基于LTE技术的试车线与正线无线通信组网方案研究

林 祁

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

地铁试车线是地铁列车进行动态调试和试验的线路，新车和检修后的列车都要在试车线进行系统调试及性能试验后才能上线运营。试车线的轨旁信号设备与正线轨旁信号设备保持一致。

对于车地无线通信方式采用LTE 技术的线路来说，其无线通信组网有两种方案：试车线与正线共用核心网和独立设置核心网，为了说明两种组网的区别，先介绍LTE 小区切换的技术原理。

1 技术原理

1.1 LTE小区切换原理

终端在两个小区间的切换流程如图1 所示，源小区向终端广播A3 小区测量参数（步骤1）；终端测量本小区信号质量和邻区信号质量，判断达到设定的门限后，向源小区上报测量报告（步骤2）；目标小区为该终端准备空口资源，并由源小区发送给终端（步骤3）；终端在目标小区发起接入请求，在接入成功后向目标小区发送成功消息（步骤4）。

1.2 对于测量报告的处理

终端不断进行当前小区和邻区的信号质量测量和比较。当目标小区的信号电平比当前小区的电平值高过一定门限（缺省值为2 dB）时，触发进行小区切换。

图1 小区切换原理图Fig.1 Schematic diagram of cell switching

上述的切换流程要求目标小区必须配置为源小区的邻区，并且目标小区和源小区之间能够互通。源小区在给终端下发的测量参数中，告诉终端需要测量这个邻区，这就具备了向目标小区切换的条件。

如果源小区和目标小区是相互隔离的网络，源小区和目标小区无法配置为邻区，源小区给终端下发的测量参数中不包括目标小区，则终端不会测量目标小区的电平，也就无法发起小区间切换。即使目标小区信号电平远远大于源小区，只要终端还能收到源小区的信号，终端还是会驻留在源小区，直至源小区脱网，一般终端的脱网电平在-118 dBm左右。

按照cost231 传播模型，要达到脱网电平，需要距离大于2.94 km。一般的车辆段区域无法满足这一要求。定向天线的下倾角为8°时，具体参数如表1 所示。

2 LTE系统正线组网方案

正线区段（含场段除了试车线）的LTE 系统由核心网、基站系统和车载终端组成。该系统采用冗余设计架构，一般通过使用A/B 双网覆盖方式来实现，如图2 所示。A/B 双网采用独立网络方式，每张网都由核心网和基站系统组成，A/B 双网的基站通过合路器与漏缆或天线连接，实现无线信号的覆盖。其中基站系统由基带单元(BBU)和远端射频单元 (RRU)组成。

表1 链路预算表Tab.1 Link budget table

各设备具体设置要求如下。

1) 核心网设备考虑到冗余因素，1 套放置在控制中心，1 套放置在车辆段或停车场。上端业务接口与DCS 有线环网的交换机相连，继而连接到地面信号系统各子系统设备。核心网通过S1 接口与基站系统的BBU 相连。

2) TD-LTE 系统BBU 应放置在设备集中站，利用DCS 有线网络与核心网连接。

3) TD-LTE 系统基站的RRU 沿着列车行驶的线路部署，包括正线车站及区间、道岔区域、折返线、停车线、车辆段出/入段线、车辆段停车列检库、试车线等需要CBTC 覆盖的所有区域。BBU通过光纤拉远与RRU 相连接，AB 双网的基站应采用不同的光缆回路。

4) A/B 双网的RRU 同站址部署，采用电桥合路，线路区间采用轨旁漏缆实现覆盖，在车库区域等地上区域，则采用天线实现覆盖。

5) TD-LTE 系统的车载终端TAU 部署在列车编组的前后司机车厢，两套TAU 分别属于A/B网。TAU 天线安装在司机车厢外侧上方，即车辆中轴线前后位置（视漏缆安装位置而定），并保持与漏缆尽量近的距离以及漏缆和天线之间无遮挡，保持良好无线传输。TAU 通过以太网接口连接到车载交换机并与车载ATP/ATO 设备连接，从而建立了车载ATP/ATO 到信号系统的地面CI、ZC 等设备之间的点到点连接。

图2 LTE系统架构图Fig.2 Architecture diagram of LTE system

3 LTE系统试车线组网方案研究

试车线的LTE 系统组网构架与正线原则相同，对核心网的设置有如下两种方案。

3.1 方案一试车线和正线采用共用核心网方案

1）若正线和试车线无线网络共用LTE 核心网方式时，试车线不再单独配置核心网设备，其他配置与正线的基本相同，组网如图3 所示。

试车线和正线使用同一个核心网，正线和试车线空间上相邻的小区相互配置为邻区，车载终端在正线和试车线之间切换的条件是，只要目标无线网络的信号电平高于当前小区一定门限（缺省2 dB），可以平滑的在相邻小区之间进行切换。在该方案条件下，在出入段线、咽喉区及需要无线覆盖的各库内，全部可以采用天线方式，安装时相对于漏缆方式更加灵活方便。

2）网络安全设计

正线设备与试车线相连会导致正线直接面对外部风险，安全需求比较迫切，需要在这个边界区考虑相应的安全手段。

a.访问控制：正线做为内部网络，对外呈现相关服务，大部分业务处理在内部网络完成。对于外网来说，正线网络是黑盒，所以需要对外网的访问进行域间访问控制，直路部署防火墙。

图3 试车线共用核心网示意图Fig.3 Schematic diagram of core network shared with test line

加强试车线设备室出入管理,安装监控设备并24 h 监察；

在网络边界部署访问控制设备，启用访问控制功能；

提供明确的允许/拒绝访问能力，控制粒度为端口级；

对进出网络的信息内容进行过滤，实现对应用层HTTP、FTP、TELNET、SMTP、POP3 等协议命令级的控制；

应限制网络最大流量数及网络连接数；

重要网段应采取技术手段防止地址欺骗；

按用户和系统之间的允许访问规则，决定允许或拒绝用户对受控系统进行资源访问，控制粒度为单个用户。

b.安全接入：作为正线和试车线连接的唯一出口，需要旁路部署入侵检测设备，主要针对网络层的保护，检测外网针对内网的攻击、内网员工发起的攻击，通过日志和报表呈现攻击事件供企业管理员评估网络安全状况。同时提供攻击事件风险评估功能，降低管理员评估难度，满足试车线和正线的业务安全防护等需要。

在网络边界处监视以下攻击行为：端口扫描、强力攻击、木马后门攻击、拒绝服务攻击、缓冲区溢出攻击、IP 碎片攻击和网络蠕虫攻击等。

当检测到攻击行为时，记录攻击源IP、攻击类型、攻击目的、攻击时间，在发生严重入侵事件时应提供报警。

c.正线的信号系统通信网络和试车线的信号系统通信网络之间物理连接后，由网管终端统一管理，通过网络配置，即LTE 数据业务与其他信号子系统数据业务采用不同VLAN，从而实现逻辑隔离，使试车线信号网络与正线信号网络不会因为共用LTE 核心网而相互影响。

3.2 方案二试车线和正线采用独立组网（核心网）方案

正线和试车线无线网络采用独立组网方式时，试车线需设置单独的LTE 核心网设备，但无需配置网络入侵检测等软硬件设备，其他配置与方案一相同。组网示意如图4 所示，从图4 中很清楚的看到正线与试车线网络相互物理隔离，互不影响。

图4 试车线采用独立核心网示意图Fig.4 Schematic diagram of the test line adopting the independent core network

根据小区切换流程的分析，如果出入段线、车辆段咽喉区及停车列检库和试车线都采用天线部署方式，则试车线与上述位置之间需要保持足够的空间隔离，才能保证车辆在试车线和出入段线、车辆段咽喉区及停车列检库之间正常切换。但一般车辆段区域无法满足这一要求，故试车线位置上使用独立核心网方案，需要满足如下条件。

1）试车线只能采用漏缆覆盖，并且根据现场环境将RRU 的功率调整到足够小，保证试车线的无线信号覆盖较小的范围，不影响出入段线无线信号；同时正线（含出入段线）及车辆段咽喉区也采用漏缆覆盖方式并调整其RRU 功率，使其无线信号不影响到试车线无线信号。

2）车库内可采用天线或者漏缆进行覆盖，并根据现场测试结果，调整天线或者漏缆角度，增加衰耗器等方式，使其覆盖范围不影响到试车线无线信号。

3）正线和试车线网络配置不同的PLMN。

3.3 试车线不同方案对比分析

从目前各地项目来看，车辆段占地面积有限，若采用方案一共用核心网，车辆段范围各处可以用定向或者全向天线进行无线信号覆盖。采用方案二试车线和正线独立组网时，为防止信号正线（含出入段线）及车辆段咽喉区与试车线间无线信号干扰，正线出隧道后至咽喉区位置和试车线范围均需采用漏缆进行敷设。

为了更加直观对两种不同组网方案进行比较，具体如表2 所示。

表2 方案优缺点对比表Tab.2 Comparison table of advantages and disadvantages of the scheme

采用方案一需要注意问题：1）一般试车线信号设备室基本属于无人值守状态，不如控制中心安全度高，这样使得外部入侵风险相对较高。2）正线信号网络设备与试车线信号网络设备相连会导致正线信号系统直接面对外部风险，安全需求更加迫切。

采用方案二时需要注意问题：1）漏缆需安装在车载接收天线高度位置，单漏缆敷设方式时车载天线一般安装在车顶位置，在场、段咽喉区这类室外区域安装时，由于无隧道壁只能靠立杆方式安装，相对较困难；同时后期维护量和维护难度会增大；2）库内采用增益为17 dBi 的定向天线，根据cost231 传播模型，要达到脱网电平，需要的理想距离大于2.94 km。那么车辆在到达试车线时，若库内采用天线覆盖时，由于试车线距离大库达不到脱网电平要求，尽管可以采用调整RRU 的功率等方法，但还是可能出现车载天线无法接收到试车线LTE 网络信号，需要人工介入，如重启车载TAU。

通过上述分析对比，可以看出不同方案均有优缺点，若共用核心网在做好网络安全及网络管理的前提下，是一种更优化的方案，也是对运营使用、维护更加有利的方案。目前在宁波3 号线，重庆4号线上已经按共用核心网方案实施。

4 总结

目前,在全国大部分采用LTE 车地通信方式的地铁设计中，试车线和正线组网方式为互相独立组网，满足轨交协范本里对“试车线 DCS 设备须单独设置，且不能干扰和影响正线、中心、车辆段/停车场”的要求，但是该条款明确说明是针对于车地无线通信采用 WLAN 技术适用，对采用LTE 车地通信方式时试车线组网并未作相关说明。假如试车线与正线各自独立组网，很可能出现试车线与车辆段网络互相干扰，导致人工介入会大大降低运营作业效率。

本文在分析LTE 小区切换原理基础上，提出共用核心网的可行性，在具体项目应用中，还需要结合具体城市运维现状等综合考虑。