基于LTE技术的高速铁路传输承载网络策略研究

ogiqtol

摘 要 随着大规模的高速铁路建设，列车不断提速及乘客服务需求的日趋多元化，GSM-R技术已经不能完全满足高速铁路的全部通信需求。作为4G通信技术的代表，LTE技术为需求的解决提供了可能。如何结合LTE的特点及铁路部门相关技术要求，为LTE设备提供高质量的传输承载网络，是本文讨论的重点。
关键词 LTE；高速铁路；传输网络 ；策略研究
中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）01-0069-02
随着我国铁路行业向着信息化、高速化的方向发展，与之配套的铁路通信技术也需要实现业务综合化及宽带化。目前我国的高速铁路系统使用的是基于2G（2rd Generation）技术的GSM-R（GSM for Railway）作为通信平台。但列车速度的提升和新型车厢的出现对高速铁路通信服务的种类和质量提出更高要求。
当前，高速铁路通过建设GSM-R专用无线通信系统，实现了列控信息和无线调度命令的传送。但是当前的车、地无线系统还不能为乘客提供宽带数据业务（互联网接入、行程信息查询等）。GSM-R系统仅能支持速率为9.6kb/s的低速率话音传输，尚且无法满足未来铁路通信对海量数据高速传输的需求。在2014年9月召开的“2014年中国无线技术与应用大会”上，中国铁路总公司运输局电务部副主任马芳表示，GSM-R作为窄带通信系统，难以实现当前铁路诸多业务的承载，开发铁路通信系统已逐步成为业内共识。在这种情况下，研究适用高速铁路的新一代移动通信系统，成为实现铁路通信技术现代化的关键。LTE最提出于2006年，其实质是一种准4G技术。LTE系统在系统性能、网络架构及业务支撑能力等方面都较之前的3G技术有了大幅提高。在低延时、高速率、高频谱利用率等方面具有显著优势。研究什么样的传输承载网络能使LTE设备更适用于铁路系统非常有意义。
1 LTE系统特征及结构
1）LTE系统主要的技术特征有。
①在系统适应带宽内配置灵活。1.25MHz-20MHz频带间允许配置若干个带宽。
②提高了数据速率和频谱利用率。下行峰值速率100Mb/s，上行峰值速率50Mb/s，下行频谱利用率高达5（bit/s）/Hz。
③提高了小区边界传输速率。
④无线小区延时更低。
⑤交换方式采用全分组交换。不再向现有的3G系统主要使用电路交换，LTE系统采用的是基于全分组的包交换。
2）LTE系统的结构。
LTE系统结构大体分为空口协议结构和接入网体系两方面。
LTE主要由eNB（eNodeB LTE中基站的名称）和MME/S-GW（Mobility Management Entity移动管理实体/Serving Gateway信令网关）两大部分组成。eNB在传统的NodeB可提供的功能的前提下，还能够完成原来RNC（Radio Network Controller无线网络控制器）所实现的如物理层、MAC层、接入控制和接入移动性管理等在内的大部分功能。
接入网体系是在现有地面无线接入网（UTRAN）系统上演进而来的。由于LTE是基于全分组交换的系统，所以在接入网的设计方面进行了演进，逐步靠近IP网络结构，同传统的接入网系统一样达到了低时延、高系统吞吐量极端到端服务质量。
2 现有高速铁路传输系统基本架构
现有高速铁路传输系统利用不同物理径路的2条光缆组成骨干层、汇聚层（现与骨干层合设）、接入层网络结构。
骨干层、汇聚层合设的传输系统完成各主干节点间的各类业务连接/调配，同时作为整个网络与既有系统的互联层。现有骨干层、汇聚层使用1+1线性复用段保护方式；主要承载业务有数据网通道（包括综合视频监控系统、会议电视系统、旅客服务系统、经营管理信息系统、应急通信系统）、CTC、调度通信系统、GSM-R系统、票务数据等所需的通道。
接入层传输系统完成接入节点业务的接入、汇聚和转接，将来自区间接入层的业务汇聚到骨干层、汇聚层。通常设置奇数基站（包括信号中继站）环、偶数基站（包括信号中继站）环和电牵（牵引供电专业）环。可采用通道保护或复用段保护方式。主要承载的业务有数据网通道、CTC、GSM-R系统、调度通信系统、电力远动（SCADA）系统、应急通信、综合视频监控、直放站监测、微机监测、区间防灾系统等所需的2Mb/s通道、低速数据通道、音频通道及10M/100M以太网通道等。
3 高速铁路LTE传输承载网络研究
马芳指出下一代铁路移动通信必须满足如下要求：更高的移动性，在链状组网方式下，支持300km/h以上及高速移动；更高的RAMS（Reliablity可靠性、Availability可用性、Maintainability可维修性、Safety安全性）要求；承载列控等业务，无线覆盖需要深度冗余；较高的频率利用率：列车控制、调度指挥业务要求极低的接入时间、极低的阻塞率、较低的传输时延。而LTE技术支持上下行非对称业务，适应铁路无线通信业务特点；而对现有LTE技术改进，即可支持300km/h及以上高速移动要求
为了高质量的承载LTE网络，需要有与之配套的高质量的传输网络，笔者认为网络结构可以如图2所示。为LTE系统配套的传输网络的作用：一是负责LTE系统的eNodeB与核心网之间的通信，将BBU（Base band Unit基带处理单元）处的业务汇聚到核心网。二是负责将防灾、电力远动（SCADA）、视频监控、环境监控等信息传回各网管（调度）中心，完成多业务的接入。因此传输网络不但需要具备高可靠、低时延的传输性能，还需要具备高可靠性的网络保护能力。当系统出现硬件故障或软件故障时，传输系统都应立即启动保护响应，确保网络及业务不因此中断。此外传输设备还应具有丰富的接口类型，以实现多业务的接入和统一承载。
当前GSM-R系统采普遍采用了汇聚层和骨干层合设的结构，在LTE的配套传输网络中也可将合设的汇聚层和骨干层分开，充分利用改造后的传输骨干五大环作为新的骨干层设备提供迂回保护通道，提高传输网络的安全可靠性。这样的设计可以使接入层、汇聚层、骨干层承载的业务流向更加清晰，更加便于维护管理，局干级的电路承载在骨干层中，车站级的电路承载在汇聚层中，接入层只承载车站级以下的电路。这种设计结构释放了接入层的资源，解决了瓶颈处资源紧张的问题。
当前在铁路专网应用较为广泛的是MSTP（Multi-Service Transfer Platform多业务传输平台）技术，在运营商方面则较多的使用了PTN（Packet Transport Network 分组传送网）技术。由于铁路专网对安全性、可靠性要求要高于运营商的相关标准，就现有设备的技术指标看MSPT更适合当前的铁路通信网要求。
1）选用MSTP设备作为LTE传输承载网络。
MSTP在SDH（Synchronous Digital Hierarchy同步数字传输）的基础上实现了以太网等多种业务的接入、处理和传送。MSTP是面向连接的，采用电路交换方式，由于采用了硬管道的传输方式，各种业务之间达到了物理隔离，安全可靠性高。MSTP支持支持链形、环形、星形等多种组网模式，可选择子网连接保护或复用段保护等多种网络保护方式。
如果使用LTE系统作为铁路运行业务的综合通信平台，那么需要满足数据业务、语音调度业务这两大类业务的传输需求。在铁路通信规范中对它们的要求都是必须采用专线带保护的电路且链路之间要物理隔离。在这种要求下，采用电路交换方式的硬管道传输系统成为铁路行业优选传输网络设备。在建网时对所有部件（控制系统、设备、接口）必须进行冗余配置，不同系统的专线专用，以确保系统安全性。当前只有基于SDH技术的MSTP硬管道设备才能提供完善的设备级、网络级保护而且保护倒换时间小于50ms，而基于IP/MPLS（网络协议/多协议标签交换）的弹性管道网络目前尚缺乏完善的保护机制只能提供逻辑隔离很难同MSTP系统一样达到50ms。
2）选用PTN设备作为LTE传输承载网络。
当IP业务占全部业务比例的50%以上时，MSTP设备的效率明显弱于PTN。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。由于不需要同铁路等专线通信网络对服务质量、传输时延等指标要求严苛，在运营商那里MSTP与PTN已经得到了广泛的应用。尽管基于传统SDH/MSTP技术的市场目前仍然在增长，但随着分组技术和网络技术的迅猛发展，基于IP技术的PTN设备承载专线通信系统的可行性也在增加。
4 结束语
铁路通信工作一直紧随科技发展前沿，LTE技术作为未来发展的主流技术，目前已在朔黄铁路中构建了试验区段，采用MSPT技术作为传输承载设备，组网方式为网络冗余结构，采用合设的骨干汇聚层和接入层二层结构，复用段保护方式。试验结果表明，在网络注册时延、端到端传输时延等十余项与铁路安全相关的关键指标中，LTE明显优于GSM-R系统。可以预见的是随着设备技术指标的不断提升，适合承载LTE设备的传输网络一定可以在高速铁路通信系统中发挥更大的作用。
参考文献
[1]陈晨，李长乐.高速铁路通信系统方案研究综述[J].计算机工程与应用，2010（34）：24-26.
[2]李栋.高速铁路车地宽带无线通信方案比较研究[J].铁道工程学报，2012（3）：85-90.
[3]曹彦平.TD-LTE技术构建朔黄铁路宽带移动通信系统可行性研究[J].铁道通信信号，2014（4）：68-72.
作者简介
孙囡（1982-），女，现任沈阳铁路局电务检测所工程师。