TD-LTE技术在朔黄重载铁路中的应用

熊洁 虞凯

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

TD-LTE技术在朔黄重载铁路中的应用

熊洁 虞凯

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

随着TD-LTE技术标准和产业链的发展，TD-LTE已经具备了在铁路进行推广应用的条件。对TD-LTE在铁路应用的技术优势进行分析，并针对朔黄铁路TD-LTE宽带移动通信系统的技术方案特点进行探讨，希望对以后TD-LTE在铁路的应用和发展有一定的借鉴和指导意义。

TD-LTE；朔黄铁路；重载

1 概述

LTE作为第4代宽带移动通信系统，在国际和国内都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。国内移动、联通和电信都已开始全国范围大规模的LTE网络建设。同时，国际铁路联盟（UIC）和中国铁路总公司已经明确提出铁路移动通信系统的演进路线将跨越3G技术，直接由GSM-R技术向LTE技术发展。

随着LTE技术标准和产业链的发展，LTE已经具备了在铁路进行推广应用的条件。

2 LTE网络架构简介

LTE网采用SAE网络体系结构，由核心网EPC（Evolved Packet Core）和无线接入网E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）构成。核心网EPC主要包括MME、S-GW、P-GW、HSS等网元，无线接入网E-UTRAN仅由演进后的节点eNodeB组成，处理所有与无线接入有关的功能。LTE网络结构及主要接口如图1所示。

图1 LTE网络架构示意图

eNodeB之间通过X2接口连接，每个eNodeB又和EPC通过S1接口相连。S1接口的用户面终止在服务网关S-GW上，S1接口的控制面终止在移动性管理实体MME上。无线接入网架构及主要接口如图2所示。

图2 无线接入网架构示意图

3 TD-LTE在铁路应用的技术优势

LTE标准支持频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）模式和时分双工（Time Division Duplexing，TDD）模式，即FD-LTE和TD-LTE。TD-LTE支持上下行非对称业务，适应铁路移动通信业务特点；同时为非对称频谱，频率配置灵活,可使用FDD不易使用的零散频段,频率申请和指配难度较低；另外，作为中国具有自有知识产权的国际标准，受到国家产业政策的大力支持，国内产业链完整，具有技术优势。由此，相对FDLTE来说，TD-LTE更适合在我国铁路进行发展和应用。TD-LTE在铁路应用的技术优势主要体现在以下几方面。

3.1 带宽配置灵活

LTE支持1.4、3、5、10、15 MHz和20 MHz带宽配置，根据不同的铁路应用场景，可提供不同的带宽配置进行组网。

3.2 扁平化网络结构

相比于3G网络，LTE网络取消了无线网络控制器，网络结构更加扁平，降低了组网成本，增加了组网灵活性和系统可靠性，并能大大减少用户数据和控制信令的时延。

3.3 数据业务速率和频谱利用率高

在10 MHz带宽条件下，LTE峰值速率可以达到下行50 Mbit/s和上行25 Mbit/s；下行频谱利用率可达5 （bit/s）/Hz，上行频谱利用率可达2.5 （bit/s）/Hz，高频谱效率有助于解决频率资源受限与高数据速率需求之间的矛盾。

3.4 信令和数据传输时延小

LTE用户平面内部单向传输时延低于5 ms，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50 ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间低于100 ms。低传输时延满足高实时性业务的传输需求，在与铁路安全业务承载相关的网络注册时延、连接建立时延、端到端传输时延等指标上比传统系统具有较大优势，更能满足铁路应用需求。

3.5 移动和切换性能优异

LTE支持在多个小区间的移动和无损切换。LTE移动性能可支持350 km/h以上，在铁路等高速移动通信环境下可保持优异的性能。同时，大大减小了小区切换时延，并保证切换时数据完整性，有利于列车控制等安全数据的有效传输。

3.6 端到端QoS保障

LTE基于精细化的分级业务管理，与空口资源管理相结合，实现了端到端的业务QoS保障，保证高优先级业务优先获得传输资源。在铁路应用中，存在不同优先级级别的业务应用，基于系统端到端的业务QoS保障，可制定符合铁路业务需求的优先级策略，保证高优先级业务优先获得传输资源，从而在满足各种业务接入的同时，确保列车控制等实时安全数据信息的传输。

3.7 支持上下行非对称业务

TD-LTE支持多种不同上下行子帧配比，可对系统上下行传输资源进行合理分配，以支持上下行非对称业务。对铁路应用业务来说，上行需要的传输资源要远大于下行，通过选择合适的上下行子帧配比方案可使系统的上行吞吐量达到最大，以满足铁路应用业务要求。

3.8 网络架构全面IP化

网络架构全面分组化，电路域不再被定义，只有分组域，包含语音通信等所有业务都只是利用LTE作为承载平台，符合移动通信全IP的发展趋势，适应于未来移动通信网和互联网逐步融合的大趋势。

3.9 支持多接入技术

支持与现有3GPP系统的互通，同时支持非3GPP网络的接入，支持用户在3GPP及非3GPP网络间的漫游和切换，保持用户在不同网络间、移动技术间业务的连续性。

3.10 网络安全性增强

将网络安全分为网络接入安全、网络域安全、用户域安全、应用域安全和安全服务的可视性与可配置性等5个域，采用双向鉴权、密匙协商、完整性保护等方法增强了网络的安全性。

3.11 系统可靠性高

LTE采用扁平化组网架构，可以简化网络构成，减少系统故障点，网络冗余组网灵活方便。

4 朔黄重载铁路对移动通信的需求分析

4.1 无线调度通信

调度通信：满足列车调度员与机车司机之间，车站值班员、机车司机、手持终端之间的列车无线调度通信；

机车同步操控通信：满足重载列车多个机车司机间在编组、解编和运行时的同步操控语音通信；

养护维修通信：满足铁路沿线维护人员的通信需求（可取代常规铁路沿线的区间通话柱），用于养路、桥隧、接触网（供电）、水电、电务等部门的区间维护作业通信；

应急救援通信：满足公安、抢修、救援等多部门、多工种的应急通信需求。

4.2 与列车控制相关的数据传输

在重载铁路中主要为机车同步操控和列车尾部装置信息传送。

机车同步操控信息传送：利用无线通信方式在分布于重载列车中的各个机车之间进行数据传输，以实现各个机车之间的同步牵引和制动等机车同步操作，从而优化整个列车的动力分配和制动控制。

可控列车尾部装置信息传送：在列尾参与机车同步操控情况下，列尾跟随主车同步操控指令跟随排风。同时，机车司机利用无线通信向列尾主机人工发送排风制动、查询风压指令，列尾主机向机车司机定时发送风压信息、上报风压报警信息。

4.3 与列车调度相关的信息传输

车次号校核信息传送：通过与CTC/TDCS系统互连，机车利用无线通信向CTC/TDCS系统传送车次号信息；

调度命令信息传送：通过与CTC/TDCS系统互连，利用无线通信实现CTC/TDCS系统与机车之间调度命令信息（包括调度命令、行车凭证、调车作业通知单、列车进路预告等行车指挥信息）、自动确认、手动签收和调车请求等信息的传送。

4.4 与铁路运营管理相关的信息传输

列车移动视频监控、列车状态监测与故障诊断等提高运营效率和管理水平、以及安全防范能力的信息系统的数据传送。

朔黄重载铁路移动通信业务对LTE网络传输承载的需求如表1所示。

5 朔黄重载铁路TD-LTE系统技术方案特点

5.1 负荷分担双网冗余组网

根据朔黄重载铁路移动通信承载涉及行车安全的列车操控类业务特点，朔黄铁路TD-LTE在网络冗余上采用负荷分担双网冗余组网方案，在充分保障机车同步操控等安全数据业务可靠性的同时，又可以充分利用朔黄铁路申请到的10 M频率带宽以获取最大的频率效率和数据带宽。

负荷分担双网冗余通过设置不同的核心网EPC和eNodeB基站组成A和B双层网络，双层网络相对独立。两层网络采用负荷分担方式工作，根据事先确定的分配方案，将指定的终端业务分配到其中一层网络，当一层网络的核心网或所属基站出现故障时，终端可通过接入另一层网络将业务倒换。双层网络的逻辑结构如图3所示。

负荷分担双网下朔黄铁路业务承载模式如表2所示。

表2 负荷分担双网业务承载表

负荷分担双网中业务承载的工作策略主要有：

1）非固定网络终端通过优选列表优先驻留在A核心网或B核心网，固定网络终端通过IMSI固定分配到指定的核心网中。

2）在一层网络下的eNodeB监测到网络负荷过重时，可根据内部算法控制非固定网络终端切换到另一层网络下。

3）非固定网络终端驻留一层网络后，在该层网络核心网故障或服务小区故障时，可重新进行网络选择进入到另一层网络。

4）非固定网络终端驻留一层网络后，在满足一定控制条件下可通过正常切换流程切换至另一层网络。

5）同层网络下或不同层网络下的终端均可进行数据互通。

在负荷分担双网下，LTE网络内任何设备单点设备故障时，列车操控类安全数据业务不会中断，非安全业务会暂时中断，但均可在较短时间内恢复。

5.2 不同优先级业务QoS保障机制

朔黄铁路TD-LTE网络针对朔黄铁路的业务需求，利用LTE端到端QoS保障机制实现了机车同步操控、语音通信、车次号校核和调度命令信息、移动视频监控等不同优先级业务在同一LTE网络平台进行承载，该机制通过多次验证结果表明，完全满足朔黄铁路多业务同网承载的技术要求。

1）优先级分配原则

朔黄铁路TD-LTE网络为网内业务和用户提供了4个优先等级，并根据不同优先级提供相应的服务质量。4个级别的优先级分别用1、2、3、4表示。

1级：铁路紧急呼叫调度语音类信息传输业务、机车同步操控类信息传输业务、列控类信息传输业务；

2级：机车台呼叫语音类信息传输业务、与调度相关的信息数据传输业务（车次号校核、调度命令信息）；

3级：手持台呼叫语音类信息传输业务；

4级：其他监控类信息数据传输业务。

2）在网络资源受限时优先级处理原则

a.资源受限时主要通过准入控制、拥塞控制和业务抢占机制联合实现业务服务质量的保证，按照优先级顺序优先保障高优先级业务的服务质量。

b.准入控制根据小区负载情况来决定是否允许新业务或切换业务准入；拥塞控制在系统拥塞时允许释放低优先级业务占用的资源；业务抢占在系统拥塞状态下，新申请接入的高优先级业务允许抢占其他低优先级业务的资源来获得接入。主要处理原则如表3所示。

5.3 系统全冗余配置

朔黄铁路TD-LTE网络中所有网元均为冗余配置，同时所有网元之间的连接均采用冗余连接方式，提高了系统RAMS。

基站eNodeB的分布式基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU之间采取冗余连接方式。

表3 各业务优先级处理原则

每个RRU配置2个CPRI端口，分别与BBU的2个互为冗余的基带单板连接，当1路CPRI端口故障或者光纤故障时，将自动倒接到另一路冗余热备的CPRI接口连接上。

在网络中除了CPRI接口外，其他均为标准IP接口连接，通过采用LCAP TRUNK绑定，可实现连接的链路聚合和冗余备份。同时，基于SCTP双归属，实现了S1和X2等接口的控制面双路由冗余。

5.4 IP地址统一分配和域名解析

通过引入与GSM-R/GPRS一致的采用RADIUS和DNS进行IP地址分配和域名解析的方式，所有的机车通过机车号获得与之唯一对应的IP地址和域名，并通过域名解析实现LTE网络下机车间的数据直接传输，机车同步操控系统的编组、解编和操控等数据会议功能均不再通过地面应用节点AN，机车间同步操控业务数据传输更具效率，并减少了中心故障点，大幅提高机车同步操控业务的鲁棒性。

5.5 基于VoIP的列车调度集群语音通信系统

在LTE网络上实现了基于VoIP的列车调度集群语音通信业务，集群语音通信作为应用系统承载在LTE网络平台上，系统功能完全满足GSM-R要求，提供个呼、组呼、广播、紧急呼叫和优先级呼叫，并实现了功能号呼叫和基于位置的呼叫等铁路应用业务。此外，系统还提供了机车同步操控组呼和临时组呼功能，机车司机可通过组呼进行重载列车多个机车司机间在编组、解编和运行时的同步操控作业语音通信，移动人员可通过临时组呼进行区间维护作业和安全防护作业通信。同时，系统通过SIP网关与既有FAS和PSTN互联互通，呼叫方式和编号方案与GSM-R一致，保持了系统运用的连贯性。

由于LTE是一个只有分组域的IP数据移动承载网，包含语音通信等所有业务都只是利用LTE作为数据传输承载平台，朔黄铁路无线调度通信是基于PoC架构构建的VoIP集群语音系统。虽然得益于LTE技术的高移动性、低时延和端到端QoS机制，朔黄铁路集群语音系统基本可满足朔黄铁路无线调度通信业务的要求，但VoIP的语音性能指标还是未能达到现有电路域语音业务的质量。未来，LTE在全国铁路进行推广应用时，近期可通过GSM-R和LTE双网并行来实现语音和大容量数据的传输，最终则需要建设适合铁路应用的VoLTE系统来走向全LTE网络。

5.6 数据传输实效性保障

由于LTE网络的IP传输特性，存在数据包可能会非顺序到达的特点，这给机车同步操控等实时数据业务造成了数据时效性的问题。朔黄铁路机车同步操控通过采取GPS时间同步，给数据包带上时间戳等措施来保障数据传输的实时有效性。

6 结束语

朔黄铁路TD-LTE宽带移动通信系统于2014年9月29日已成功开通，通过测试和运营验证初步表明，朔黄铁路TD-LTE系统制定的技术方案是可行和合理的，完全满足朔黄重载铁路对移动通信的需求。但朔黄铁路TD-LTE系统是TD-LTE技术在铁路行业的首次应用，相关技术方案在后期实际运营中还需要进一步验证，不断优化，最大化的利用LTE系统的优势，实现铁路安全高效的运行。

[1] 3GPP TS 36.401 Architeture description[S].

[2]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，2014，50（4）：68-72.

[3]曹彦平.朔黄重载铁路LTE系统可靠性措施探讨[J].数据通信，2014（1）：1-5.

[4]曹彦平.朔黄重载铁路LTE系统容量分析[J].数据通信，2014，50（ 5）：75-78.

[5]尹福康.TD-LTE无线通信系统在铁路上的应用[J].铁路通信信号工程技术，2013，10（3）：1-5.

With the development of TD-LTE technical standard and industry chain, TD-LTE has been provided with the application condition to spread in railways. This paper analyzes the advantages of applying TD-LTE technology in railways, and discusses the technical features of TD-LTE broadband mobile communication system of Shuo-Huang railway, for providing some references and guidance for the future application and development of TD-LTE technology in railways.

TD-LTE; Shuo-Huang railway; heavy haul

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.007

2014-08-28）

国家科技支撑计划课题（2013BAG20B00）；四川省科技基础条件平台项目（2013TPTZ0005）