地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)TD-LTE無線接入設(shè)計(jì)

金 鵬 孫慶文 馮志軍 賈榮光 劉瑞峰（中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局）

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地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)TD-LTE無線接入設(shè)計(jì)

金 鵬 孫慶文 馮志軍 賈榮光 劉瑞峰
（中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局）

摘要基于中國(guó)移動(dòng)TD-LTE（4G）無線技術(shù)，設(shè)計(jì)山東省地震局高速無線地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并在地震應(yīng)急救援綜合演練中得到檢驗(yàn)，通信效果理想。TD-LTE無線組網(wǎng)技術(shù)，能夠?yàn)榈卣鹁仍ぷ魈峁┯行У耐ㄓ嵄Ｕ希岣叩卣鹁仍剑訌?qiáng)地震災(zāi)害防御能力，減輕地震災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞TD-LTE；4G無線組網(wǎng)；地震應(yīng)急；地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

0 引言

2010年，山東省地震局著手研發(fā)基于3G無線信道的地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并于同年在山東省進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性部署（金鵬，2011）。目前，山東省境內(nèi)已完成69個(gè)3G臺(tái)站，17套流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)和28套3G單兵設(shè)備部署，3G無線組網(wǎng)系統(tǒng)在地震應(yīng)急工作中發(fā)揮著顯著作用。隨著地震應(yīng)急工作的不斷發(fā)展，視頻、語音等信息在現(xiàn)場(chǎng)指揮和地震應(yīng)急救援工作中的需求度越來越高，3G系統(tǒng)通信帶寬不足問題隨之凸顯出來。2014年，4G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)布和商用提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 TD-LTE技術(shù)

TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)（王方金，2015；李小文，2015），也被稱為4G，是以正交頻分復(fù)用（OFDM）為核心的第4代移動(dòng)通信技術(shù)（張學(xué)義，2014；冉俐，2014）。OFDM技術(shù)特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以為無線數(shù)據(jù)通信提供更高性能及更好服務(wù)。

對(duì)比移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，第1代模擬式僅提供語音服務(wù)；第2代數(shù)位式移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸速率僅為9.6 kbps，最高32 kbps；第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2 Mbps；而第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸速率則可以達(dá)到20 Mbps，最高100 Mbps，是3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的10—50倍。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

山東省地震局4G無線地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于中國(guó)移動(dòng)4G VPN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。在中國(guó)移動(dòng)提供的VPN信道內(nèi)建立多條GRE隧道承載地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，見圖1。

圖1　山東省地震局4G無線地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.1 The 4G network system of earthquake industry in Earthquake Administration of Shandong Province

2.1 無線節(jié)點(diǎn)

在4G無線組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)端，采用華為AR1220路由器+華為AR-1LTE-L-S板卡，板卡內(nèi)配置中國(guó)移動(dòng)4G USIM卡，見圖2。

路由器Cellular端口配置移動(dòng)4G無線撥號(hào)程序，通過SAE-GW驗(yàn)證后，獲得與USIM卡綁定的私有IP地址，該地址作為與區(qū)域中心邊界路由器建立隧道的源地址，隧道目的地址為區(qū)域中心邊界路由器接口地址，節(jié)點(diǎn)端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)被封裝在已建立的GRE隧道內(nèi)傳輸。

圖2　華為1220路由器Fig.2 Huawei 1220 router

Cellular端口撥號(hào)程序如下

interface Cellular1/0/0

dialer enable-circular

dialer-group 1

apn-profile ******.jn.sd

dialer timer autodial 10

dialer number *99# autodial

ip address negotiate

GRE隧道配置如下

interface Tunnel0/0/0

ip address 10.37.*.* 255.255.255.252

tunnel-protocol gre

source Cellular1/0/0

destination *.*.*.*

2.2 中國(guó)移動(dòng)4G VPN網(wǎng)絡(luò)

中國(guó)移動(dòng)4G VPN網(wǎng)絡(luò)采用PTN傳輸，主要包括SAE-GW系統(tǒng)、移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)和用戶側(cè)接入設(shè)備。

SAE-GW（System Architecture Evolution GateWay）是4G系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)網(wǎng)關(guān)，定義了全I(xiàn)P的分組核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core），僅有分組域而無電路域，基于全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)，控制與承載分離，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，主要包含MME、SGW、PGW、PCRF等網(wǎng)元（胡鍵，2014）。

用戶側(cè)接入設(shè)備采用華為PTN910分組傳送設(shè)備和思科2901路由器。光纖接入山東省地震局核心機(jī)房，采用雙鏈路冗余模式，保證網(wǎng)絡(luò)安全與穩(wěn)定，見圖3。

2.3 區(qū)域中心邊界路由器

山東省地震局4G無線地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的區(qū)域中心邊界路由器采用思科2901路由器，使用千兆以太電口與中國(guó)移動(dòng)邊界路由器互聯(lián)，并將該端口作為與無線節(jié)點(diǎn)建立隧道的源地址，GRE隧道的目的地址為各無線節(jié)點(diǎn)端USIM卡獲取的IP地址（Wei Luo，2006；Richard Deal，2007）。區(qū)域中心邊界路由器GRE隧道配置如下

interface Tunnel0

ip address 10.37.*.* 255.255.255.252

tunnel source GigabitEthernet0/0

tunnel destination 10.37.*.*

圖3　中國(guó)移動(dòng)4G VPN網(wǎng)絡(luò)Fig.3 China Mobile 4G VPN network

3 技術(shù)難點(diǎn)

在4G無線組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)過程中，遇到的主要技術(shù)難點(diǎn)為系統(tǒng)兼容性和IP地址規(guī)劃問題。

3.1 系統(tǒng)兼容性

節(jié)點(diǎn)設(shè)備選擇華為AR1220路由器+華為AR-1LTE-L-S板卡，實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)此套設(shè)備無法正確識(shí)別中國(guó)移動(dòng)4G USIM卡，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，將路由器IOS版本升級(jí)為V200R006C10，路由器正常工作。

3.2 IP地址規(guī)劃

合理的IP地址規(guī)劃，能夠節(jié)約有限的IP地址資源，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)與中國(guó)移動(dòng)山東省分公司的網(wǎng)絡(luò)工程師協(xié)商，在“移動(dòng)”4G VPN地址池中為山東省地震局預(yù)留3個(gè)C的10.37.*.*地址，此IP地址規(guī)劃在配置4G單兵設(shè)備時(shí)更加方便。

4 實(shí)際應(yīng)用

在濰坊昌邑市濰北靶場(chǎng)進(jìn)行山東省2015年地震應(yīng)急救援綜合演練中，首次使用了4G無線組網(wǎng)系統(tǒng)，圖4為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮車中使用4G無線組網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)指揮大屏照片。4G設(shè)備Cellular端口信息代碼如下

＜Huawei＞display Cellular 1/0/0 all

//顯示信息部分省略

Current Network Connection = LTE(LTE)

Mobile Country Code (MCC) = 460

Mobile Network Code (MNC) = 00

Mobile Operator Information = CHINA MOBILE

圖4　山東省2015年地震應(yīng)急救援綜合演練Fig.4 Earthquake emergency rescue comprehensive exercise in Shandong Province, 2015

//顯示信息部分省略

Current RSSI = -53 dBm

Current RSRP = -79 dBm

Current RSRQ = -4 dB

Current SINR ＞= 30 dB (good)

此次演練過程中通信系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定，傳輸?shù)囊曨l會(huì)議圖像清晰、語音流暢。

5 結(jié)束語

TD-LTE（4G）作為一種最新的無線接入手段，已經(jīng)在實(shí)際使用中展現(xiàn)出其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。4G無線組網(wǎng)系統(tǒng)，能夠有效的保障地震救援過程中的數(shù)據(jù)、語音、視頻信息高速、穩(wěn)定的傳輸，對(duì)于提高地震救援水平，保護(hù)人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)安全，加強(qiáng)地震災(zāi)害防御能力，減輕地震災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，保障社會(huì)穩(wěn)定具有積極作用。

參考文獻(xiàn)

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金鵬，孫慶文，張琴. 淺析3G技術(shù)在地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2011，32（2）：112-115.

李小文，李陽，韓娜娜. TD-LTE系統(tǒng)安全性的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2015，36（2）：45-52.

冉俐，吳舟，田桂平. OFDM——第四代移動(dòng)通信核心技術(shù)分析[J].消費(fèi)電子，2014：88-89.

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張學(xué)義. OFDM技術(shù)原理與應(yīng)用分析[J].信息通信，2014，135（3）：219-220.

Richard Deal，姚軍玲. Cisco VPN完全配置指南[M]. 北京：人民郵電出版社，2007.

Wei Luo，Carlos Pignataro. 第二層VPN體系結(jié)構(gòu)[M].北京：人民郵電出版社，2006.

Seismic network design based on TD-LTE wireless access

Jin Peng，Sun Qingwen，F(xiàn)eng Zhijun，Jia Rongguang and Liu Ruifeng
(Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，China)

Abstract

Based on TD-LTE wireless technology of China Mobile (4G)， the high-speed wireless access network for Earthquake Administration of Shandong Province is designed. The communication effect has been tested in the emergency rescue comprehensive drill. TD-LTE wireless networking technology can provide communication security for earthquake relief work effectively， and improve the level of earthquake relief， and strengthen earthquake disaster defense capability， and mitigate casualties and economic losses caused by earthquake disaster.

Key words:TD-LTE，4G wireless network，earthquake emergency，earthquake industry network，network design

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 028

基金項(xiàng)目：2015年度山東省地震局合同制科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：15Y95）

作者簡(jiǎn)介：金鵬（1977—），男，山東濟(jì)南人，工程師，碩士研究生，主要從事地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)工作

本文收到日期：2015-07-09