城市軌道交通LTE-M系統數據隔離問題研究

趙 巖

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號處，710043，西安//高級工程師)

LTE-M(Long Term Evolution-Machine to Machine)是基于TD-LTE(時分長期演進)技術的新一代軌道交通專用通信規范體系，是在遵循3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)、B-TrunC(Broadband Trunking Communication,寬帶集群通信)等相關規范的基礎上針對地鐵綜合業務承載需求應運而生的車地無線通信標準，其在保證基于通信的CBTC(列車控制系統)車地信息傳輸基礎上，可同時傳輸其他地鐵實時業務。目前，由中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會提出的LTE-M系列標準正逐步完善，并已發布了部分子規范。

由于LTE-M系統優先應用于CBTC(基于通信的列車控制)系統，其數據安全問題更加重要。根據相關子規范，LTE-M系統應采取安全策略以保證網絡的安全性， LTE-M系統應在硬件和軟件設計上確保數據報文的安全傳輸[1]。但是，關于LTE-M系統如何滿足信號系統對數據隔離的要求，子規范未提出指導意見。

LTE-M系統承載信號CBTC信息時的數據隔離問題，主要有以下兩種：

1) 地鐵正線上不同車輛之間信號數據的隔離。這種數據隔離可防止LTE-M系統不同終端之間發生數據信息的非正常交互。以往移動通信網絡的數據信據非正常交互，會造成常見的“串話或單通”現象，如GSM(全球移動通信)網絡的語音串話或單通等。

2) 地鐵正線與車輛段試車線上車輛之間信號數據的隔離。如果正線與試車線的不同LTE-M終端可能存在數據信息的非正常交互，那么正線與試車線需獨立設置EPC(演進型分組核心網)及接入網eNodeB(LTE基站)。而且，若不同終端或不同類型應用之間的數據隔離存在問題，則LTE-M系統提供的透明傳輸通道將無法滿足可靠數據應用需求。

1 LTE“數據串話”的可能性分析

在移動通信系統中，語音業務交互過程可能會存在語音串話或單通的現象。串話及單通的原理如圖1所示。在終端1和終端2正常通信過程中發生串話時，終端2突然可以收到來自終端3的信息。發生單通時，終端1可以收到來自終端2的信息，但終端2收不到來自終端1的信息[2]。

圖1 串話及單通示意圖

LTE以點對點高帶寬個人數據業務為主。當LTE在承擔高可靠性業務(如CBTC業務)時，若發生數據串話或單通現象，則會造成調度指令混亂，進而產生安全事故。因此，在其核心網及接入網數據交互過程中，有必要分析終端發生串話或單通的可能性。

1.1 GMS系統的“數據串話與單通”

GSM系統是目前應用最為廣泛的無線通信系統，其語音也是經過信源及信道編碼的數據信息，其工作特點與LET技術類似。因此，可通過對比GMS系統來分析LTE“數據串話”的可能性。

GSM網絡的語音串話及單通現象時有發生，根據長期經驗分析，GSM系統發生串話及單通問題的原因主要是以下幾點：

1) 當GSM BSC(基站控制)設備中T 3109計時器的值設置得比小區下行RLT(無線鏈路失效計數器)的值低很多時，由于網絡判斷鏈路中斷的時間比終端判斷的時間短，因此，在高話務的情況下，網絡釋放的資源會立即分配給其他終端，造成原終端可以聽到其他用戶的聲音，產生串話[3]。

2) 根據3GPP規范，終端在切換失敗后，應該以切換前的形式(包括頻點、時隙、全速率/半速率、加密模式等等)回到原來的信道，GSM網絡對此無法干預。所以，終端在切換失敗返回時“擅自”改變信道參數的行為，也會導致串話現象出現。

3) 在空中接口上，如2個用戶所占用的TCH(業務信道)出現重疊，且C/I(載干比)滿足一定條件，則會出現串話的情況。

上述分析表明，GSM系統的串話或單通問題，主要由資源分配和釋放、設備配置參數錯誤等方面原因引起，在Um(空口)接口、Abis接口、A接口均有發生。GSM系統處理語音信息采用了面向連接的電路域通信方式，必須經過“建立連接-通信-釋放連接”的步驟，按載頻及時隙來分配信道資源。在調度資源不及時或者出錯的情況下，GSM系統會出現信道被重復占用問題。可見，其資源分配方式決定，“串話”現象并不罕見。

1.2 LTE系統的“數據串話及單通”

LTE系統完全面向分組交換，以OFDM(正交頻分復用)技術為基礎，可在時域、頻域及碼域等3個維度進行資源分配和調度。LTE系統不再使用“專用通道”來傳送數據，而是將用戶數據分割成小塊(RB資源塊)，復用在共享的數據信道中，通過數據正交最大限度實現了不同用戶間的數據隔離[5]。

LTE網絡從空口側開始就是IP(互聯網協議)網絡，即終端ME(移動設備)側、LTE eNodeB側、傳輸網側和EPC側都實現了全IP化，此外，終端只要開啟電源就會附著IP地址。

LTE在信道資源分配調度的原理上與GSM是完全不同的。LTE在每個數據分組前加注控制信息和地址標識等信息，并依據 “存儲-轉發”機制、按照IP地址傳輸所有的數據。其數據傳輸具備自適應調度能力[4]。LTE基于TFT(業務流模板)，把IP包過濾到不同承載。TFT使用IP包頭信息(含源IP地址、目的IP地址及TCP端口號)來過濾IP包。LTE給每個終端分配IP地址，并至少建立1個承載。在整個PDN(公共數據網)連接過程中，該承載都保持建立狀態。

綜上所述，LTE信息的傳輸基于IP地址，因此，不會出現類似于以往移動通信系統中的“串話或單通”現象。

此外，LTE-M系統多采用同頻組網方式。當空口出現嚴重同頻干擾時，信噪比下降會使調制方式變化，使調制階數降低，還會使吞吐量下降，但其有效數據收發需經過CRC校驗(循環冗余校驗)、加擾及解擾、映射及解映射、調制及解調等步驟；因此，即便空口射頻信號存在大量干擾沖突，在接收信號經物理層數據處理后，其有效數據也基本不可能呈現為可被識別的假信息。

2 核心網模式對數據隔離問題的影響

當LTE-M承載CBTC系統業務時，正線與車輛段試車線的LTE網絡建設可采用獨立核心網模式，也可采用共用核心網模式。這兩種模式下的數據隔離問題各有特點。

2.1 獨立核心網模式

在獨立核心網模式下，正線LTE-M系統與試車線LTE-M系統分別建設核心網和基站，兩個核心網之間不進行互聯互通、完全獨立，從而實現LTE數據完全物理隔離的組網覆蓋，其結構見圖2。

圖2 采用物理隔離的獨立核心網結構示意圖

車輛TAU(LTE車載接入單元)在同一時刻只能接入1個LTE網絡。當TAU接入正線網絡時，車載VOBC(信號車載控制器)通過TAU與位于控制中心的正線ZC(區域控制器)通信。當TAU接入試車線網絡時，車載VOBC通過TAU與位于車輛段的試車線ZC通信，此時的車載VOBC與正線ZC之間沒有物理及邏輯通路，從而做到完全隔離。

這種建設模式的問題在于：在小區邊緣處，2張LTE網絡的空口射頻信號會因為重疊覆蓋，而產生嚴重的同頻干擾；而且，TD-LTE系統空口沒有使用擴頻技術，故信道編碼技術所產生的處理增益也較小，降低了在小區邊緣的抗干擾處理能力，增加了數據丟包率和誤塊率。在網絡負荷比較高的情況下，一般需采用ICIC(干擾協調)技術來解決同頻干擾，但如果正線和試車線核心網間沒有互聯互通，則無法通過ICIC技術來抑制小區間的同頻干擾[5]。

獨立核心網方案不僅要能精確觸發TAU在不同LTE網絡之間的重新注冊，還要保證試車線各處的試車線LTE信號強度比正線LTE信號強度至少大15 dB，對后期網絡優化要求較高。

2.2 共用核心網模式

共用核心網模式下，正線和試車線共用LTE核心網，分別建設eNodeB基站。各基站間的小區干擾可通過ICIC等技術進行優化。共用核心網模式可通過以下方式實現“數據隔離”：

1) ACL(訪問控制列表)控制方式。ACL是路由器和交換機接口的指令列表，用來控制端口進出的數據包，是網絡安全防范和保護的主要策略。該方式要先在信號側和LTE側交換機上建立路由表，再采用路由選擇的方式實現正線和試車線ZC間的數據隔離。由于該方式要修改信號系統交換機的參數配置，故主流信號集成商對此方案較為排斥，認為其接口關系劃分不明，會造成應用和管理維護上的混亂。

2) GRE(通用路由協議封裝)隧道隔離方式。GRE是一種應用廣泛的網絡層協議，經常被用來構造GRE隧道以穿越各種三層網絡。GRE隧道由兩端的源IP地址和目的IP地址來定義。車載TAU根據信號系統ZC的IP地址發起建立不同的GRE隧道，如圖3所示。在實際使用中，正線及試車線的路由器分別在相應的車載TAU上設置2條GRE隧道的IP地址，。在正線上，TAU與正線ZC的通信走正線GRE隧道；在試車線上，TAU與試車線ZC的通信走試車線GRE隧道，從而實現試車線和正線信號業務流的邏輯隔離。西安地鐵4號線和西安機場線均采用此方式實現LTE-M系統的數據隔離。

車輛TAU在正線與試車線同時建立2個GRE VPN連接，并收到切換信號后更新路由表。整個數據交互過程中，需定義觸發正線和試車線之間的切換機制，并實時驗證該操作成功。這對LTE和信號設備之間的接口協議提出了很高的要求。另外，共用核心網模式使LTE-M的核心網側對不同終端或者業務的性能數據統計過程變得更加復雜。

3 結語

目前，1.8 GHz的LTE-M頻率資源受限，其行業應用正逐漸向著非綜合承載業務方向發展，而且城市軌道交通工程的車輛段試車線大多早于正線投入使用。故建議在LTE-M系統單獨承載CBTC業務時，正線與試車線采用獨立核心網模式，分別設置核心網EPC。正線與試車線核心網之間的數據隔離最好通過物理隔離的方式實現。