徐連高鐵LTE-R網絡架構設計

陳仁霞

（中鐵四局集團電氣化工程有限公司，安徽 蚌埠 233040）

0 引 言

徐連高鐵對移動無線網絡進行技術更新，將鐵路綜合專用數字移動通信系統（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）系統改造為鐵路長期演進（Long Term Evolution-Railway，LTE-R）系統，能夠提高鐵路移動通信無線數據傳輸能力。通過對無線網絡進行更新改造，設計符合鐵路運輸使用的LTE-R網絡，推進鐵路朝著智能化方向發展[1]。

1 LTE-R通信系統

LTE-R通信系統基于第4代移動通信系統技術標準，采用扁平化結構。在無線接入方面，與演進的通用陸基無線接入網（evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network，e-UTRAN）和 UMTS陸地無線 接 入 網（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN）相比，LTE-R無線接入去掉了無線網絡控制器（Radio Network Controller，RNC），僅由演進型 NodeB（evolved NodeB，eNodeB）構成[2]。隨著LTE-R的網元進一步減少，網絡進一步扁平化，使得無線接入網中不同協議層的交互更加緊密，通過減少中間數據傳輸節點的開銷來減少演示和提高效率，從而減少接口的類型。該系統網絡架構簡單，易于大規模部署，便于網絡安全維護。

2 徐連高鐵LTE-R鐵路無線通信網絡設計

通過對既有的徐連高鐵GSM-R網絡進行分析，其存在許多問題。一是GSM-R網絡架構冗余，安全穩定性較低。徐連高鐵GSM-R系統存在主業務信道（Main Service Channel，MSC）、基站控制器（Base Station Controller，BSC）以及基站收發臺（Base Station Transceiver，BTS）3層網絡結構，物理硬件之間存在多處接口，數據傳輸效率較低。二是存在無線網絡干擾，制約鐵路列車組織高效運轉。徐連高鐵運行時速為350 km/h，在列車行駛過程中會發生多普勒頻移現象，干擾問題得不到徹底解決，無線網絡優化能力較弱[3]。三是鐵路業務帶寬無提升空間，無法滿足高速鐵路視頻業務傳輸需求。受技術原因的限制，視頻業務無法在現有GSM-R無線通信系統中傳輸。基于此，將GSM-R系統改造為LTE-R系統，提高移動通信無線數據傳輸能力[4]。

2.1 LTE-R組網

設計采購施工（Engineering Procurement Construction，EPC）由移動管理實體（Mobility Management Entity，MME）、服務網關（Serving-GateWay，S-GW）、PDN網 關（PDN GateWay，P-GW）、多媒體廣播服務網關（MBMS GateWay，MBMS-GW）、廣播多播業務中心（Broadcast-Multicast Service Centre，BM-SC）、路由器以及基于3GPP Release 13版本的關鍵任務一鍵通（Mission Critical Push to Talk，MCPTT）服務器等組成，如圖1所示。

根據業務需求，LTE核心網設置歸屬用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）、S-GW、PGW、MBMS-GW、BM-SC、多播協調實體（Multicel Coordination Entity，MCE）以及路由器等網元。從技術角度來看，各核心網網元均可采用集中設置或分散設置的組網方式。從運營角度與全程全網規劃角度來看，網元具體的設置方式需要考慮合理性、經濟性，根據網元的特點、運營管理體制以及維護管理等因素合理制定[5]。同時基于核心網網元的重要性，故障后影響的范圍較大，在網元設置方面還要考慮冗余性、容災性等因素。結合徐連LTE-R特點，多套互聯可采用HSS進行連接，實現業務模擬交互。

2.2 LTE-R技術制式

根據鐵路對LTE-R系統頻率初步規劃要求，結合既有GSM-R使用的頻率，按照LTE-R技術規范標準和國內已建設完成的朔黃重載鐵路和京沈客專綜合試驗段的使用情況，新建徐連高鐵LTE-R系統采用基于3GPP R13版本的分時長期演進（Long Term Evdution-Time Division Duplex，LTE-TDD）技術制式。與此同時，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版本的寬帶集群標準，高效實現調度通信業務。徐連高鐵列車雙線對開，每列車由2套機車終端設備組成。

2.3 LTE-R網絡覆蓋

徐連高鐵地處平原地區，采用傳統鐵塔上安裝天線的方式對基站小區進行場強覆蓋。根據天線輻射的半徑范圍，通過結合徐連高速鐵路的現有運行速度和列車運行間隔，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，鐵塔的高度將增加到40 m或45 m。由于當前的鐵路覆蓋設計要求邊緣覆蓋概率達到95%，因此在要求上游和下游邊緣速率為1 Mb/s的條件下，小區覆蓋被限制為上行鏈路。

2.4 LTE-R承載網

對于LTE-R承載網中基于同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的多業務傳送平臺（Multi-Service Transfer Platform，MSTP），每一種業務都有其固定信道和預留固定帶寬，而不是和其他應用共享信道，物理層面的隔離決定了MSTP技術主要用于承載高等級的通信業務。在車站設備骨干層和匯聚層構建徐連傳輸環網，車站和車站之間的接入層采用SDH組建接入層傳輸系統。增強型MSTP通過兼容SDH、以太網、異步傳輸（Asynchronous Transfer Mode，ATM）等業務，形成綜合傳送體系。增強型MSTP融合了時分復用和以太網的優點，采用雙平面傳送模式，SDH、PDH等業務通過傳統時分復用平面進行傳送，以太網、ATM等分組業務通過分組平面進行傳送，這些特點使得增強型MSTP能夠很好地滿足專網通信系統的需求。在時鐘同步方面，增強型MSTP既支持傳統的G.813頻率同步，也支持IEEE1588v2高精度時間同步，同時能靈活匹配不同的網絡同步制式，從而滿足LTE-R系統對高精度時間同步的要求。

采用分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）及增強型MSTP結合的方案時，需要驗證分組環境下承載網與無線側服務質量（Qudity of Service，QoS）的匹配性，協調廠家提供測試設備，對外部資源尤其是光纜纖芯占用較多。而利用既有傳輸系統提供專用通道組網，對外部資源（如光纜、電源、機房空間）占用小，但是存在占用本線MSTP系統傳輸資源、正線聯調聯試交叉進行干擾較大等問題。與此同時，既有MSTP系統不支持1588V2信號的地面傳送，也無法進行分組承載環境下的指標驗證。綜合考慮各種因素，本次采用PTN與增強型MSTP結合作為LTE-R系統的承載網。

2.5 方案分析

采用LTE-R技術架構對徐連高鐵既有GSM-R系統進行更新改造設計，主要有以下優點。一是GSM-R采用高斯濾波最小移頻鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）調制方式和時分多址，數據傳輸速率較低。而LTE-R基于LTE技術，上行和下行傳輸峰值速率能夠達到50 Mb/s和100 Mb/s，傳輸時延小。徐連高鐵設計改造方案按照LTE-R技術實施，能夠提高整條鐵路運輸通信傳輸帶寬，較好地滿足業務需求，更低的傳輸延時可為鐵路各類行車業務提供保障。二是LTE-R系統網絡采用扁平化的IP網絡結構，降低了無線系統網絡部署的難度，同時也為維護帶來方便。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）組網接入，現場維護和組網更靈活。此外，采用冗余組網方式，能夠確保網絡的穩定。通過拉遠RRU，降低特殊地段的施工難度和維護難度。

3 徐連高鐵LTE-R網絡可靠性保障措施

為了確保LTE-R系統的安全性，需要提高設備的運行可靠性。在系統中配置冗余設備，搭建雙套系統或者雙套設備。采用設備雙機熱備方式能夠解決LTE-R系統中單一設備失效造成的系統故障，避免因1套eNodeB設備故障造成小區無信號覆蓋，致使行車數據無法發送，引起列車減速或無法運行。在LTE-R無線移動通信系統中，無線寬帶的中繼系統分為應用層、網絡層、用戶層。由于無線寬帶的中繼系統保密性高且網絡流量大、不易阻塞，因此適用于移動鐵路LTE-R通信系統。

對于高速行駛的列車，根據列車當前信息計算出當前小區的預承載點，提前進行小區的測量、目標小區判定和信令交互，通過節省切換時間達到縮短時延的目的。LTE-R越區切換算法流程如圖2所示。

4 結 論

通過分析我國高鐵GSM-R系統使用的現狀，從鐵路高鐵業務應用需求出發，基于LTE-R技術改進鐵路無線網絡架構，提高其可靠性。為了促進徐連高鐵朝著智能化方向發展，需要對網絡帶寬容量進行核算，確保鐵路運輸業務安全使用。