陳仁霞

（中鐵四局集團(tuán)電氣化工程有限公司，安徽 蚌埠 233040）

0 引 言

徐連高鐵對(duì)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行技術(shù)更新，將鐵路綜合專(zhuān)用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）系統(tǒng)改造為鐵路長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution-Railway，LTE-R）系統(tǒng)，能夠提高鐵路移動(dòng)通信無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力。通過(guò)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新改造，設(shè)計(jì)符合鐵路運(yùn)輸使用的LTE-R網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)鐵路朝著智能化方向發(fā)展[1]。

1 LTE-R通信系統(tǒng)

LTE-R通信系統(tǒng)基于第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用扁平化結(jié)構(gòu)。在無(wú)線接入方面，與演進(jìn)的通用陸基無(wú)線接入網(wǎng)（evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network，e-UTRAN）和 UMTS陸地?zé)o線 接 入 網(wǎng)（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN）相比，LTE-R無(wú)線接入去掉了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（Radio Network Controller，RNC），僅由演進(jìn)型 NodeB（evolved NodeB，eNodeB）構(gòu)成[2]。隨著LTE-R的網(wǎng)元進(jìn)一步減少，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步扁平化，使得無(wú)線接入網(wǎng)中不同協(xié)議層的交互更加緊密，通過(guò)減少中間數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)減少演示和提高效率，從而減少接口的類(lèi)型。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模部署，便于網(wǎng)絡(luò)安全維護(hù)。

2 徐連高鐵LTE-R鐵路無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)既有的徐連高鐵GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，其存在許多問(wèn)題。一是GSM-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)冗余，安全穩(wěn)定性較低。徐連高鐵GSM-R系統(tǒng)存在主業(yè)務(wù)信道（Main Service Channel，MSC）、基站控制器（Base Station Controller，BSC）以及基站收發(fā)臺(tái)（Base Station Transceiver，BTS）3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，物理硬件之間存在多處接口，數(shù)據(jù)傳輸效率較低。二是存在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾，制約鐵路列車(chē)組織高效運(yùn)轉(zhuǎn)。徐連高鐵運(yùn)行時(shí)速為350 km/h，在列車(chē)行駛過(guò)程中會(huì)發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象，干擾問(wèn)題得不到徹底解決，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化能力較弱[3]。三是鐵路業(yè)務(wù)帶寬無(wú)提升空間，無(wú)法滿足高速鐵路視頻業(yè)務(wù)傳輸需求。受技術(shù)原因的限制，視頻業(yè)務(wù)無(wú)法在現(xiàn)有GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)中傳輸?；诖耍瑢SM-R系統(tǒng)改造為L(zhǎng)TE-R系統(tǒng)，提高移動(dòng)通信無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力[4]。

2.1 LTE-R組網(wǎng)

設(shè)計(jì)采購(gòu)施工（Engineering Procurement Construction，EPC）由移動(dòng)管理實(shí)體（Mobility Management Entity，MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving-GateWay，S-GW）、PDN網(wǎng) 關(guān)（PDN GateWay，P-GW）、多媒體廣播服務(wù)網(wǎng)關(guān)（MBMS GateWay，MBMS-GW）、廣播多播業(yè)務(wù)中心（Broadcast-Multicast Service Centre，BM-SC）、路由器以及基于3GPP Release 13版本的關(guān)鍵任務(wù)一鍵通（Mission Critical Push to Talk，MCPTT）服務(wù)器等組成，如圖1所示。

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，LTE核心網(wǎng)設(shè)置歸屬用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）、S-GW、PGW、MBMS-GW、BM-SC、多播協(xié)調(diào)實(shí)體（Multicel Coordination Entity，MCE）以及路由器等網(wǎng)元。從技術(shù)角度來(lái)看，各核心網(wǎng)網(wǎng)元均可采用集中設(shè)置或分散設(shè)置的組網(wǎng)方式。從運(yùn)營(yíng)角度與全程全網(wǎng)規(guī)劃角度來(lái)看，網(wǎng)元具體的設(shè)置方式需要考慮合理性、經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)網(wǎng)元的特點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)管理體制以及維護(hù)管理等因素合理制定[5]。同時(shí)基于核心網(wǎng)網(wǎng)元的重要性，故障后影響的范圍較大，在網(wǎng)元設(shè)置方面還要考慮冗余性、容災(zāi)性等因素。結(jié)合徐連LTE-R特點(diǎn)，多套互聯(lián)可采用HSS進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模擬交互。

2.2 LTE-R技術(shù)制式

根據(jù)鐵路對(duì)LTE-R系統(tǒng)頻率初步規(guī)劃要求，結(jié)合既有GSM-R使用的頻率，按照LTE-R技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)已建設(shè)完成的朔黃重載鐵路和京沈客專(zhuān)綜合試驗(yàn)段的使用情況，新建徐連高鐵LTE-R系統(tǒng)采用基于3GPP R13版本的分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evdution-Time Division Duplex，LTE-TDD）技術(shù)制式。與此同時(shí)，擬采用Band 31頻段，上行452.5～457.5 MHz，下行462.5～467.5MHz。采用基于3GPP R13版本的寬帶集群標(biāo)準(zhǔn)，高效實(shí)現(xiàn)調(diào)度通信業(yè)務(wù)。徐連高鐵列車(chē)雙線對(duì)開(kāi)，每列車(chē)由2套機(jī)車(chē)終端設(shè)備組成。

2.3 LTE-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋

徐連高鐵地處平原地區(qū)，采用傳統(tǒng)鐵塔上安裝天線的方式對(duì)基站小區(qū)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。根據(jù)天線輻射的半徑范圍，通過(guò)結(jié)合徐連高速鐵路的現(xiàn)有運(yùn)行速度和列車(chē)運(yùn)行間隔，天線的平均懸掛高度可以為35 m，端子高度可以為4 m。徐連高速鐵路橫越特大橋時(shí)，鐵塔的高度將增加到40 m或45 m。由于當(dāng)前的鐵路覆蓋設(shè)計(jì)要求邊緣覆蓋概率達(dá)到95%，因此在要求上游和下游邊緣速率為1 Mb/s的條件下，小區(qū)覆蓋被限制為上行鏈路。

2.4 LTE-R承載網(wǎng)

對(duì)于LTE-R承載網(wǎng)中基于同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（Multi-Service Transfer Platform，MSTP），每一種業(yè)務(wù)都有其固定信道和預(yù)留固定帶寬，而不是和其他應(yīng)用共享信道，物理層面的隔離決定了MSTP技術(shù)主要用于承載高等級(jí)的通信業(yè)務(wù)。在車(chē)站設(shè)備骨干層和匯聚層構(gòu)建徐連傳輸環(huán)網(wǎng)，車(chē)站和車(chē)站之間的接入層采用SDH組建接入層傳輸系統(tǒng)。增強(qiáng)型MSTP通過(guò)兼容SDH、以太網(wǎng)、異步傳輸（Asynchronous Transfer Mode，ATM）等業(yè)務(wù)，形成綜合傳送體系。增強(qiáng)型MSTP融合了時(shí)分復(fù)用和以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，采用雙平面?zhèn)魉湍Ｊ?，SDH、PDH等業(yè)務(wù)通過(guò)傳統(tǒng)時(shí)分復(fù)用平面進(jìn)行傳送，以太網(wǎng)、ATM等分組業(yè)務(wù)通過(guò)分組平面進(jìn)行傳送，這些特點(diǎn)使得增強(qiáng)型MSTP能夠很好地滿足專(zhuān)網(wǎng)通信系統(tǒng)的需求。在時(shí)鐘同步方面，增強(qiáng)型MSTP既支持傳統(tǒng)的G.813頻率同步，也支持IEEE1588v2高精度時(shí)間同步，同時(shí)能靈活匹配不同的網(wǎng)絡(luò)同步制式，從而滿足LTE-R系統(tǒng)對(duì)高精度時(shí)間同步的要求。

采用分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）及增強(qiáng)型MSTP結(jié)合的方案時(shí)，需要驗(yàn)證分組環(huán)境下承載網(wǎng)與無(wú)線側(cè)服務(wù)質(zhì)量（Qudity of Service，QoS）的匹配性，協(xié)調(diào)廠家提供測(cè)試設(shè)備，對(duì)外部資源尤其是光纜纖芯占用較多。而利用既有傳輸系統(tǒng)提供專(zhuān)用通道組網(wǎng)，對(duì)外部資源（如光纜、電源、機(jī)房空間）占用小，但是存在占用本線MSTP系統(tǒng)傳輸資源、正線聯(lián)調(diào)聯(lián)試交叉進(jìn)行干擾較大等問(wèn)題。與此同時(shí)，既有MSTP系統(tǒng)不支持1588V2信號(hào)的地面?zhèn)魉?，也無(wú)法進(jìn)行分組承載環(huán)境下的指標(biāo)驗(yàn)證。綜合考慮各種因素，本次采用PTN與增強(qiáng)型MSTP結(jié)合作為L(zhǎng)TE-R系統(tǒng)的承載網(wǎng)。

2.5 方案分析

采用LTE-R技術(shù)架構(gòu)對(duì)徐連高鐵既有GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行更新改造設(shè)計(jì)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。一是GSM-R采用高斯濾波最小移頻鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）調(diào)制方式和時(shí)分多址，數(shù)據(jù)傳輸速率較低。而LTE-R基于LTE技術(shù)，上行和下行傳輸峰值速率能夠達(dá)到50 Mb/s和100 Mb/s，傳輸時(shí)延小。徐連高鐵設(shè)計(jì)改造方案按照LTE-R技術(shù)實(shí)施，能夠提高整條鐵路運(yùn)輸通信傳輸帶寬，較好地滿足業(yè)務(wù)需求，更低的傳輸延時(shí)可為鐵路各類(lèi)行車(chē)業(yè)務(wù)提供保障。二是LTE-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用扁平化的IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了無(wú)線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署的難度，同時(shí)也為維護(hù)帶來(lái)方便。三是LTE-R采用基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）+遙控射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）組網(wǎng)接入，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和組網(wǎng)更靈活。此外，采用冗余組網(wǎng)方式，能夠確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。通過(guò)拉遠(yuǎn)RRU，降低特殊地段的施工難度和維護(hù)難度。

3 徐連高鐵LTE-R網(wǎng)絡(luò)可靠性保障措施

為了確保LTE-R系統(tǒng)的安全性，需要提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性。在系統(tǒng)中配置冗余設(shè)備，搭建雙套系統(tǒng)或者雙套設(shè)備。采用設(shè)備雙機(jī)熱備方式能夠解決LTE-R系統(tǒng)中單一設(shè)備失效造成的系統(tǒng)故障，避免因1套eNodeB設(shè)備故障造成小區(qū)無(wú)信號(hào)覆蓋，致使行車(chē)數(shù)據(jù)無(wú)法發(fā)送，引起列車(chē)減速或無(wú)法運(yùn)行。在LTE-R無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無(wú)線寬帶的中繼系統(tǒng)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、用戶層。由于無(wú)線寬帶的中繼系統(tǒng)保密性高且網(wǎng)絡(luò)流量大、不易阻塞，因此適用于移動(dòng)鐵路LTE-R通信系統(tǒng)。

對(duì)于高速行駛的列車(chē)，根據(jù)列車(chē)當(dāng)前信息計(jì)算出當(dāng)前小區(qū)的預(yù)承載點(diǎn)，提前進(jìn)行小區(qū)的測(cè)量、目標(biāo)小區(qū)判定和信令交互，通過(guò)節(jié)省切換時(shí)間達(dá)到縮短時(shí)延的目的。LTE-R越區(qū)切換算法流程如圖2所示。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析我國(guó)高鐵GSM-R系統(tǒng)使用的現(xiàn)狀，從鐵路高鐵業(yè)務(wù)應(yīng)用需求出發(fā)，基于LTE-R技術(shù)改進(jìn)鐵路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高其可靠性。為了促進(jìn)徐連高鐵朝著智能化方向發(fā)展，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬容量進(jìn)行核算，確保鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)安全使用。