朔黄铁路LTE配套传输网络技术探讨

曹彦平

朔黄铁路采用先进的LTE技术建设宽带移动通信系统，开创了我国重载铁路使用LTE技术的先河。而LTE宽带移动通信系统需要高质量的传输网络，其高可靠、高安全、易扩展性能是整个通信系统稳定运行的保障。

1 传输网络建设需求

1.高质量承载LTE网络。传输网络需要承载LTE业务，即负责LTE系统的eNodeB与核心网EPC间的通信，将BBU处的业务汇聚到LTE核心网。LTE无线接入采用负载分担、共站址A、B网方式实现网络冗余，在同一站址设置2套独立基站，分别接入不同核心网EPC。为保证LTE业务的安全可靠，传输网络需要分别承载A、B网的业务。LTE业务中包括像机车无线重联、可控列尾业务等实时安全数据信息业务，因此传输网络需要具备低时延、高安全的传输性能，还需要具备全方位的保护能力，无论是链路故障、硬件故障、软件故障，网络都能够实时触发保护倒换，保证网络的可靠性和业务的生存性。

2.多业务统一接入和承载。传输网络除了承载LTE业务，还要承载电力SCADA、电源及环境监控等业务，并预留防灾、视频监控等业务。针对不同业务类型，传输设备需要提供STM-1/4/16，E1，FE，GE等不同类型的接口，实现多业务的统一接入和统一承载。

3.网络易于管理和运维。全网由数十个站点组成，运维人员能够通过网管系统统一管理各站点。运维人员应能通过网管系统提供的视图查看业务配置情况，选中任何一条业务即可逐级展开，查看各节点的交叉配置情况，通过信号流图界面可以看到任何一条业务所经过的节点、单板以及端口的信息，还可以创建或删除光纤连接、配置单板、查询告警统计信息等。

4.设备环境适应性强。恶劣、多变的地理和气象条件对设备的环境适应性提出了较高要求，设备必须能在极端的环境条件下长期稳定工作。

5.适应未来业务发展的需求。朔黄铁路运力的不断增强，对传输系统容量的要求也会相应提高。系统扩容应不需要更换已有的设备，只需在设备上增加或替换单板、升级软件即可。另外，系统扩容需在不中断业务的情况下进行，避免因扩容导致网络短时不可用而造成的经济损失。随着视频监控、会议电视等数据业务的接入和发展，会对传输系统提出更高的带宽需求。对于此类带宽需求大的数据业务，应能采用分组平面承载，以便对其进行灵活的统计复用，实现带宽收敛，提升承载效率。

6.提供IEEE 1588v2时间同步。LTE系统对网络同步的精度要求较高，只有GPS和1588v2能够满足要求。与GPS相比，全网采用1588v2技术可以使投资更低，并可作为GPS失效时的同步保护方案。传输设备应能够提供IEEE 1588v2时间同步技术，将时间信息在网络中层层传递，最终传递到LTE无线基站等需要精确时间的设备，满足LTE系统对网络同步的高精度要求。

2 承载平台MSTP

2.1 技术选型

朔黄LTE-R试验段之初，为确保LTE业务实现端到端稳定传送，就当前业内主流技术MSTP及运营商近年部署的分组传送网PTN、IP RAN技术进行技术论证。由于在承载重要列控信号方面，PTN与IP RAN都没有类似的业绩案例，而且IP RAN技术商用时间较短，故主要对MSTP与PTN 2种技术进行比选，以适合朔黄铁路LTE业务承载。

MSTP技术诞生得比PTN早，在对IP业务承载方面，PTN的统计复用能够提高传输承载能力。从组网技术到现网应用而言，MSTP与PTN在运营商的应用比较广泛，PTN在统计复用方面的能力使网络具有较高的收敛比，提升了整体能力。本次朔黄引入LTE无线新技术，对配套传输方案做了专题论证，经全面考虑朔黄铁路LTE配套传输网络选择基于MSTP技术进行建设。

多业务传输平台MSTP(Multi-Service Transfer Platform)，在SDH的基础上实现TDM、ATM、以太网等多种业务的接入、处理和传送，并能够提供统一的网络管理和维护。MSTP是面向连接的，采用电路时隙交换技术，业务之间相互物理隔离，能够保证传统SDH/PDH业务的安全可靠传输，也能保证IP业务的高质量传输。

MSTP技术体系支持 G.703，G.707，G.831，G.813等ITU-T相关标准，支持链形、环形、星形等多种组网模式，可采用子网连接保护 (SNCP)、复用段保护 (MSP)等多种网络保护方式。

基于传统SDH/MSTP/OTN/WDM技术的市场仍然在增长，但随着分组技术和网络的迅速发展，分组PTN技术承载专线方案的可行性也在增加。

2.2 专线网络

由于朔黄LTE项目承载铁路电力SCADA等重要列控业务，关注的是网络的安全性和保护可靠性，并不是收敛比，类似于运营商提供的重要大客户专线业务。对此，针对类似的专线模型展开调研论证。常见的专线网络技术可进一步细分为硬管道、弹性管道和非管道。

朔黄铁路是一条重载铁路，LTE-R系统作为本条铁路运行业务的综合通信平台，需满足包括多机车同步操控数据业务、可控列尾业务、语音调度业务、视频监控等四大类业务的传输需求。这四类都是带宽专用、对链路要求物理隔离的业务，对系统提出2方面要求:①对安全业务的实时性、可靠性负责;②满足重载铁路多业务车-地通信承载需求。

物理隔离、高可靠性、完善的保护机制使得硬管道专线成为铁路行业网络设备最优选择。朔黄铁路行业的实际建网需要对所有部件进行冗余，包括接口、设备、控制系统，不同系统的专线必须专用，避免铁路运营中各个系统的相互影响，最大程度地保证安全性。当前只有基于SDH硬管道设备才能提供完善的设备级、网络级保护，不同业务间做到严格的物理隔离，而且保护倒换时间均小于50 ms。而基于IP/MPLS的弹性管道网络缺乏完善的保护机制，只能提供逻辑隔离，支持200 ms的快速重路由能力，很难达到50 ms。

3 时间同步

LTE存在FDD LTE和TDD LTE(即TD-LTE)2种制式，FDD需要使用上下行对称频率，频率之间需要“间隔”保护。TDD发送和接收信号在同一频率信道的不同时隙中进行，不需要对称的频率，在进行不对称的数据传输时，可充分利用有限的频谱资源，因此TDD存在不对称组网的优势。

TD-LTE为中国自有知识产权的LTE国际标准，受到工信部在内的国家通信主管部门的大力扶持。在该背景下，产业链各环节均在积极投入TD-LTE技术的研发。截至目前，国内各行业 (电力、民航、能源、交通等)均选用了TD-LTE作为其无线移动业务的承载平台。朔黄铁路选择了TD-LTE，这个选择带来以往铁路GSM-R技术不一样的挑战，就是更高的时钟精度要求。

3.1 时钟同步要求

以GSM/WCDMA为代表的欧洲标准采用的是FDD制式，只需要频率同步，精度要求0.05 ppm(或者 50ppb)。而以 TD-SCDMA/CDMA2000/LTE为代表的TDD制式，需要频率同步和时间同步。无线基站之间在软切换时，如果基站管理器(RNC)和基站 (NodeB)没有时间同步，可能导致在选择器中发生指令不匹配，从而使通话连接不能建立起来。时间和频率的偏差还会影响移动台在基站间切换的成功率。因此，时间同步是LTE通信网络必然的选择。

3.2 选择IEEE1588V2协议

IEEE 1588V2是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议，用于精确同步分布式网络通信中各个节点的时钟。其基本构思为通过硬件和软件将网络设备 (客户机)的内时钟与主控机的主时钟实现同步。1588V2最初应用在工业自动化领域，提高仪器和测量的准确度。后被引入网络通信领域，用于满足LTE等通信设备间高精度的时间同步需求。

传统的时间同步链路采用NTP传送方式实现，该协议的最大缺点是只能满足ms级别的时间传递精度，这对于无线时间同步基站所需的μs级时间精度是远远不够的。而在基站侧，目前采用GPS解决频率和时间同步问题。但是采用GPS进行时间同步在朔黄铁路工程中存在诸多问题:安装选址难;维护困难，GPS系统故障率高，超过了1%，出现故障时需要上站维护;馈线铺设困难，馈线较长时需要加装放大器并考虑馈电;安全隐患高，这种方法依赖于美国GPS系统，紧急情况下整网可能因失步而瘫痪，且GPS系统目前存在失效的可能;成本高，每一个LTE基站均需要配置一套GPS系统，安装、维护成本更高。针对无线时间同步基站高精度时间的需求以及现有GPS解决方案的种种弊端，朔黄铁路需要有一种高精度的地面传送时间同步方案。

典型的1588v2同步传送方案中时间源通过GPS/北斗/GLONASS等多种方式注入，承载设备通过1588v2协议传送时间信息，基站可通过1588v2或1pps+TOD接口从承载设备获取时间信息，达到与时间源同步，精度可达到ns级，完全能够满足LTE无线基站的要求。1588V2通过记录主从设备之间事件报文交换时产生的时间戳，计算出主从设备之间的平均路径延迟和时间偏差，实现主从设备之间的时间同步。

基于1588V2精确时间传送协议的优点:空间本地化，应用于支持多播消息的局域网 (包括但不限于以太网)通信;高同步精度，ns级别;免管理;协议完善的状态机和管理消息，减少人工干预;低成本，网络资源和处理器计算资源需求最小，可实现低成本应用，符合网络转型趋势IP网络-承载未来的融合网络。

4 传输承载模型

针对传输网络建设需求，以及对传输容量的估计，朔黄铁路采用MSTP技术构建LTE配套传输承载网络。铁路宽带移动通信系统采用TD-LTE建设，并且设计成网络冗余组网方式。

与LTE配套的传输网络采用骨干汇聚层和接入层二层结构，传输网络全程采用1588V2，保证LTE同步信息的可靠传输。在沿线车站及车站之间的BBU节点处分别设置STM-16 MSTP设备，将车站BBU和区间BBU连接成2个2.5 Gb/s的二纤环，分别承载LTE A、B网业务，并通过车站BBU处的STM-16 MSTP设备将业务汇聚到车站STM-64 MSTP设备，最终传送至中心机房。2.5Gb/s环采用SNCP的保护方式，并预留升级为10 Gb/s的条件。在区间RRU处分别设置STM-1 MSTP设备，将BBU节点与其归属的区间RRU节点间组成容量为155 Mb/s的二纤环，采用SNCP的保护方式，并预留升级为622 Mb/s的条件。

该组网方案既能够满足LTE铁路宽带移动通信系统现在及预留业务传输的需求，又不盲目追求超高规格而导致投资浪费。

5 结束语

朔黄铁路LTE宽带移动通信系统是国内外首次将4G无线网络技术应用于重载铁路行业的重大技术创新;在传输网络的技术选择上尤为慎重，需要一个稳定、可靠的系统，为LTE业务的传送保驾护航。LTE网络和MSTP网络相辅相成，共同构建安全、可靠、稳定、永续的铁路通信系统，助力朔黄铁路运力的提升，为实现朔黄铁路“绿色、高效、数字化”的发展战略目标贡献力量。

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