-M現場實地測試，取得較好的數據結果［2］。2015年中國城市軌道交通協會召集各單位共同研究制定中國首個LTE-M技術規范，截至2016年已發布首批規范，包括LTE-M系統需求規范、LTE-M系統總體結構及系統功能等，為未來LTE-M在我國城市軌道交通中實施應用提供了依據。

在LTE-M取得快速進展的同時，也有很多問題有待更深入的研究，尤其是全網范圍流量優化、綜合接入流量調度優化等問題，關系到LTE-M能否實現綜合承載能力及通信服務質量的突破。LTE-M不能完全照搬公共通信LTE網絡建設的方法和經驗，而是要取長補短、因地制宜地發展與城市軌道交通應用場景相適應的技術。針對上述問題，本文首先深入分析LTE-M車地通信現狀及問題，然后提出可用于LTE-M綜合接入的負載均衡技術及相關建議。

本文結構如下：第一節為概述；第二節分析LTE-M現狀和問題；第三節介紹負載均衡技術；第四節提出可用于LTE-M綜合接入的負載均衡技術；第五節給出測試結果；第六節為結論及建議。

2 LTE-M車地通信現狀及問題

根據現有文獻資料及既有測試工作［1，2］，目前LTE-M車地通信網絡的建設思路主要是搭建雙網做冗余組網，根據業務需求雙網可以采用相同帶寬或不同帶寬配置。LTE-M承載的各項業務，其中CBTC業務和其他信號系統業務使用雙網冗余承載，PIS、視頻傳輸等綜合業務則采用單網承載。

這樣設計的思路自然是要保障跟行車安全相關的信號系統業務傳輸的可靠性，但其他綜合承載業務的可靠性則無法保證。尤其是僅采用單網承載車載視頻傳輸等高實時性、大帶寬業務時，傳輸質量難以保障，可能會引起數據丟失甚至服務中斷。

考慮軌道交通的場景特點，主要是沿軌道分布的線性場景，列車快速移動過程中需要在沿線布置的各個小區之間快速切換。單網承載能力在小區內部、小區邊緣、切換區等各不相同，尤其是在切換區會出現吞吐率下降，甚至可能切換失敗導致網絡中斷。除非采用成本翻倍的單網交織冗余方案，否則，理論分析和實際測試均表明，單網承載難以滿足綜合業務的傳輸可靠性和質量需求。

為此，建議考慮雙網承載綜合業務的解決方案。首先，雙網能在非切換區帶來總吞吐率翻倍的優勢。其次，通過合理安排基站位置、覆蓋信號強度和切換參數等，可以令雙網的切換區相互錯開，則總體來說軌道沿線的網絡總帶寬可以實現全線均高于需求門限。但是簡單的建設雙網并不能解決前文所述問題，還需要考慮流量調度策略、帶寬共享和流量分擔技術，才能將綜合業務合理分配到雙網上以便發揮雙網承載的優勢。采用負載均衡技術是滿足上述需求的關鍵技術，下文將進行闡述。

3 負載均衡技術發展情況

在存在冗余資源的場景（比如雙網）中，可以使用負載均衡技術進行資源的合理分配。通過負載均衡算法可以將各種類型的請求或需求分配到不同的空口/服務器/網絡管道等資源上，有效地提高系統資源利用率，達到增加系統吞吐量、減少請求的平均響應時間的目的。根據負載類型和均衡的對象不同，相關的均衡技術主要可分為如下幾類：

1） 空口負載在基站之間分配：主要通過某種手段平衡LTE系統中各個小區間的負載，達到提高頻譜資源利用率的目的。當基站檢測到當前小區負載較高時，基于預先設定的策略和準則將一部分用戶轉移到其他空閑小區中，這不僅降低了當前小區用戶的呼損率與掉話率、提高了服務質量，還提高了系統的整體性能［4］。

2） 處理負載在服務器之間分配：常見的負載均衡技術，應用在較廣泛的領域中。解決該問題的原理包括兩方面：一是將大量的并發訪問請求或數據流量分擔到多個節點上分別進行處理，提高請求響應速度、加快任務執行；二是將重負載節點上的計算遷移到其他多個節點上處理，優化資源配置、提高資源的利用率。可在硬件或軟件實現負載均衡［5］。

3） 流量負載在網絡管道之間分配：技術思路類似，流量負載也可以按一定策略或準則在不同的網絡管道之間進行靜態分配或動態分配/轉移。其中主要涉及網絡優化技術、高級路由技術等。負載均衡路由技術需要解決3個問題：如何準確地定義網絡管道或節點流量負載狀況、如何及時有效地獲取網絡管道或節點的負載狀況、如何根據負載信息對網絡管道或節點負載進行調整處理。一般解決上述問題的負載均衡算法都包括以下幾個部分：負載衡量策略；負載更新策略；觸發策略；遷移策略［6］。

4 用于LTE-M綜合接入的負載均衡技術

在上節介紹的各類負載均衡技術中，基于空口負載分配、處理負載分配的均衡已有較為成熟的技術和設備得到應用，LTE-M系統可以直接應用相關技術和設備。然而基于流量負載分配技術目前仍有較大的發展空間，因為傳統基于動態路由來分配網絡流量方法有較多的局限，特別是將其應用在LTE-M場景中。

目前，面向傳輸通道帶寬資源的流量負載均衡技術方案有一個共同點：在收集了各網絡通道可用帶寬資源或流量服務能力后，通過一定策略選擇“最優”的通道，將用戶請求發送的流量匹配到該最優通道上。即現有技術方案實現流量分配的基本操作是進行通道或路徑的選擇和切換。這里所說的網絡通道不限定于具體的網絡形式或媒介，可以是異構的網絡、有線網絡接入節點或無線網絡接入節點，本文將上述提供網絡訪問或傳輸通道的節點設備統稱為網絡接入單元（Network Access Unit，NAU）。現有流量負載均衡方案中，任一用戶在任一時段只能使用某一個備選NAU提供的網絡通道，而不能將多個NAU綜合起來服務同一個用戶。即目前的流量負載均衡技術未真正實現在不同傳輸路徑上的帶寬共享和流量分擔，其缺點：某些NAU資源可能被浪費，用戶被分配到“最優”NAU通道上，忽略了其他“次優”NAU通道的使用；現有交換或路由設備限制對路徑進行反復快速切換，導致負載均衡的調度速度和效率受到影響，不利于應用在LTE-M等對負載均衡的反應速度要求較高的場景。

本節將介紹一種流量動態負載均衡方法，既能并行的使用多個NAU為任一用戶提供綜合的流量服務能力，又能具有較高的調度速度和效率，可應付LTE-M等領域各NAU的服務能力快速變化的場景。實現上述方法的裝置在本文中統稱為接入負載均衡器（Access Load-Balancer，ALB）。

4.1 網絡場景

首先將LTE-M車地通信的網絡場景進行抽象建模，如圖1所示。NAUi（i=1，2，…，m；m≥2）是安裝在列車上的多個網絡接入終端（位置不同或使用不同網絡），即LTE-M的車載終端，作為車載各應用的網絡接入單元。外部網絡是LTE-M軌旁基站及地面核心網等提供的目標訪問網絡。在列車內部網絡中，可有多個ALBj（j=1，2，…，j；n≥1）進行負載均衡。LTE-M車載各業務則表示為車載網絡的用戶。通過內部互聯，任意ALBj與所有NAUi之間均存在通信路徑。其中內部互聯不限定形式，可以是星型連接、鏈型連接或其他。各用戶分別連接在某個ALBj上。

圖1 網絡場景示意圖

4.2 流量動態負載均衡流程

動態負載均衡思路如下：各ALBj隨時監聽收集來自各NAUi的服務能力參數，并按照均衡策略即時做出反應。具體方法流程如下：

首先，各ALBj隨時監聽收集來自各NAUi的服務能力參數，如各NAUi的帶寬資源Bi，單位為bit/s，表示每s可傳輸的流量。其中帶寬資源Bi參數也可以先用其他形式表示，比如無線通信設備當前的調制與編碼策略（Modulation and Coding Scheme，MCS），但最終要將其換算為相應的帶寬資源Bi表示。其中收集參數的操作可以由NAUi主動廣播給各ALBj，也可以由ALBj向NAUi主動發出查詢。如果ALBj收集到新的NAU的服務能力參數，則認為網絡中新加入了可用的NAUi，后續計算將其納入。如果根據預先設置的超時參數，ALBj超時未收集到某個NAUi的服務能力參數，則認為該NAUi已離線或故障。各ALBj更新可用NAU列表。

之后，各ALBj根據均衡系數λi分配對應的各用戶請求傳輸流量到各NAUi上。該分配即時生效，負載均衡流程返回第一步。

4.3 流量分配算法

上一節中各ALBj分配用戶流量時，根據需要可采用不同的分配方法，比如概率法、輪轉法等。

4.4 技術優勢

由上述方法流程步驟及分配算法可見，任一用戶x都并行的使用NAUi提供的通道服務，且任一用戶x對各NAUi通道的使用程度與各NAUi的負載能力相匹配，達到帶寬共享目的。此外，基于動態的特性，本文的方法可應付各NAU的服務能力快速變化的場景，比如LTE-M車地通信網絡。

與既有的流量負載均衡技術相比，本文提出的方法優勢：提高車地網絡傳輸總帶寬；提高用戶服務的魯棒性；可用于動態網絡結構。

5 現場測試案例

2015年底，通號設計院集團公司聯合其他公司在廣州地鐵6號線選取潯峰崗—坦尾典型線路區段進行現場實驗，驗證車地寬帶無線技術在地鐵環境下能否滿足車廂多路高清視頻實時傳輸的需求。

測試中，車載部署方案為：車頭、車尾2臺車載接入終端共4個無線接入模塊提供4個車地網絡接入通道，通過在每節車廂增設車載負載均衡設備ALB，將車載業務都經由ALB進行流量負載分配，實現流量動態分配和對多通道的帶寬共享。

表1 廣州6號線視頻傳輸承載測試結果

測試結果表明：使用負載均衡技術后，車頭、車尾2臺車載終端的4個無線接入模塊的帶寬得到共享，車地網絡承載的全車視頻業務流量得到動態分配，因而能夠保障在試驗段全線車廂多路高清視頻回傳清晰流暢、無卡頓，可以滿足城市軌道交通的實際應用需求，如表1、圖2所示。

圖2 多路高清視頻實時傳輸效果示例

6 結論和建議

本文研究了城市軌道交通LTE-M車地通信中多種業務綜合接入技術，說明了使用雙網承載綜合業務的必要性和可以采用的負載均衡技術。本文建議在LTE-M車地無線通信中，信號系統業務和綜合承載業務接入均采用雙網承載，以保證各業務的可靠性和服務質量。在流量調度上采用負載均衡技術，可以實現雙網帶寬共享和流量分擔，從而滿足視頻傳輸業務等高實時性、大帶寬的需求。

當然，為了保證其他業務不會對信號系統業務傳輸產生不良影響，還需要進一步考慮對綜合承載業務做嚴格的流量控制和QoS等級劃分，綜合考慮LTE-M各業務的安全性、可靠性、可用性需求。

［1］石杰，馬麗蘭.LTE網絡發展及應用研究［J］.鐵路通信信號工程技術，2015（10）：22-25.

［2］戴克平，張艷兵，朱力，等.基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統［J］.都市快軌交通， 2016（2）：69-74.

［3］房杰.LTE-M技術在地鐵乘客信息系統的應用［J］.通訊世界，2015（24）：45-46.

［4］管俊波.LTE系統中負載均衡技術的研究與應用［D］.武漢：武漢理工大學，2014.

［5］朱振廣.面向內容分發網絡的動態負載均衡技術研究［D］.哈爾濱： 哈爾濱工業大學，2012.

［6］張勇.基于MPLS流量工程的負載均衡技術的研究［D］.武漢： 武漢科技大學，2006.

The paper studies the integrated access technologies in LTE-M train- trackside wireless communication， including traffi c scheduling policy， bandwidth and fl ow sharing technologies. Based on the analysis and actual testing cases， it puts forward the suggestion that integrated services should be carried over LTE-M dual-network with load balance， for ensuring the reliability of multi-services transmission and meeting the demands of real-time and large bandwidth service， video transmission for example.

urban mass transit； LTE-M； integrated access； load balance

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.016

北京市科學技術委員會科技計劃課題項目（D151100005615002）

（2016-06-12）