LTE與有線調度通信系統互聯互通的研究與實現

龔驍猷

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

近年來，隨著高鐵大力發展，GSM-R無線通信系統的瓶頸開始逐漸凸顯，主要體現在：1）容量受限：只有4 MHz頻譜，帶寬小，所承載的業務量少，在大型車站、編組站、大型樞紐等地區資源緊張；2）傳輸速率低，無法提供圖像、視頻等多媒體數據業務；3）干擾嚴重，與民用GSM系統頻段相近，容易受到民用移動通信系統的干擾，降低鐵路運輸的效率。

LTE作為公網的成熟技術，具有大帶寬、低時延、高速率等眾多優點，因此中國國家鐵路集團有限公司也將LTE作為下一代鐵路無線通信系統的發展方向之一，并在多條客專項目中進行相關實驗。但目前為止，在國鐵領域還未有以LTE作為無線承載網的鐵路開通運營。

為驗證LTE作為鐵路無線通信系統的可行性，本文給出LTE系統與有線調度通信系統互聯互通的實施方案，并以靖神鐵路為試驗平臺，在靖神鐵路沿線搭建LTE系統測試環境，對鐵路場景下兩個系統之間的互聯互通進行驗證，得出最終結論。

2 LTE系統與有線調度通信系統互聯互通實現方案

2.1 互聯互通必要性

鐵路調度通信系統是用來指揮列車運行，保證鐵路運輸安全的重要通信系統，是列車司機、沿線維護人員與調度員、車站值班員之間直接溝通的唯一途徑。為實現上述功能，調度通信系統需采用有線+無線相結合的方式進行組網。

2.2 互聯互通實施方案

2.2.1 靖神鐵路工程概況

1）線路概況

靖神鐵路位于陜西省榆林市境內，途經榆陽區、橫山縣和靖邊縣。孟家灣（不含）至黃蒿界（不含）段為單線鐵路，線路長度為141.089 km；黃蒿界（含）至靖邊北（不含）段，為雙線鐵路，線路長度17.019 km。新建小紀汗北、大海則、巴拉素、紅石橋、橫山、古水、趙石畔、響水塘、黃篙界共9個車站，新建白城河線路所1座，新建榆林調度所1座。

2）行政區劃和調度區劃

陜西靖神鐵路有限責任公司負責靖神鐵路實施階段的建設工作以及開通后的運輸生產、調度和保養工作。

靖神鐵路在榆林調度所設置靖神調度臺（列調臺、助調臺、電調臺、貨調臺等）。全線均納入靖神調度臺統一指揮和管理。

3）通信系統概況

靖神鐵路全線設置傳輸系統、數據網系統、多媒體調度通信系統、無線列調系統，各機房設置-48V高頻開關電源設備以及閥控式密封鉛酸蓄電池組，沿線敷設2條48芯單模阻燃光纜。

2.2.2 LTE制式選擇

LTE分為TDD和FDD兩種雙工模式，目前已演進至R13版本。根據《工業和信息化部關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》（工信部無[2015]65號），在該頻段上，可分配給鐵路、城市軌道交通使用的頻率資源最多為20 MHz。

主流廠家在1 800 MHz頻段上生產的設備均為TDD-LTE制式，因此本文選用基于1 800 MHz頻段的TDD-LTE系統作為此次試驗的無線通信系統。

2.2.3 組網方案

1）LTE組網方案

a.系統組成

LTE網絡由核心網（EPC）、基站（eNodeB）、網絡管理系統（OMC）和終端設備等組成。

核心網包括移動性管理設備（MME）、服務網關（SGW）、PDN網關（PGW）等。核心網負責完成移動終端用戶的接入控制、位置管理、會話管理、路由選擇以及小區切換等功能。

基站（eNodeB）由基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）組成。BBU通過光纖連接RRU，并控制、管理RRU；RRU主要負責射頻信號發射，實現無線信號覆蓋。

網管系統包括OMC-R和OMC-EPC，OMC-R負責對基站（eNodeB）設備進行管理，OMC-EPC負責對核心網設備進行管理。

移動終端主要為手持臺，用于實現移動用戶與移動用戶之間、移動用戶與固定用戶之間的語音和數據通信業務。

b.設備設置情況

本次試驗在靖神鐵路聯調聯試期間進行，在榆林調度所通信機房搭建LTE核心網（EPC）、網管、交換機等設備，并選擇在巴拉素站—白城河線路所區段（8.435 km）搭建基站（eNodeB）子系統，在巴拉素站通信機房搭建BBU一套，RRU一套；在區間兩處無線列調直放站機房搭建RRU各一套，3套RRU之間平均間距2.8 km。

BBU通過傳輸系統通道與核心網EPC互聯，通過區間48芯光纜與RRU互聯，BBU與RRU采用星型連接方式，每個RRU通過2芯光纖與BBU連接。

BBU利用車站通信機房-48V高頻開關電源進行供電，RRU利用無線列調機房UPS進行供電。

2）有線調度通信組網方案

利用靖神鐵路設置的多媒體調度通信系統，即利用榆林調度所設置的多媒體調度所調度交換機、調度臺，利用巴拉素站多媒體車站調度交換機、車站值班臺。

3）互聯互通組網方案

為實現集群語音調度功能，此次試驗在榆林調度所搭建集群語音服務器1套，集群語音服務器通過SGi接口與LTE核心網互聯，通過SIP-R與多媒體調度所調度交換機互聯，具體互聯方案如圖1所示。

圖1 LTE與有線調度通信系統組網方案Fig.1 Networking solution of LTE and wired dispatching communication system

3 試驗過程

3.1 測試系統組成

試驗測試系統由SUV汽車、筆記本電腦（含路測軟件、分析軟件）、測試終端、車頂天線、手持臺組成，如圖2所示。汽車從巴拉素站出發，向白城河線路所方向前進，到達線路所后沿原路返回巴拉素站，如此往復測試。

圖2 測試系統構成Fig.2 Configuration of the test system

3.2 測試對照依據

試驗過程中對各項數據指標進行記錄，同時對調度語音業務服務質量進行統計。測試內容除了統計覆蓋指標以外，其余內容參照GSM-R系統的各項指標，具體如表1所示。

表1 語音業務和非列控業務類電路交換數據業務服務質量要求Tab.1 Requirements of quality of circuit switched data for voice services and non-train-control services

3.3 測試數據

3.3.1 LTE網絡覆蓋指標統計

總 體RSRP大 于-105 dBm的 占 比 達 到99.99%，總 體SINR大 于0 dBm的 占 比 達 到99.61%。測試結果如圖3、4所示。

3.3.2 調度語音業務服務質量統計

1）功能驗證

在網絡加載真實背景業務條件下，LTE手持臺和調度臺、車站值班的基本功能均正常實現，主要包括：

a.個別呼叫：移動用戶呼叫移動用戶、移動用戶呼叫固定用戶、固定用戶呼叫移動用戶；

b.210組呼、299組呼。

2）服務質量統計結果

a.MS-FT呼叫建立時間和成功率如表2所示。

表2 MS-FT呼叫建立時間和成功率統計表Tab.2 Statistics on MS-FT call establishment time and success rates

b.MS-MS呼叫建立時間和成功率如表3所示。

表3 MS-MS呼叫建立時間和成功率統計表Tab.3 Statistics on MS-MS call establishment time and success rates

c.組呼及緊急呼叫建立時間和成功率如表4所示。

表4 210組呼和299組呼建立時間和成功率統計表Tab.4 Statistics on call establishment time and success rates of 210 and 299 group call services

d.手持臺語音質量測試結果：（MOS=3.14）如圖5所示。

3.3.3 與GSM-R系統的對照

經過大量實驗以后，本文對所有記錄數據進行分析和總結，最終形成LTE系統與GSM-R系統的對照如表5所示。

圖4 總體SINR統計圖Fig.4 Overall SINR statistics

圖5 語音質量統計圖Fig.5 Statistics chart of voice quality

表5 LTE調度語音與GSM-R調度語音對照表Tab.5 Comparison between LTE and GSM-R dispatching voice services

4 結論

本文借助靖神鐵路搭建LTE系統與有線調度通信互聯互通的測試環境，經過現場多次測試，驗證了LTE系統與調度交換機互聯互通的可行性，實現了有線與無線相結合的調度通信方式，并為今后的鐵路通信系統設計、工程建設、產品研發提供了相應依據。

根據上述試驗結果表明，LTE系統各項指標均滿足GSM-R系統的相關數值，并且網絡注冊時延、最大端到端時延、平均端到端時延、越區切換中斷時間、越區切換成功率等數值均優于GSM-R系統，因此可以得出LTE系統的網絡性能高于GSM-R系統，是下一代鐵路無線通信系統的發展方向。