LTE与有线调度通信系统互联互通的研究与实现

龚骁猷

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

近年来，随着高铁大力发展，GSM-R无线通信系统的瓶颈开始逐渐凸显，主要体现在：1）容量受限：只有4 MHz频谱，带宽小，所承载的业务量少，在大型车站、编组站、大型枢纽等地区资源紧张；2）传输速率低，无法提供图像、视频等多媒体数据业务；3）干扰严重，与民用GSM系统频段相近，容易受到民用移动通信系统的干扰，降低铁路运输的效率。

LTE作为公网的成熟技术，具有大带宽、低时延、高速率等众多优点，因此中国国家铁路集团有限公司也将LTE作为下一代铁路无线通信系统的发展方向之一，并在多条客专项目中进行相关实验。但目前为止，在国铁领域还未有以LTE作为无线承载网的铁路开通运营。

为验证LTE作为铁路无线通信系统的可行性，本文给出LTE系统与有线调度通信系统互联互通的实施方案，并以靖神铁路为试验平台，在靖神铁路沿线搭建LTE系统测试环境，对铁路场景下两个系统之间的互联互通进行验证，得出最终结论。

2 LTE系统与有线调度通信系统互联互通实现方案

2.1 互联互通必要性

铁路调度通信系统是用来指挥列车运行，保证铁路运输安全的重要通信系统，是列车司机、沿线维护人员与调度员、车站值班员之间直接沟通的唯一途径。为实现上述功能，调度通信系统需采用有线+无线相结合的方式进行组网。

2.2 互联互通实施方案

2.2.1 靖神铁路工程概况

1）线路概况

靖神铁路位于陕西省榆林市境内，途经榆阳区、横山县和靖边县。孟家湾（不含）至黄蒿界（不含）段为单线铁路，线路长度为141.089 km；黄蒿界（含）至靖边北（不含）段，为双线铁路，线路长度17.019 km。新建小纪汗北、大海则、巴拉素、红石桥、横山、古水、赵石畔、响水塘、黄篙界共9个车站，新建白城河线路所1座，新建榆林调度所1座。

2）行政区划和调度区划

陕西靖神铁路有限责任公司负责靖神铁路实施阶段的建设工作以及开通后的运输生产、调度和保养工作。

靖神铁路在榆林调度所设置靖神调度台（列调台、助调台、电调台、货调台等）。全线均纳入靖神调度台统一指挥和管理。

3）通信系统概况

靖神铁路全线设置传输系统、数据网系统、多媒体调度通信系统、无线列调系统，各机房设置-48V高频开关电源设备以及阀控式密封铅酸蓄电池组，沿线敷设2条48芯单模阻燃光缆。

2.2.2 LTE制式选择

LTE分为TDD和FDD两种双工模式，目前已演进至R13版本。根据《工业和信息化部关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无[2015]65号），在该频段上，可分配给铁路、城市轨道交通使用的频率资源最多为20 MHz。

主流厂家在1 800 MHz频段上生产的设备均为TDD-LTE制式，因此本文选用基于1 800 MHz频段的TDD-LTE系统作为此次试验的无线通信系统。

2.2.3 组网方案

1）LTE组网方案

a.系统组成

LTE网络由核心网（EPC）、基站（eNodeB）、网络管理系统（OMC）和终端设备等组成。

核心网包括移动性管理设备（MME）、服务网关（SGW）、PDN网关（PGW）等。核心网负责完成移动终端用户的接入控制、位置管理、会话管理、路由选择以及小区切换等功能。

基站（eNodeB）由基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）组成。BBU通过光纤连接RRU，并控制、管理RRU；RRU主要负责射频信号发射，实现无线信号覆盖。

网管系统包括OMC-R和OMC-EPC，OMC-R负责对基站（eNodeB）设备进行管理，OMC-EPC负责对核心网设备进行管理。

移动终端主要为手持台，用于实现移动用户与移动用户之间、移动用户与固定用户之间的语音和数据通信业务。

b.设备设置情况

本次试验在靖神铁路联调联试期间进行，在榆林调度所通信机房搭建LTE核心网（EPC）、网管、交换机等设备，并选择在巴拉素站—白城河线路所区段（8.435 km）搭建基站（eNodeB）子系统，在巴拉素站通信机房搭建BBU一套，RRU一套；在区间两处无线列调直放站机房搭建RRU各一套，3套RRU之间平均间距2.8 km。

BBU通过传输系统通道与核心网EPC互联，通过区间48芯光缆与RRU互联，BBU与RRU采用星型连接方式，每个RRU通过2芯光纤与BBU连接。

BBU利用车站通信机房-48V高频开关电源进行供电，RRU利用无线列调机房UPS进行供电。

2）有线调度通信组网方案

利用靖神铁路设置的多媒体调度通信系统，即利用榆林调度所设置的多媒体调度所调度交换机、调度台，利用巴拉素站多媒体车站调度交换机、车站值班台。

3）互联互通组网方案

为实现集群语音调度功能，此次试验在榆林调度所搭建集群语音服务器1套，集群语音服务器通过SGi接口与LTE核心网互联，通过SIP-R与多媒体调度所调度交换机互联，具体互联方案如图1所示。

图1 LTE与有线调度通信系统组网方案Fig.1 Networking solution of LTE and wired dispatching communication system

3 试验过程

3.1 测试系统组成

试验测试系统由SUV汽车、笔记本电脑（含路测软件、分析软件）、测试终端、车顶天线、手持台组成，如图2所示。汽车从巴拉素站出发，向白城河线路所方向前进，到达线路所后沿原路返回巴拉素站，如此往复测试。

图2 测试系统构成Fig.2 Configuration of the test system

3.2 测试对照依据

试验过程中对各项数据指标进行记录，同时对调度语音业务服务质量进行统计。测试内容除了统计覆盖指标以外，其余内容参照GSM-R系统的各项指标，具体如表1所示。

表1 语音业务和非列控业务类电路交换数据业务服务质量要求Tab.1 Requirements of quality of circuit switched data for voice services and non-train-control services

3.3 测试数据

3.3.1 LTE网络覆盖指标统计

总 体RSRP大 于-105 dBm的 占 比 达 到99.99%，总 体SINR大 于0 dBm的 占 比 达 到99.61%。测试结果如图3、4所示。

3.3.2 调度语音业务服务质量统计

1）功能验证

在网络加载真实背景业务条件下，LTE手持台和调度台、车站值班的基本功能均正常实现，主要包括：

a.个别呼叫：移动用户呼叫移动用户、移动用户呼叫固定用户、固定用户呼叫移动用户；

b.210组呼、299组呼。

2）服务质量统计结果

a.MS-FT呼叫建立时间和成功率如表2所示。

表2 MS-FT呼叫建立时间和成功率统计表Tab.2 Statistics on MS-FT call establishment time and success rates

b.MS-MS呼叫建立时间和成功率如表3所示。

表3 MS-MS呼叫建立时间和成功率统计表Tab.3 Statistics on MS-MS call establishment time and success rates

c.组呼及紧急呼叫建立时间和成功率如表4所示。

表4 210组呼和299组呼建立时间和成功率统计表Tab.4 Statistics on call establishment time and success rates of 210 and 299 group call services

d.手持台语音质量测试结果：（MOS=3.14）如图5所示。

3.3.3 与GSM-R系统的对照

经过大量实验以后，本文对所有记录数据进行分析和总结，最终形成LTE系统与GSM-R系统的对照如表5所示。

图4 总体SINR统计图Fig.4 Overall SINR statistics

图5 语音质量统计图Fig.5 Statistics chart of voice quality

表5 LTE调度语音与GSM-R调度语音对照表Tab.5 Comparison between LTE and GSM-R dispatching voice services

4 结论

本文借助靖神铁路搭建LTE系统与有线调度通信互联互通的测试环境，经过现场多次测试，验证了LTE系统与调度交换机互联互通的可行性，实现了有线与无线相结合的调度通信方式，并为今后的铁路通信系统设计、工程建设、产品研发提供了相应依据。

根据上述试验结果表明，LTE系统各项指标均满足GSM-R系统的相关数值，并且网络注册时延、最大端到端时延、平均端到端时延、越区切换中断时间、越区切换成功率等数值均优于GSM-R系统，因此可以得出LTE系统的网络性能高于GSM-R系统，是下一代铁路无线通信系统的发展方向。