铁路TD-LTE专网系统解决方案

1、铁路 TD-LTE 专网系统解决方案王安义;孙伟强【 摘 要 】 In order to satisfy the ever-increasing demand of railway communication at the present time, and in combination with the advantage of TD-LTE communication technology, this paper put forward a solution of railway TD-LTE wireless private network system. The specific fu

2、nctions of every network element in the network system were introduced in details under the premise of ensuring railway wireless network business security and equipment reliability. And then after analyzing the implementation difficulty of this solution in detail, the paper suggested the correspondi

3、ng specific solutions for different cases. It is considered that this solution can not only satisfy the demand of wired and wireless integrated business in railway communication system but also satisfy the multiple communication demands of railway enterprises, truly achieving the modern communicatio

4、n information network platform for high-speed railway.%为满足当前铁路不断增加的通信需求，结合 TD-LTE 通信技术的优势， 提出一种铁路 TD-LTE 无线专网系统方案。在保证铁路无线网络业务安全性和设备可靠性的前提下，详细说明系统网络中各网元的具体功能，对此方案中的实现难点进行详细的分析，针对不同场景提出相应的解决方案，在满足铁路通信中的有线和无线综合业务的同时，也满足了铁路企业多样的通信需求，真正实现高速铁路通信的现代化信息网络平台。【期刊名称】铁道标准设计【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5 页(P94-97,13

5、8)【关键词】铁路通信;移动通信;专网系统;TD-LTE;信息化【作 者】王安义;孙伟强【作者单位】西安科技大学，西安 710054; 大唐移动 西安 通信设备有限公司，西安 710061;西安科技大学，西安 710054【正文语种】中 文【中图分类】U285.2概述近年来，在通信技术不断发展的同时，世界各国对新一代移动通信系统的研究也日益升温，尤其是宽带移动通信在铁路方面的研究，更是红红火火。甬温线特大铁路事故令人们对铁路的安全性更加关注，在这样的背景下，采用哪种新一代通信技术作为铁路最好的选择成为了热切关注的问题1。近些年国际组织和国内外企业都有着不同的进程，使得国内外在高速铁路宽带移动通

6、信方面有着一定的发展。我国高速铁路列车的运行速度越来越快，高速铁路列车速度已经达到了 350 km/h。列车速度的提升以及新型化车厢的问世给铁路带来了高效和舒适，同时这对高速运 行环境下的通信服务种类和通信质量的要求也随之提高。铁路的无线通信环境很复 杂，除了常见的城市和平原情况外，还有山区、隧道、桥梁等多种特殊场景 2。铁路的通信涵盖了几乎所有的无线通信场景，这将对铁路无线通信提出更为苛刻的 要求。如何在高速度移动环境下保持良好的通信质量和网络覆盖，这无疑是对铁路无线通信技术的极大挑战3。国际电信联盟(ITU)是领先的联合国机构，近 145 年为政府和企业在发展网络和服务方面解决信息和通信技

7、术问题。拥有我国自主知识产权的 4G 国际通信标准 TD- LTE(Time Division Long Term Evolution，分时长期演进)，其采用的是时分双工的 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术) 接入方式，是获得国际电信联盟批准的主流标准。2012 年，TD-LTE 网络已经在全国 13 个城市完成建设，计划 2013 年建设到 100 个城市的规模应用，这也确保了设备的成熟性。国际铁路联盟(UIC)是世界铁路最大的国际性标准化机构。我国把 UIC 标准定为国际标准，这些标准是完全涉及铁路行业的。UI

8、C 已经确定铁路宽带移动通信系统的演进路线将跨越 3G 技术，直接由 GSMR 技术向 LTE 发展，即发展 LTER(for Railway)。铁路通信需求铁路系统希望建设一个无线企业专网来进行自主管理。其无线专网兼顾外部通信的同时，主要用于内部通信。对于铁路的外部通信需求，主要是与公网 PSTN 的互通。内部通信功能需求:(1)无线调度，提供个呼、组呼、广播、优先级呼叫等铁路业务应用;(2)机车同步操控、列尾业务的安全数据承载;(3)支持调度命令、车次号校核等通用数据业务的承载;(4)支持实时视频业务的承载;(5)互通需求方面，铁路机车同步操控、列尾业务的安全数据承载，调度命令、车次号校核

9、数据承载等需求，需要无线专网与铁路现有的通信系统互联互通。由于铁路无线通信业务纷繁复杂，其专网通信的需求从以下方面进行分析。(1)无线专网业务需求支持铁路机车同步操控、列尾业务的安全数据承载，传输时延小于 0.5 s，30 字节大小数据块;支持无线调度，提供个呼、组呼、广播、优先级呼叫等铁路应用业务;支持调度命令、车次号校核等通用数据业务的承载;支持实时视频业务的承载。(2)专网的无线覆盖需求要求能提供 1 7851 795 MHz 频段下的山区、隧道、桥梁、平原等多种场景的覆盖，其无线设备应满足以下要求:同时支持单载扇 10 MHz 和 5 MHz 组网;支持全网 10 MHz 同频组网和单

10、网冗余覆盖;支持全网 5 MHz 同频组网和双网冗余覆盖;无线接入设备采用基带和射频拉远形式，支持共小区覆盖组网，有效减少切换次数，保证系统可靠性。无线专网的安全需求支持有效的终端认证与鉴权机制;无线接入支持空口加密;核心网支持 IPSec 等安全加密机制。无线专网的可靠性需求室外型无线设备满足 IP65 以上防护等级(电源单元除外);支持基站回传链路的检测、保护与备份功能。铁路通信专网方案组网与拓扑结构铁路 TD-LTE 无线专网方案的组网与拓扑结构如图 1 所示。图 1 铁路 LTE 无线专网组网与拓扑结构宽带无线接入网元4TDLTE 的无线接入网 EUTRAN 由 eNodeB 构成，e

11、NodeB 之间通过 X2 接口互连，每个 eNodeB 又和演进型分组核心网通过 S1 接口相连。相比于 3G 网络， LTE 网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化，这种结构有利于简化网络和减小延迟，能够满足低时延，低复杂度和低成本的要求。eNodeB 具有下述功能:无线资源管理相关的功能，如无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、上/下行动态资源分配/调度;UE 附着时的 MME 选择。由于eNodeB 可以与多个 MME/SGW 之间存在 S1 连接，在 UE 初始接入到网络时， 需要选择一个 MME 进行附着;提供到 SGW 的用户面数据的路由;系统广播消息的调度与传输。系统

12、广播消息的内容可以来自 MME 或者操作维护，eNodeB 负责按照一定的调度原则向空中接口发送系统广播信息;寻呼消息的调度与传输， eNodeB 在接收到来自 MME 的寻呼消息后，根据一定的调度原则向空中接口发送寻呼消息;IP 头压缩与用户数据流的加密，测量与测量报告的配置。EPC 核心网网元EPC 核心网网元包括 MME、SGW、PGW、HSS 等，各网元主要功能如下所述5。MME 网元:MME 连接 eNodeB、SGW 和 HSS，主要负责信令处理及管理。主要功能是完成核心网控制面信令处理;LTE 终端的移动性管理信令处理，包括终端 UE 附着/去附着、EUTRAN 系统内 TAU、

13、TA List 管理、基于 X2/S1 接口切换、Purge 等;安全管理的信令处理，包括 UE 鉴权、NAS 消息处理、NAS 消息完整性保护;会话管理的信令处理，包括承载建立、修改、释放的信令处理;网元选择，包括 PGW、SGW 节点选择，同时支持基于本地 Hostfile 的节点选择;控制信令IPSec 安全性保护功能。SGW 网元:面向 eNodeB 终结 S1U 接口的网关，负责数据处理;接受 MME 的控制，承载用户面数据。SGW 的主要功能是用户面数据的路由和转发;承载的建立、修改、释放;作为用户在 TDLTE 基站之间切换的锚点;IPSec 安全功能保护。PGW 网元:PGW

14、与分组数据网(PDN)连接，承载用户面数据。PGW 的主要功能是用户 IP 地址的分配;用户面数据的转发;默认承载、专用承载的建立、修改、释放; 与 Internet 数据网的关口;用户原始计费信息采集;IPSec 安全功能保护。HSS 网元:HSS 是用于存储用户签约信息的数据库，负责保存跟用户相关的信息:用户安全信息;用于鉴权、完整性保护和加密的安全信息;用户位置信息;HSS 支持用户注册，并存储系统间的位置信息;用户档案信息。(3)多媒体调度网元多媒体调度网元由多媒体调度机、视频服务器、录音服务器、调度台系统构成。(4)视频监控系统对于视频监控系统，采用分级设计的原则，包括分站，主站。系

15、统由 TDLTE 无线摄像机、视频编码器、视频监控业务平台构成。TDLTE 无线摄像机可以是彩色或黑白、固定或活动云台、定焦或变焦的无线摄像机，主要完成对车站广场、候车大厅及旅客通道等人员稠密处，铁路货场，铁路沿线的无人值守变电站和照明等重要配电设备、重要道口、路口的人流、车流情况进行监视，并将拍摄的实时画面传送到视频编码器。视频编码器由音视频压缩编解码器芯片、输入输出通道、网络接口、音视频接口、RS485 串行接口控制、协议接口控制、系统软件管理等构成，主要是提供视频压缩或解压功能，完成现场数据的采集或复原等。实时数据经过压缩处理后，通过无线或有线网络将数据传输到视频监控业务平台。视频监控业

16、务平台包括视频存储服务器，平台管理服务器，报警管理服务器，电视墙，监控客户端等。实现的功能有:视频监控设备的集中管理，视频图像的存储、解压和回放;登录用户的管理，遥控优先级的设置;通过搭载的指挥调度中心对各分站统一的指挥和调度。(5)核心网配套网元层三交换机功能:完成 EPC 核心网网元连接;多媒体调度交换机连接;调度台连接;视频监控系统连接;企业外网 INTERNET 连接。防火墙功能:防止非法用户的入侵和病毒攻击;无线宽带数据专网与 INTERNET 网络的隔离。NTP 服务器功能:为 LTE 无线接入网、EPC 核心网、多媒体调度机、视频监控系统提供 NTP 时钟。高速铁路无线覆盖面临的

17、难点(1)多普勒频移在高速移动的通信场景下，多普勒效应对 LTE 专网通信系统的性能影响最大6- 7。多普勒频移将会使信号发射端和信号接收端之间产生一定的频率偏差，出现信号失真。这将严重影响通信基站的解调性能，接收基站受到的最大多普勒频率偏移与铁路所用终端运动的速度成正比，终端速度越高则频偏越大，同时所用频率越高，多普勒频偏也越大。(2)频繁切换8-9高速铁路移动通信专网是沿着高速铁路布网来建设，无线通信基站设置采用的是链状结构。在列车高速移动的情况下，车载终端将不可避免地频繁跨越小区，由此导致车载终端在不同的基站小区间不断重选和频繁切换，导致终端掉线甚至脱网。(3)车体穿透损耗大当前运行的高

18、速铁路列车都采用箱体密闭设计，使得整个车厢对无线通信信号的穿透损耗很大。不同的列车车型和列车材质的车体对信号穿透损耗的差异较大，其穿透损耗相差 510dB，由此造成损耗大的车厢内容易出现弱覆盖现象。可根据未来很可能采用的车体材质和车体类型的损耗，来计算和设计高速铁路无线链路预算的取值范围。应对无线覆盖难题提供的解决方案自适应频率校正算法解决多普勒频移问题不论是高速铁路的车载终端还是列车上高速移动的用户来说，各自的多普勒频偏都非常大。对专网系统中的基站接收机来说，要能估计出与发射机之间的频率误差， 同时必须能校正出现的频率误差，否则将会对通信网络的性能产生很大影响。在应对频偏不断快速变化的问题，

19、基站接收机还需对上频偏变化进行有效的补偿。自适应频偏校正算法(Adaptive Frequency Correction，AFC)，是在基带子帧上实时地检测频率偏移信息，校正由频率偏移所造成的基带相位偏移，从而提升基带的解调性能。具体操作过程:eNodeB 根据算法计算得出上行信号的频率偏移量， 再对接收机进行补偿相应的频偏，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移。同时eNodeB 对下行发射频率补偿相同的偏移量，保证同终端的正常通信。eNodeB 可根据对高速列车行驶速度的不间断测量，自动选择是否应用 AFC 算法。当列车速度较低时，选择自动关闭 AFC 算法，以此来降低网络设备的整体开销。当列车

20、速度较高时，自动开启 AFC 算法，补偿由于列车移动速度快而导致的多普勒偏移，优化和提高网络性能。小区合并技术解决频繁切换问题提高铁路专网系统中的小区间切换的可靠性，可将小区的覆盖范围进一步增大，从 而减少切换的次数。为了扩大小区覆盖范围，可以采用宽波瓣天线，扩大覆盖范围， 同时抑制覆盖边缘天线增益的快速下降，严格控制切换区域，保证切换区域的切换 时间满足最少两次切换。利用基带合并技术减少切换频率，将不同发射小区合并到 一个小区内，过程示意如图 2 所示。在下行方向还是上行方向，基站的多站点同频分集发射和多路接收，将增强下行信号的接收效果和提高上行抗干扰能力和接收灵敏度。图 2 小区合并示例使

21、用车载 CPE 解决穿透损耗大问题车载 CPE 可以放置于列车车箱内，其天线置于列车车顶，用于与 eNodeB 间的无线通信。同时 CPE 在车厢内形成无线覆盖，车内终端通过 CPE 与基站通信，避免了车体的穿透损耗，提高了接收机性能。结语鉴于 3G 技术使用的频点太高，不满足铁路部门经济、实惠地实现网络在广泛地域内的覆盖目标10，而且在语音业务上 3G 技术与 2G 技术并没有本质区别等诸多因素，国际铁路联盟(UIC)明确表示 3G 技术不适用于铁路。因此，未来 GSM R 不会过渡到 3G，而是直接过渡到“准 4G”的 LTER 技术，由此铁路部门就更灵活地应对内部及外部的通信需求，为未来

22、的运营发展做好准备。国际铁路联盟认为，已安装的 GSMR 系统可以强化其应用，同时铁路部门也应大胆创新，向 LTER 演进是 GSMR 发展的必然趋势11。LTE 能够提供简单、高效、低时延、低造价的网络，同时可以提供安全的话音和数据业务。另外， LTE 基于全 IP 的网络架构，允许电信运营商和铁路运营商共同开发统一的车地通信系统，并重用已部署的站点和设备，节省投资成本。在 GSMR 向 LTER 平滑迁移时，铁路部门需要注意以下几点，例如，尽可能保护目前 GSMR 的投资， 实现站点共享;跨两个域的移动性与漫游需要透明;保证 2G、LTE 业务质量的一致性， 提高 QoS 等。铁路 LTE 无线专网解决方案真正实现了有线和无线的综合业务，满足铁路企业多样的通信需求，既可以快速地为铁路搭建一套内部无线通信系统，也可以将铁路原有的 PBX 分机无