TD－LTE技术构建朔黄铁路宽带移动通信系统可行性研究

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

曹彦平

朔黄铁路3.5亿吨扩能改造后，需开行2万吨重载列车，既有无线通信系统无法满足机车同步操控的业务需求。研究了朔黄铁路宽带移动通信的业务需求，并对适用于业务需求的移动通信技术进行了分析和论证。通过朔黄铁路40km试验段的测试验证，表明TD-LTE技术作为新一代通信技术，适用于构建朔黄铁路宽带移动通信系统。

朔黄铁路;TD-LTE;宽带移动通信系统;重载

朔黄铁路是我国“西煤东运”第二大通道的重要组成部分，对国家煤炭运输发挥着重要作用。目前，朔黄铁路800 MHz+400 kHz无线通信系统，承载万吨列车机车同步操控数据传输，存在容量较小、可靠性低、安全性差、通信距离不足等问题;此外，为解决长大列车纵向冲动问题，需采用可控列尾与机车制动操作联动，列尾与主控机车间通信距离将达到2500 m以上，显然现有通信系统无法满足要求。为实现年运量3.5亿吨、开行2万吨列车的目标，满足扩能改造和多业务承载需求，必须要有一套能够承载2万吨列车机车同步操控等业务的平台。因此，从2010年开始朔黄铁路启动宽带移动通信系统的研究和试验工作。

1 宽带移动通信的业务需求

朔黄重载铁路宽带移动通信系统，作为铁路运行业务的综合通信平台，需要传输多机车同步操控、可控列尾，以及语音调度、视频监控等四大类业务，业务类型如表1所示。

目前，前3类业务有不同的通信系统承载，但既有系统为窄带业务系统，无法满足朔黄重载扩能需求，也无法实现第4类图像等大数据业务。而且，开行2万吨组合列车，列车长度增加到2500 m以上，机车之间的距离大于1400 m，机车同步操控系统对数据的时效性、安全性、可靠性提出了很高的要求。具体表现:①可靠性高，开通2万吨列车，需要考虑在网络故障或网络拥塞情况下对机车同步操控业务无影响;②时效性高，根据机车同步操控系统要求，无线网络的传输时延需小于500 ms;③数据容量大，主控与从控机车、从控与从控机车的数据传输间隔和数据量较既有系统有了明显提高。

因此，建设宽带移动通信系统不仅要承载四大类业务，满足多业务车-地通信承载要求，而且要负责安全业务的实时性、可靠性。不同业务对无线网络的带宽、实时性、可靠性要求不同，在建设朔黄铁路宽带移动通信系统时，既要充分利用无线网络资源，提供网络利用率，又要根据不同业务的特点设置不同优先级，保障网络在资源紧张时对重要业务的承载。

表1 朔黄铁路车-地通信业务类型

2 移动通信技术选型

2.1 GSM-R

GSM-R在国内大铁领域专用移动通信系统中大规模应用，提供铁路通信标准功能，包括:列控信息传递、语音调度、多优先级强插与强拆、功能寻址、位置寻址等。从通信制式方面看，GSM-R属于2G窄带技术，数据承载能力有限，电路型数据业务(CSD)速率低，为kb/s级别，仅能承载流量要求较小的专用列控数据;而通用数据服务GPRS，因可提供的带宽有限，也无法满足高数据吞吐量的现代通信业务需求。GSM-R系统技术成熟，但与3G、4G等系统相比，总体技术已显落后。

2.2 Wi-Fi

Wi-Fi是目前广泛使用和部署的无线宽带接入技术，国内大多数城市地铁采用Wi-Fi技术实现车-地之间的双向高速通信，可满足80 km/h列车运行状态下的数据传输要求。对于Wi-Fi技术，存在的主要问题:沿线要布置很多AP节点，移动性切换难处理;由于Wi-Fi工作在2.4 GHz的ISM频段，不受保护，易受干扰。

2.3 WiMAX

WiMAX属于3G技术，是基于IEEE802.16e标准的宽带无线接入城域网技术，可为企业和家庭用户提供宽带无线连接方案。但WiMAX技术的演进路标尚不明确。如果WiMAX向802.16 m演进则面临产业链支撑不足、配套设备缺失的问题;如果向LTE演进，则将增加项目实施的复杂度及投资成本。

2.4 LTE

LTE属于3G向4G演进的主流技术，是3GPP在移动通信网络基础上进行宽带化研发的无线技术，目前在世界范围内已大规模商用。LTE有FDD和TDD 2种制式，LTE系统采用All-in-IP组网，网络结构扁平化，减少了系统时延。在控制面，从空闲模式转为激活模式，时间小于100 ms;从休眠模式到激活模式，时间小于50 ms。在用户面，最小时延5 ms。频谱效率方面，采用OFDM/ MIMO，下行20 MHz频谱带宽内，峰值速率100 Mb/s，频谱效率达到5 bps/Hz;上行20 MHz频谱带宽内，峰值速率50 Mb/s，频谱效率达到2.5 bps/Hz。同时采用多种抗干扰技术。

LTE已确定为下一代移动通信的演进目标，目前全球81个国家的218家运营商已经投资建设LTE网络，超过67个LTE网络正式投入商业运营。从近期和远期来看，LTE系统在产业链方面有着明显的优势。UIC(国际铁路联盟)和中国原铁道部都已提出铁路无线通信系统向LTE演进的指导方向，并已启动理论研究和标准制定的准备工作。

朔黄铁路宽带移动通信系统需要承载重载列车机车无线重联安全数据信息、调度命令和车次号校核信息、集群调度通信和视频监控等业务，未来可为神华集团数字铁路的建设规划和发展提供移动数据业务的承载基础，应具备高可靠性、高数据业务传输速率和低数据传输时延、良好的移动性，而这几个特点正是LTE系统的优势。因此，在朔黄铁路选取一个试验段进行LTE技术研究。

3 朔黄铁路试验段实施情况

3.1 试验段地点及条件

朔黄铁路西起山西省神池县神池南站，东至河北省黄骅港站，全线594 km。试验段工程选取小觉站、古月站、西柏坡站共3站2区间，全长40.7 km，15个隧道，隧道总长约5.7 km，包括开阔平原、隧道、桥梁等地形，能兼顾各种环境的测试，如长大明区间和隧道等弱场区的信号覆盖等。

3.1.1 频率

朔黄铁路隶属神华集团，目前已申请获得河北、山西、陕西、内蒙古等4省铁路沿线1.8 GHz频段10 MHz带宽(1785 MHz～1795 MHz)的铁路专用移动通信频率资源，可用于构建朔黄重载铁路的宽带移动通信系统。

3.1.2 LTE制式

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。

3.1.3 试验验证要求

1.安全可靠性。保证网络故障情况下对安全业务包括机车同步操控、可控列尾等无影响。保证有限频率资源情况下，全业务正常运营，尤其是机车同步操控、可控列尾、紧急呼叫等重要业务的高可靠、高安全性。另外，LTE网络作为全IP网络，承载重载铁路安全业务低时延传送以及调度语音业务需求，应充分发挥LTE高带宽优势，承载更多车-地信息，保障重载运营更高效、更安全。

2.异系统互联互通。实现与新开发系统，如机车同步操控系统、可控列尾、机车台的平滑对接，以及与既有有线调度系统(FAS)、调度集中(CTC)的互联互通。

图1 网络结构示意图

3.2 网络结构

LTE系统主要承载重载列车机车无线重联安全数据信息、列车调度通信、调度命令、无线车次号校验和视频监控业务。在进行TD-LTE网络设计时，通过系统级、网元级和单板级的三级保障，满足重载铁路网络安全性需求。由LTE网络、业务应用系统、运行与支持系统和终端设备等四部分组成。网络结构如图1所示。

TD-LTE网络包括核心网和无线2部分，在中心机房设置核心网，按链状网结构沿铁路新设eNB，并接入核心网。基站采用分布式基带处理单元(BBU)+射频拉远单元(RRU)的方式。

试验段采用共站址双网覆盖建设方案，明区间采用BBU+RRU进行空间覆盖为主，在隧道、路堑等弱场区域采用BBU+RRU结合漏泄同轴电缆、天线的方案进行覆盖。为了充分测试网络性能，试验段分别测试了2种无线组网的性能。

3.2.1 负荷分担方式

核心网设置2套EPC，采用负荷分担方式工作。无线接入网E-UTRAN在同一站址也设置2套独立基站，分别接入主备核心网EPC，形成双层网络，组网结构如图2所示。

图2 负荷分担方式LTE组网示意图

频率按照同频组网方式进行规划。本项目频率资源为1785～1795 MHz共10 MHz带宽，分为2个5 MHz频率，A网和B网分别使用1785～1790 MHz(F1)和1790～1795 MHz(F2)。A、B网无线覆盖范围基本相同，频率规划和场强覆盖如图3所示。

图3 负荷分担方式频率规划和场强覆盖示意图

3.2.2 主备冗余方式

核心网设置2套应用相同策略的EPC，采用热备冗余工作。在同一站址设置2套独立基站，同时接入主备核心网EPC，形成双层网络。组网结构如图4所示，频率规划和场强覆盖如图5所示。

图4 主备冗余方式LTE组网示意图

图5 主备冗余方式频率规划和场强覆盖示意图

3.3 试验结果

3.3.1 业务测试

试验列车采用1#SS4B(机车)+2#SS4B+ 106*C70(车辆)+3#SS4B+4#SS4B组合列车编组方式。在4台SS4B机车上安装无线重联、语音通信、可控列尾、视频等车载设备，进行相关静态和动态试验。试验结果如下。

1.LTE网络承载列车无线重联业务可行。机车无线重联同步控制的各项操作在试验段全区间试验成功，响应时延满足主、从机车同步控制要求。

2.LTE网络承载可控列尾数据业务可行。列尾设备编解组和同步排风功能在试验段全区间试验成功。

3.基于LTE技术的列车调度通信机车台和接口服务器，具备无线列车调度语音通信、车次号、调度命令信息传送功能，满足应用业务要求。

4.LTE网络具备承载无线列车调度语音通信、调度命令和车次号信息传送业务能力。

5.LTE网络承载视频监控业务可行。LTE网络承载2路标清视频监控业务在试验段全区间试验成功。

6.LTE网络多业务承载优先级保障机制有效。对比单无线重联业务场景和无线重联、视频传输、语音，以及FTP大数据量传输等综合业务场景下的无线重联操作响应时间，验证了在抢占资源情况下无线重联业务的优先级和服务质量能够得到保障。网络性能测试结果及与GSM-R比较见表2。

表2 LTE网络性能测试结果及与GSM-R比较

从表2数据可以看出，网络注册时延、连接建立时延、端到端传输时延等十余项与铁路安全相关的关键指标，LTE明显优于GSM-R系统。

3.3.2 2种不同组网方式比较

针对负荷分担双网方案和主备冗余组网方案2种组网方式进行比较，指标对比如表3所示。

表3 负荷分担双网方案与主、备冗余组网方案性能比较

测试结果表明，在满足业务承载的前提下，负荷分担双网方案整体指标优于主备冗余组网方案，单用户平均吞吐量较主备冗余组网方案翻倍，频谱利用率高，在可靠性及系统容量方面更显优势，更适合于朔黄铁路。

4 总结

本文通过理论分析和试验段测试数据，研究了采用TD-LTE技术构建朔黄铁路宽带移动通信系统的可行性。TD-LTE技术作为未来发展的主流技术，首次应用于重载铁路多业务承载，需在试验段的基础上，进一步提高系统稳定性，推进工程化进度，构建朔黄铁路宽带移动通信系统，实现朔黄铁路运能提升和可持续发展。

［1］科技运［2007］139号.GSM-R数字移动通信应用技术条件.第6分册机车同步操控信息传送系统(V1．0)［S］.2007，15.

［2］邸士萍.大秦线机车同步操控通信系统综述［J］.铁路工程，2006:14～16.

［3］李蔚.重载组合列车分布动力机车重联控制系统无线传输同步性研究［J］.中国铁道科学，2011:102～105.

Shuohuang Railway is required to run 20 thousands ton heavy haul train after its reconstruction of capacity enlargementup to 0.35 billion tons．However，the exstingwireless communication system can＇tmeet the requirements of locomotive synchronic operation and control．This paper investigated the services requirements of broadbandmobile communication on Shuohuang Railway and analyzed themobile communication technologieswhich can satisfy the service requirements．The result from 40 kilometer test line of Shuohuang Railway demonstrated that TD-LTE technology is suitable for constructing the Shuohuang Railway broadband mobile communication system．

Shuohuang Railway;TD-LTE;Broadband mobile communication system;Heavy haul

曹彦平:朔黄铁路发展有限责任公司高级工程师062350河北肃宁

2013-10-15

(责任编辑:诸红)