曹彥平

朔黃鐵路采用先進的LTE技術(shù)建設(shè)寬帶移動通信系統(tǒng)，開創(chuàng)了我國重載鐵路使用LTE技術(shù)的先河。而LTE寬帶移動通信系統(tǒng)需要高質(zhì)量的傳輸網(wǎng)絡(luò)，其高可靠、高安全、易擴展性能是整個通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障。

1 傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求

1.高質(zhì)量承載LTE網(wǎng)絡(luò)。傳輸網(wǎng)絡(luò)需要承載LTE業(yè)務(wù)，即負責(zé)LTE系統(tǒng)的eNodeB與核心網(wǎng)EPC間的通信，將BBU處的業(yè)務(wù)匯聚到LTE核心網(wǎng)。LTE無線接入采用負載分擔(dān)、共站址A、B網(wǎng)方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，在同一站址設(shè)置2套獨立基站，分別接入不同核心網(wǎng)EPC。為保證LTE業(yè)務(wù)的安全可靠，傳輸網(wǎng)絡(luò)需要分別承載A、B網(wǎng)的業(yè)務(wù)。LTE業(yè)務(wù)中包括像機車無線重聯(lián)、可控列尾業(yè)務(wù)等實時安全數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)，因此傳輸網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)都能夠?qū)崟r觸發(fā)保護倒換，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和業(yè)務(wù)的生存性。

2.多業(yè)務(wù)統(tǒng)一接入和承載。傳輸網(wǎng)絡(luò)除了承載LTE業(yè)務(wù)，還要承載電力SCADA、電源及環(huán)境監(jiān)控等業(yè)務(wù)，并預(yù)留防災(zāi)、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。針對不同業(yè)務(wù)類型，傳輸設(shè)備需要提供STM-1/4/16，E1，F(xiàn)E，GE等不同類型的接口，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入和統(tǒng)一承載。

3.網(wǎng)絡(luò)易于管理和運維。全網(wǎng)由數(shù)十個站點組成，運維人員能夠通過網(wǎng)管系統(tǒng)統(tǒng)一管理各站點。運維人員應(yīng)能通過網(wǎng)管系統(tǒng)提供的視圖查看業(yè)務(wù)配置情況，選中任何一條業(yè)務(wù)即可逐級展開，查看各節(jié)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(yè)務(wù)所經(jīng)過的節(jié)點、單板以及端口的信息，還可以創(chuàng)建或刪除光纖連接、配置單板、查詢告警統(tǒng)計信息等。

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

5.適應(yīng)未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。朔黃鐵路運力的不斷增強，對傳輸系統(tǒng)容量的要求也會相應(yīng)提高。系統(tǒng)擴容應(yīng)不需要更換已有的設(shè)備，只需在設(shè)備上增加或替換單板、升級軟件即可。另外，系統(tǒng)擴容需在不中斷業(yè)務(wù)的情況下進行，避免因擴容導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)短時不可用而造成的經(jīng)濟損失。隨著視頻監(jiān)控、會議電視等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入和發(fā)展，會對傳輸系統(tǒng)提出更高的帶寬需求。對于此類帶寬需求大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，應(yīng)能采用分組平面承載，以便對其進行靈活的統(tǒng)計復(fù)用，實現(xiàn)帶寬收斂，提升承載效率。

6.提供IEEE 1588v2時間同步。LTE系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)采用1588v2技術(shù)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(shè)備應(yīng)能夠提供IEEE 1588v2時間同步技術(shù)，將時間信息在網(wǎng)絡(luò)中層層傳遞，最終傳遞到LTE無線基站等需要精確時間的設(shè)備，滿足LTE系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)同步的高精度要求。

2 承載平臺MSTP

2.1 技術(shù)選型

朔黃LTE-R試驗段之初，為確保LTE業(yè)務(wù)實現(xiàn)端到端穩(wěn)定傳送，就當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流技術(shù)MSTP及運營商近年部署的分組傳送網(wǎng)PTN、IP RAN技術(shù)進行技術(shù)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(yè)績案例，而且IP RAN技術(shù)商用時間較短，故主要對MSTP與PTN 2種技術(shù)進行比選，以適合朔黃鐵路LTE業(yè)務(wù)承載。

MSTP技術(shù)誕生得比PTN早，在對IP業(yè)務(wù)承載方面，PTN的統(tǒng)計復(fù)用能夠提高傳輸承載能力。從組網(wǎng)技術(shù)到現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用而言，MSTP與PTN在運營商的應(yīng)用比較廣泛，PTN在統(tǒng)計復(fù)用方面的能力使網(wǎng)絡(luò)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(shù)，對配套傳輸方案做了專題論證，經(jīng)全面考慮朔黃鐵路LTE配套傳輸網(wǎng)絡(luò)選擇基于MSTP技術(shù)進行建設(shè)。

多業(yè)務(wù)傳輸平臺MSTP(Multi-Service Transfer Platform)，在SDH的基礎(chǔ)上實現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，并能夠提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理和維護。MSTP是面向連接的，采用電路時隙交換技術(shù)，業(yè)務(wù)之間相互物理隔離，能夠保證傳統(tǒng)SDH/PDH業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸，也能保證IP業(yè)務(wù)的高質(zhì)量傳輸。

MSTP技術(shù)體系支持 G.703，G.707，G.831，G.813等ITU-T相關(guān)標(biāo)準，支持鏈形、環(huán)形、星形等多種組網(wǎng)模式，可采用子網(wǎng)連接保護 (SNCP)、復(fù)用段保護 (MSP)等多種網(wǎng)絡(luò)保護方式。

基于傳統(tǒng)SDH/MSTP/OTN/WDM技術(shù)的市場仍然在增長，但隨著分組技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，分組PTN技術(shù)承載專線方案的可行性也在增加。

2.2 專線網(wǎng)絡(luò)

由于朔黃LTE項目承載鐵路電力SCADA等重要列控業(yè)務(wù)，關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)。對此，針對類似的專線模型展開調(diào)研論證。常見的專線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(tǒng)作為本條鐵路運行業(yè)務(wù)的綜合通信平臺，需滿足包括多機車同步操控數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、可控列尾業(yè)務(wù)、語音調(diào)度業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控等四大類業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)，對系統(tǒng)提出2方面要求:①對安全業(yè)務(wù)的實時性、可靠性負責(zé);②滿足重載鐵路多業(yè)務(wù)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(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最優(yōu)選擇。朔黃鐵路行業(yè)的實際建網(wǎng)需要對所有部件進行冗余，包括接口、設(shè)備、控制系統(tǒng)，不同系統(tǒng)的專線必須專用，避免鐵路運營中各個系統(tǒng)的相互影響，最大程度地保證安全性。當(dāng)前只有基于SDH硬管道設(shè)備才能提供完善的設(shè)備級、網(wǎng)絡(luò)級保護，不同業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)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，F(xiàn)DD需要使用上下行對稱頻率，頻率之間需要“間隔”保護。TDD發(fā)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(shù)據(jù)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(wǎng)的優(yōu)勢。

TD-LTE為中國自有知識產(chǎn)權(quán)的LTE國際標(biāo)準，受到工信部在內(nèi)的國家通信主管部門的大力扶持。在該背景下，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均在積極投入TD-LTE技術(shù)的研發(fā)。截至目前，國內(nèi)各行業(yè) (電力、民航、能源、交通等)均選用了TD-LTE作為其無線移動業(yè)務(wù)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(shù)不一樣的挑戰(zhàn)，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(biāo)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(dǎo)致在選擇器中發(fā)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(wǎng)絡(luò)必然的選擇。

3.2 選擇IEEE1588V2協(xié)議

IEEE 1588V2是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議，用于精確同步分布式網(wǎng)絡(luò)通信中各個節(jié)點的時鐘。其基本構(gòu)思為通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 (客戶機)的內(nèi)時鐘與主控機的主時鐘實現(xiàn)同步。1588V2最初應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域，提高儀器和測量的準確度。后被引入網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，用于滿足LTE等通信設(shè)備間高精度的時間同步需求。

傳統(tǒng)的時間同步鏈路采用NTP傳送方式實現(xiàn)，該協(xié)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(cè)，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(tǒng)故障率高，超過了1%，出現(xiàn)故障時需要上站維護;饋線鋪設(shè)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(tǒng)，緊急情況下整網(wǎng)可能因失步而癱瘓，且GPS系統(tǒng)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(tǒng)，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(xiàn)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?zhèn)魉蜁r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(shè)備通過1588v2協(xié)議傳送時間信息，基站可通過1588v2或1pps+TOD接口從承載設(shè)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(shè)備之間事件報文交換時產(chǎn)生的時間戳，計算出主從設(shè)備之間的平均路徑延遲和時間偏差，實現(xiàn)主從設(shè)備之間的時間同步。

基于1588V2精確時間傳送協(xié)議的優(yōu)點:空間本地化，應(yīng)用于支持多播消息的局域網(wǎng) (包括但不限于以太網(wǎng))通信;高同步精度，ns級別;免管理;協(xié)議完善的狀態(tài)機和管理消息，減少人工干預(yù);低成本，網(wǎng)絡(luò)資源和處理器計算資源需求最小，可實現(xiàn)低成本應(yīng)用，符合網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型趨勢IP網(wǎng)絡(luò)-承載未來的融合網(wǎng)絡(luò)。

4 傳輸承載模型

針對傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，以及對傳輸容量的估計，朔黃鐵路采用MSTP技術(shù)構(gòu)建LTE配套傳輸承載網(wǎng)絡(luò)。鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)采用TD-LTE建設(shè)，并且設(shè)計成網(wǎng)絡(luò)冗余組網(wǎng)方式。

與LTE配套的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用骨干匯聚層和接入層二層結(jié)構(gòu)，傳輸網(wǎng)絡(luò)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(jié)點處分別設(shè)置STM-16 MSTP設(shè)備，將車站BBU和區(qū)間BBU連接成2個2.5 Gb/s的二纖環(huán)，分別承載LTE A、B網(wǎng)業(yè)務(wù)，并通過車站BBU處的STM-16 MSTP設(shè)備將業(yè)務(wù)匯聚到車站STM-64 MSTP設(shè)備，最終傳送至中心機房。2.5Gb/s環(huán)采用SNCP的保護方式，并預(yù)留升級為10 Gb/s的條件。在區(qū)間RRU處分別設(shè)置STM-1 MSTP設(shè)備，將BBU節(jié)點與其歸屬的區(qū)間RRU節(jié)點間組成容量為155 Mb/s的二纖環(huán)，采用SNCP的保護方式，并預(yù)留升級為622 Mb/s的條件。

該組網(wǎng)方案既能夠滿足LTE鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)現(xiàn)在及預(yù)留業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨螅植幻つ孔非蟪咭?guī)格而導(dǎo)致投資浪費。

5 結(jié)束語

朔黃鐵路LTE寬帶移動通信系統(tǒng)是國內(nèi)外首次將4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于重載鐵路行業(yè)的重大技術(shù)創(chuàng)新;在傳輸網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)選擇上尤為慎重，需要一個穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)，為LTE業(yè)務(wù)的傳送保駕護航。LTE網(wǎng)絡(luò)和MSTP網(wǎng)絡(luò)相輔相成，共同構(gòu)建安全、可靠、穩(wěn)定、永續(xù)的鐵路通信系統(tǒng)，助力朔黃鐵路運力的提升，為實現(xiàn)朔黃鐵路“綠色、高效、數(shù)字化”的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻力量。

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