铁路TD-LTE专网系统解决方案

王安义，孙伟强

(1.西安科技大学，西安 710054;2.大唐移动 (西安)通信设备有限公司，西安 710061)

1 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。UIC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GSM－R技术向LTE发展，即发展LTE－R(for Railway)。

2 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1 785～1 795 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。

(3)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。

(4)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。

3 铁路通信专网方案

3.1 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

(1)宽带无线接入网元［4］

TD－LTE的无线接入网E－UTRAN由eNodeB构成，eNodeB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/S－GW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S－GW的用户面数据的路由;系统广播消息的调度与传输。系统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。

(2)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、E－UTRAN 系统内 TAU、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S1－U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TD－LTE基站之间切换的锚点;IPSec安全功能保护。

PGW网元:PGW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。系统由TD－LTE无线摄像机、视频编码器、视频监控业务平台构成。

TD－LTE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。

3.2 高速铁路无线覆盖面临的难点

(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5～10dB，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。

3.3 应对无线覆盖难题提供的解决方案

(1)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，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。

(2)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

(3)使用车载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。

4 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LTE－R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，为未来的运营发展做好准备。

国际铁路联盟认为，已安装的GSM－R系统可以强化其应用，同时铁路部门也应大胆创新，向LTE－R演进是GSM－R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GSM－R向LTE－R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GSM－R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分机无线化。无线专网方案可以为铁路提供灵活便捷高效的实时通信，将完成铁路上的安全、功能、效率、互操作性以及经济利益方面的期望，提供在高速铁路上的宽带网络，是铁路在通信系统建设时的理想选择。LTE通信技术将对铁路行业大量采用国际标准起了重要作用，将会取得显著的社会效益和经济效益。

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