曹彥平

TD－LTE技術構建朔黃鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)可行性研究

曹彥平

朔黃鐵路3.5億噸擴能改造后，需開行2萬噸重載列車，既有無線通信系統(tǒng)無法滿足機車同步操控的業(yè)務需求。研究了朔黃鐵路寬帶移動通信的業(yè)務需求，并對適用于業(yè)務需求的移動通信技術進行了分析和論證。通過朔黃鐵路40km試驗段的測試驗證，表明TD-LTE技術作為新一代通信技術，適用于構建朔黃鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)。

朔黃鐵路;TD-LTE;寬帶移動通信系統(tǒng);重載

朔黃鐵路是我國“西煤東運”第二大通道的重要組成部分，對國家煤炭運輸發(fā)揮著重要作用。目前，朔黃鐵路800 MHz+400 kHz無線通信系統(tǒng)，承載萬噸列車機車同步操控數(shù)據(jù)傳輸，存在容量較小、可靠性低、安全性差、通信距離不足等問題;此外，為解決長大列車縱向沖動問題，需采用可控列尾與機車制動操作聯(lián)動，列尾與主控機車間通信距離將達到2500 m以上，顯然現(xiàn)有通信系統(tǒng)無法滿足要求。為實現(xiàn)年運量3.5億噸、開行2萬噸列車的目標，滿足擴能改造和多業(yè)務承載需求，必須要有一套能夠承載2萬噸列車機車同步操控等業(yè)務的平臺。因此，從2010年開始朔黃鐵路啟動寬帶移動通信系統(tǒng)的研究和試驗工作。

1 寬帶移動通信的業(yè)務需求

朔黃重載鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)，作為鐵路運行業(yè)務的綜合通信平臺，需要傳輸多機車同步操控、可控列尾，以及語音調度、視頻監(jiān)控等四大類業(yè)務，業(yè)務類型如表1所示。

目前，前3類業(yè)務有不同的通信系統(tǒng)承載，但既有系統(tǒng)為窄帶業(yè)務系統(tǒng)，無法滿足朔黃重載擴能需求，也無法實現(xiàn)第4類圖像等大數(shù)據(jù)業(yè)務。而且，開行2萬噸組合列車，列車長度增加到2500 m以上，機車之間的距離大于1400 m，機車同步操控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的時效性、安全性、可靠性提出了很高的要求。具體表現(xiàn):①可靠性高，開通2萬噸列車，需要考慮在網(wǎng)絡故障或網(wǎng)絡擁塞情況下對機車同步操控業(yè)務無影響;②時效性高，根據(jù)機車同步操控系統(tǒng)要求，無線網(wǎng)絡的傳輸時延需小于500 ms;③數(shù)據(jù)容量大，主控與從控機車、從控與從控機車的數(shù)據(jù)傳輸間隔和數(shù)據(jù)量較既有系統(tǒng)有了明顯提高。

因此，建設寬帶移動通信系統(tǒng)不僅要承載四大類業(yè)務，滿足多業(yè)務車-地通信承載要求，而且要負責安全業(yè)務的實時性、可靠性。不同業(yè)務對無線網(wǎng)絡的帶寬、實時性、可靠性要求不同，在建設朔黃鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)時，既要充分利用無線網(wǎng)絡資源，提供網(wǎng)絡利用率，又要根據(jù)不同業(yè)務的特點設置不同優(yōu)先級，保障網(wǎng)絡在資源緊張時對重要業(yè)務的承載。

表1 朔黃鐵路車-地通信業(yè)務類型

2 移動通信技術選型

2.1 GSM-R

GSM-R在國內大鐵領域專用移動通信系統(tǒng)中大規(guī)模應用，提供鐵路通信標準功能，包括:列控信息傳遞、語音調度、多優(yōu)先級強插與強拆、功能尋址、位置尋址等。從通信制式方面看，GSM-R屬于2G窄帶技術，數(shù)據(jù)承載能力有限，電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(CSD)速率低，為kb/s級別，僅能承載流量要求較小的專用列控數(shù)據(jù);而通用數(shù)據(jù)服務GPRS，因可提供的帶寬有限，也無法滿足高數(shù)據(jù)吞吐量的現(xiàn)代通信業(yè)務需求。GSM-R系統(tǒng)技術成熟，但與3G、4G等系統(tǒng)相比，總體技術已顯落后。

2.2 Wi-Fi

Wi-Fi是目前廣泛使用和部署的無線寬帶接入技術，國內大多數(shù)城市地鐵采用Wi-Fi技術實現(xiàn)車-地之間的雙向高速通信，可滿足80 km/h列車運行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸要求。對于Wi-Fi技術，存在的主要問題:沿線要布置很多AP節(jié)點，移動性切換難處理;由于Wi-Fi工作在2.4 GHz的ISM頻段，不受保護，易受干擾。

2.3 WiMAX

WiMAX屬于3G技術，是基于IEEE802.16e標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術，可為企業(yè)和家庭用戶提供寬帶無線連接方案。但WiMAX技術的演進路標尚不明確。如果WiMAX向802.16 m演進則面臨產(chǎn)業(yè)鏈支撐不足、配套設備缺失的問題;如果向LTE演進，則將增加項目實施的復雜度及投資成本。

2.4 LTE

LTE屬于3G向4G演進的主流技術，是3GPP在移動通信網(wǎng)絡基礎上進行寬帶化研發(fā)的無線技術，目前在世界范圍內已大規(guī)模商用。LTE有FDD和TDD 2種制式，LTE系統(tǒng)采用All-in-IP組網(wǎng)，網(wǎng)絡結構扁平化，減少了系統(tǒng)時延。在控制面，從空閑模式轉為激活模式，時間小于100 ms;從休眠模式到激活模式，時間小于50 ms。在用戶面，最小時延5 ms。頻譜效率方面，采用OFDM/ MIMO，下行20 MHz頻譜帶寬內，峰值速率100 Mb/s，頻譜效率達到5 bps/Hz;上行20 MHz頻譜帶寬內，峰值速率50 Mb/s，頻譜效率達到2.5 bps/Hz。同時采用多種抗干擾技術。

LTE已確定為下一代移動通信的演進目標，目前全球81個國家的218家運營商已經(jīng)投資建設LTE網(wǎng)絡，超過67個LTE網(wǎng)絡正式投入商業(yè)運營。從近期和遠期來看，LTE系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)鏈方面有著明顯的優(yōu)勢。UIC(國際鐵路聯(lián)盟)和中國原鐵道部都已提出鐵路無線通信系統(tǒng)向LTE演進的指導方向，并已啟動理論研究和標準制定的準備工作。

朔黃鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)需要承載重載列車機車無線重聯(lián)安全數(shù)據(jù)信息、調度命令和車次號校核信息、集群調度通信和視頻監(jiān)控等業(yè)務，未來可為神華集團數(shù)字鐵路的建設規(guī)劃和發(fā)展提供移動數(shù)據(jù)業(yè)務的承載基礎，應具備高可靠性、高數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸速率和低數(shù)據(jù)傳輸時延、良好的移動性，而這幾個特點正是LTE系統(tǒng)的優(yōu)勢。因此，在朔黃鐵路選取一個試驗段進行LTE技術研究。

3 朔黃鐵路試驗段實施情況

3.1 試驗段地點及條件

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊港站，全線594 km。試驗段工程選取小覺站、古月站、西柏坡站共3站2區(qū)間，全長40.7 km，15個隧道，隧道總長約5.7 km，包括開闊平原、隧道、橋梁等地形，能兼顧各種環(huán)境的測試，如長大明區(qū)間和隧道等弱場區(qū)的信號覆蓋等。

3.1.1 頻率

朔黃鐵路隸屬神華集團，目前已申請獲得河北、山西、陜西、內蒙古等4省鐵路沿線1.8 GHz頻段10 MHz帶寬(1785 MHz～1795 MHz)的鐵路專用移動通信頻率資源，可用于構建朔黃重載鐵路的寬帶移動通信系統(tǒng)。

3.1.2 LTE制式

LTE存在FDD LTE和TDD LTE(即TD-LTE) 2種制式，F(xiàn)DD需要使用上下行對稱頻率，頻率之間需要“間隔”保護。TDD發(fā)送和接收信號在同一頻率信道的不同時隙中進行，不需要對稱的頻率，在進行不對稱的數(shù)據(jù)傳輸時，可充分利用有限的頻譜資源，因此，TDD存在不對稱組網(wǎng)的優(yōu)勢。TD-LTE為中國自有知識產(chǎn)權的LTE國際標準，受到工信部在內的國家通信主管部門的大力扶持。在該背景下，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均在積極投入TD-LTE技術的研發(fā)。截至目前，國內各行業(yè)(電力、民航、能源、交通等)均選用了TD-LTE作為其無線移動業(yè)務的承載平臺。

3.1.3 試驗驗證要求

1.安全可靠性。保證網(wǎng)絡故障情況下對安全業(yè)務包括機車同步操控、可控列尾等無影響。保證有限頻率資源情況下，全業(yè)務正常運營，尤其是機車同步操控、可控列尾、緊急呼叫等重要業(yè)務的高可靠、高安全性。另外，LTE網(wǎng)絡作為全IP網(wǎng)絡，承載重載鐵路安全業(yè)務低時延傳送以及調度語音業(yè)務需求，應充分發(fā)揮LTE高帶寬優(yōu)勢，承載更多車-地信息，保障重載運營更高效、更安全。

2.異系統(tǒng)互聯(lián)互通。實現(xiàn)與新開發(fā)系統(tǒng)，如機車同步操控系統(tǒng)、可控列尾、機車臺的平滑對接，以及與既有有線調度系統(tǒng)(FAS)、調度集中(CTC)的互聯(lián)互通。

圖1 網(wǎng)絡結構示意圖

3.2 網(wǎng)絡結構

LTE系統(tǒng)主要承載重載列車機車無線重聯(lián)安全數(shù)據(jù)信息、列車調度通信、調度命令、無線車次號校驗和視頻監(jiān)控業(yè)務。在進行TD-LTE網(wǎng)絡設計時，通過系統(tǒng)級、網(wǎng)元級和單板級的三級保障，滿足重載鐵路網(wǎng)絡安全性需求。由LTE網(wǎng)絡、業(yè)務應用系統(tǒng)、運行與支持系統(tǒng)和終端設備等四部分組成。網(wǎng)絡結構如圖1所示。

TD-LTE網(wǎng)絡包括核心網(wǎng)和無線2部分，在中心機房設置核心網(wǎng)，按鏈狀網(wǎng)結構沿鐵路新設eNB，并接入核心網(wǎng)?；静捎梅植际交鶐幚韱卧?BBU)+射頻拉遠單元(RRU)的方式。

試驗段采用共站址雙網(wǎng)覆蓋建設方案，明區(qū)間采用BBU+RRU進行空間覆蓋為主，在隧道、路塹等弱場區(qū)域采用BBU+RRU結合漏泄同軸電纜、天線的方案進行覆蓋。為了充分測試網(wǎng)絡性能，試驗段分別測試了2種無線組網(wǎng)的性能。

3.2.1 負荷分擔方式

核心網(wǎng)設置2套EPC，采用負荷分擔方式工作。無線接入網(wǎng)E-UTRAN在同一站址也設置2套獨立基站，分別接入主備核心網(wǎng)EPC，形成雙層網(wǎng)絡，組網(wǎng)結構如圖2所示。

圖2 負荷分擔方式LTE組網(wǎng)示意圖

頻率按照同頻組網(wǎng)方式進行規(guī)劃。本項目頻率資源為1785～1795 MHz共10 MHz帶寬，分為2個5 MHz頻率，A網(wǎng)和B網(wǎng)分別使用1785～1790 MHz(F1)和1790～1795 MHz(F2)。A、B網(wǎng)無線覆蓋范圍基本相同，頻率規(guī)劃和場強覆蓋如圖3所示。

圖3 負荷分擔方式頻率規(guī)劃和場強覆蓋示意圖

3.2.2 主備冗余方式

核心網(wǎng)設置2套應用相同策略的EPC，采用熱備冗余工作。在同一站址設置2套獨立基站，同時接入主備核心網(wǎng)EPC，形成雙層網(wǎng)絡。組網(wǎng)結構如圖4所示，頻率規(guī)劃和場強覆蓋如圖5所示。

圖4 主備冗余方式LTE組網(wǎng)示意圖

圖5 主備冗余方式頻率規(guī)劃和場強覆蓋示意圖

3.3 試驗結果

3.3.1 業(yè)務測試

試驗列車采用1#SS4B(機車)+2#SS4B+ 106*C70(車輛)+3#SS4B+4#SS4B組合列車編組方式。在4臺SS4B機車上安裝無線重聯(lián)、語音通信、可控列尾、視頻等車載設備，進行相關靜態(tài)和動態(tài)試驗。試驗結果如下。

1.LTE網(wǎng)絡承載列車無線重聯(lián)業(yè)務可行。機車無線重聯(lián)同步控制的各項操作在試驗段全區(qū)間試驗成功，響應時延滿足主、從機車同步控制要求。

2.LTE網(wǎng)絡承載可控列尾數(shù)據(jù)業(yè)務可行。列尾設備編解組和同步排風功能在試驗段全區(qū)間試驗成功。

3.基于LTE技術的列車調度通信機車臺和接口服務器，具備無線列車調度語音通信、車次號、調度命令信息傳送功能，滿足應用業(yè)務要求。

4.LTE網(wǎng)絡具備承載無線列車調度語音通信、調度命令和車次號信息傳送業(yè)務能力。

5.LTE網(wǎng)絡承載視頻監(jiān)控業(yè)務可行。LTE網(wǎng)絡承載2路標清視頻監(jiān)控業(yè)務在試驗段全區(qū)間試驗成功。

6.LTE網(wǎng)絡多業(yè)務承載優(yōu)先級保障機制有效。對比單無線重聯(lián)業(yè)務場景和無線重聯(lián)、視頻傳輸、語音，以及FTP大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)染C合業(yè)務場景下的無線重聯(lián)操作響應時間，驗證了在搶占資源情況下無線重聯(lián)業(yè)務的優(yōu)先級和服務質量能夠得到保障。網(wǎng)絡性能測試結果及與GSM-R比較見表2。

表2 LTE網(wǎng)絡性能測試結果及與GSM-R比較

從表2數(shù)據(jù)可以看出，網(wǎng)絡注冊時延、連接建立時延、端到端傳輸時延等十余項與鐵路安全相關的關鍵指標，LTE明顯優(yōu)于GSM-R系統(tǒng)。

3.3.2 2種不同組網(wǎng)方式比較

針對負荷分擔雙網(wǎng)方案和主備冗余組網(wǎng)方案2種組網(wǎng)方式進行比較，指標對比如表3所示。

表3 負荷分擔雙網(wǎng)方案與主、備冗余組網(wǎng)方案性能比較

測試結果表明，在滿足業(yè)務承載的前提下，負荷分擔雙網(wǎng)方案整體指標優(yōu)于主備冗余組網(wǎng)方案，單用戶平均吞吐量較主備冗余組網(wǎng)方案翻倍，頻譜利用率高，在可靠性及系統(tǒng)容量方面更顯優(yōu)勢，更適合于朔黃鐵路。

4 總結

本文通過理論分析和試驗段測試數(shù)據(jù)，研究了采用TD-LTE技術構建朔黃鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)的可行性。TD-LTE技術作為未來發(fā)展的主流技術，首次應用于重載鐵路多業(yè)務承載，需在試驗段的基礎上，進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，推進工程化進度，構建朔黃鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)，實現(xiàn)朔黃鐵路運能提升和可持續(xù)發(fā)展。

［1］科技運［2007］139號.GSM-R數(shù)字移動通信應用技術條件.第6分冊機車同步操控信息傳送系統(tǒng)(V1．0)［S］.2007，15.

［2］邸士萍.大秦線機車同步操控通信系統(tǒng)綜述［J］.鐵路工程，2006:14～16.

［3］李蔚.重載組合列車分布動力機車重聯(lián)控制系統(tǒng)無線傳輸同步性研究［J］.中國鐵道科學，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

曹彥平:朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司高級工程師062350河北肅寧

2013-10-15

(責任編輯:諸紅)