徐连高铁LTE-R网络架构设计

2022-12-02陈仁霞

通信电源技术 2022年14期

陈仁霞

（中铁四局集团电气化工程有限公司，安徽蚌埠 233040）

0 引言

徐连高铁对移动无线网络进行技术更新，将铁路综合专用数字移动通信系统（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）系统改造为铁路长期演进（Long Term Evolution-Railway，LTE-R）系统，能够提高铁路移动通信无线数据传输能力。通过对无线网络进行更新改造，设计符合铁路运输使用的LTE-R网络，推进铁路朝着智能化方向发展[1]。

1 LTE-R通信系统

LTE-R通信系统基于第4代移动通信系统技术标准，采用扁平化结构。在无线接入方面，与演进的通用陆基无线接入网（evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network，e-UTRAN）和 UMTS陆地无线接入网（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN）相比，LTE-R无线接入去掉了无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC），仅由演进型 NodeB（evolved NodeB，eNodeB）构成[2]。随着LTE-R的网元进一步减少，网络进一步扁平化，使得无线接入网中不同协议层的交互更加紧密，通过减少中间数据传输节点的开销来减少演示和提高效率，从而减少接口的类型。该系统网络架构简单，易于大规模部署，便于网络安全维护。

2 徐连高铁LTE-R铁路无线通信网络设计

通过对既有的徐连高铁GSM-R网络进行分析，其存在许多问题。一是GSM-R网络架构冗余，安全稳定性较低。徐连高铁GSM-R系统存在主业务信道（Main Service Channel，MSC）、基站控制器（Base Station Controller，BSC）以及基站收发台（Base Station Transceiver，BTS）3层网络结构，物理硬件之间存在多处接口，数据传输效率较低。二是存在无线网络干扰，制约铁路列车组织高效运转。徐连高铁运行时速为350 km/h，在列车行驶过程中会发生多普勒频移现象，干扰问题得不到彻底解决，无线网络优化能力较弱[3]。三是铁路业务带宽无提升空间，无法满足高速铁路视频业务传输需求。受技术原因的限制，视频业务无法在现有GSM-R无线通信系统中传输。基于此，将GSM-R系统改造为LTE-R系统，提高移动通信无线数据传输能力[4]。

2.1 LTE-R组网

设计采购施工（Engineering Procurement Construction，EPC）由移动管理实体（Mobility Management Entity，MME）、服务网关（Serving-GateWay，S-GW）、PDN网关（PDN GateWay，P-GW）、多媒体广播服务网关（MBMS GateWay，MBMS-GW）、广播多播业务中心（Broadcast-Multicast Service Centre，BM-SC）、路由器以及基于3GPP Release 13版本的关键任务一键通（Mission Critical Push to Talk，MCPTT）服务器等组成，如图1所示。

根据业务需求，LTE核心网设置归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）、S-GW、PGW、MBMS-GW、BM-SC、多播协调实体（Multicel Coordination Entity，MCE）以及路由器等网元。从技术角度来看，各核心网网元均可采用集中设置或分散设置的组网方式。从运营角度与全程全网规划角度来看，网元具体的设置方式需要考虑合理性、经济性，根据网元的特点、运营管理体制以及维护管理等因素合理制定[5]。同时基于核心网网元的重要性，故障后影响的范围较大，在网元设置方面还要考虑冗余性、容灾性等因素。结合徐连LTE-R特点，多套互联可采用HSS进行连接，实现业务模拟交互。

2.2 LTE-R技术制式

根据铁路对LTE-R系统频率初步规划要求，结合既有GSM-R使用的频率，按照LTE-R技术规范标准和国内已建设完成的朔黄重载铁路和京沈客专综合试验段的使用情况，新建徐连高铁LTE-R系统采用基于3GPP R13版本的分时长期演进（Long Term Evdution-Time Division Duplex，LTE-TDD）技术制式。与此同时，拟采用Band 31频段，上行452.5～457.5 MHz，下行462.5～467.5MHz。采用基于3GPP R13版本的宽带集群标准，高效实现调度通信业务。徐连高铁列车双线对开，每列车由2套机车终端设备组成。

2.3 LTE-R网络覆盖

徐连高铁地处平原地区，采用传统铁塔上安装天线的方式对基站小区进行场强覆盖。根据天线辐射的半径范围，通过结合徐连高速铁路的现有运行速度和列车运行间隔，天线的平均悬挂高度可以为35 m，端子高度可以为4 m。徐连高速铁路横越特大桥时，铁塔的高度将增加到40 m或45 m。由于当前的铁路覆盖设计要求边缘覆盖概率达到95%，因此在要求上游和下游边缘速率为1 Mb/s的条件下，小区覆盖被限制为上行链路。

2.4 LTE-R承载网

对于LTE-R承载网中基于同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的多业务传送平台（Multi-Service Transfer Platform，MSTP），每一种业务都有其固定信道和预留固定带宽，而不是和其他应用共享信道，物理层面的隔离决定了MSTP技术主要用于承载高等级的通信业务。在车站设备骨干层和汇聚层构建徐连传输环网，车站和车站之间的接入层采用SDH组建接入层传输系统。增强型MSTP通过兼容SDH、以太网、异步传输（Asynchronous Transfer Mode，ATM）等业务，形成综合传送体系。增强型MSTP融合了时分复用和以太网的优点，采用双平面传送模式，SDH、PDH等业务通过传统时分复用平面进行传送，以太网、ATM等分组业务通过分组平面进行传送，这些特点使得增强型MSTP能够很好地满足专网通信系统的需求。在时钟同步方面，增强型MSTP既支持传统的G.813频率同步，也支持IEEE1588v2高精度时间同步，同时能灵活匹配不同的网络同步制式，从而满足LTE-R系统对高精度时间同步的要求。

采用分组传送网（Packet Transport Network，PTN）及增强型MSTP结合的方案时，需要验证分组环境下承载网与无线侧服务质量（Qudity of Service，QoS）的匹配性，协调厂家提供测试设备，对外部资源尤其是光缆纤芯占用较多。而利用既有传输系统提供专用通道组网，对外部资源（如光缆、电源、机房空间）占用小，但是存在占用本线MSTP系统传输资源、正线联调联试交叉进行干扰较大等问题。与此同时，既有MSTP系统不支持1588V2信号的地面传送，也无法进行分组承载环境下的指标验证。综合考虑各种因素，本次采用PTN与增强型MSTP结合作为LTE-R系统的承载网。

2.5 方案分析

采用LTE-R技术架构对徐连高铁既有GSM-R系统进行更新改造设计，主要有以下优点。一是GSM-R采用高斯滤波最小移频键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）调制方式和时分多址，数据传输速率较低。而LTE-R基于LTE技术，上行和下行传输峰值速率能够达到50 Mb/s和100 Mb/s，传输时延小。徐连高铁设计改造方案按照LTE-R技术实施，能够提高整条铁路运输通信传输带宽，较好地满足业务需求，更低的传输延时可为铁路各类行车业务提供保障。二是LTE-R系统网络采用扁平化的IP网络结构，降低了无线系统网络部署的难度，同时也为维护带来方便。三是LTE-R采用基带处理单元（Base Band Unit，BBU）+遥控射频单元（Remote Radio Unit，RRU）组网接入，现场维护和组网更灵活。此外，采用冗余组网方式，能够确保网络的稳定。通过拉远RRU，降低特殊地段的施工难度和维护难度。

3 徐连高铁LTE-R网络可靠性保障措施

为了确保LTE-R系统的安全性，需要提高设备的运行可靠性。在系统中配置冗余设备，搭建双套系统或者双套设备。采用设备双机热备方式能够解决LTE-R系统中单一设备失效造成的系统故障，避免因1套eNodeB设备故障造成小区无信号覆盖，致使行车数据无法发送，引起列车减速或无法运行。在LTE-R无线移动通信系统中，无线宽带的中继系统分为应用层、网络层、用户层。由于无线宽带的中继系统保密性高且网络流量大、不易阻塞，因此适用于移动铁路LTE-R通信系统。

对于高速行驶的列车，根据列车当前信息计算出当前小区的预承载点，提前进行小区的测量、目标小区判定和信令交互，通过节省切换时间达到缩短时延的目的。LTE-R越区切换算法流程如图2所示。