龔驍猷

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

近年來，隨著高鐵大力發(fā)展，GSM-R無線通信系統(tǒng)的瓶頸開始逐漸凸顯，主要體現(xiàn)在：1）容量受限：只有4 MHz頻譜，帶寬小，所承載的業(yè)務(wù)量少，在大型車站、編組站、大型樞紐等地區(qū)資源緊張；2）傳輸速率低，無法提供圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；3）干擾嚴(yán)重，與民用GSM系統(tǒng)頻段相近，容易受到民用移動通信系統(tǒng)的干擾，降低鐵路運輸?shù)男省?/p>

LTE作為公網(wǎng)的成熟技術(shù)，具有大帶寬、低時延、高速率等眾多優(yōu)點，因此中國國家鐵路集團(tuán)有限公司也將LTE作為下一代鐵路無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，并在多條客專項目中進(jìn)行相關(guān)實驗。但目前為止，在國鐵領(lǐng)域還未有以LTE作為無線承載網(wǎng)的鐵路開通運營。

為驗證LTE作為鐵路無線通信系統(tǒng)的可行性，本文給出LTE系統(tǒng)與有線調(diào)度通信系統(tǒng)互聯(lián)互通的實施方案，并以靖神鐵路為試驗平臺，在靖神鐵路沿線搭建LTE系統(tǒng)測試環(huán)境，對鐵路場景下兩個系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通進(jìn)行驗證，得出最終結(jié)論。

2 LTE系統(tǒng)與有線調(diào)度通信系統(tǒng)互聯(lián)互通實現(xiàn)方案

2.1 互聯(lián)互通必要性

鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)是用來指揮列車運行，保證鐵路運輸安全的重要通信系統(tǒng)，是列車司機(jī)、沿線維護(hù)人員與調(diào)度員、車站值班員之間直接溝通的唯一途徑。為實現(xiàn)上述功能，調(diào)度通信系統(tǒng)需采用有線+無線相結(jié)合的方式進(jìn)行組網(wǎng)。

2.2 互聯(lián)互通實施方案

2.2.1 靖神鐵路工程概況

1）線路概況

靖神鐵路位于陜西省榆林市境內(nèi)，途經(jīng)榆陽區(qū)、橫山縣和靖邊縣。孟家灣（不含）至黃蒿界（不含）段為單線鐵路，線路長度為141.089 km；黃蒿界（含）至靖邊北（不含）段，為雙線鐵路，線路長度17.019 km。新建小紀(jì)汗北、大海則、巴拉素、紅石橋、橫山、古水、趙石畔、響水塘、黃篙界共9個車站，新建白城河線路所1座，新建榆林調(diào)度所1座。

2）行政區(qū)劃和調(diào)度區(qū)劃

陜西靖神鐵路有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)靖神鐵路實施階段的建設(shè)工作以及開通后的運輸生產(chǎn)、調(diào)度和保養(yǎng)工作。

靖神鐵路在榆林調(diào)度所設(shè)置靖神調(diào)度臺（列調(diào)臺、助調(diào)臺、電調(diào)臺、貨調(diào)臺等）。全線均納入靖神調(diào)度臺統(tǒng)一指揮和管理。

3）通信系統(tǒng)概況

靖神鐵路全線設(shè)置傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)、多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)、無線列調(diào)系統(tǒng)，各機(jī)房設(shè)置-48V高頻開關(guān)電源設(shè)備以及閥控式密封鉛酸蓄電池組，沿線敷設(shè)2條48芯單模阻燃光纜。

2.2.2 LTE制式選擇

LTE分為TDD和FDD兩種雙工模式，目前已演進(jìn)至R13版本。根據(jù)《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無[2015]65號），在該頻段上，可分配給鐵路、城市軌道交通使用的頻率資源最多為20 MHz。

主流廠家在1 800 MHz頻段上生產(chǎn)的設(shè)備均為TDD-LTE制式，因此本文選用基于1 800 MHz頻段的TDD-LTE系統(tǒng)作為此次試驗的無線通信系統(tǒng)。

2.2.3 組網(wǎng)方案

1）LTE組網(wǎng)方案

a.系統(tǒng)組成

LTE網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)（EPC）、基站（eNodeB）、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（OMC）和終端設(shè)備等組成。

核心網(wǎng)包括移動性管理設(shè)備（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、PDN網(wǎng)關(guān)（PGW）等。核心網(wǎng)負(fù)責(zé)完成移動終端用戶的接入控制、位置管理、會話管理、路由選擇以及小區(qū)切換等功能。

基站（eNodeB）由基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）組成。BBU通過光纖連接RRU，并控制、管理RRU；RRU主要負(fù)責(zé)射頻信號發(fā)射，實現(xiàn)無線信號覆蓋。

網(wǎng)管系統(tǒng)包括OMC-R和OMC-EPC，OMC-R負(fù)責(zé)對基站（eNodeB）設(shè)備進(jìn)行管理，OMC-EPC負(fù)責(zé)對核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行管理。

移動終端主要為手持臺，用于實現(xiàn)移動用戶與移動用戶之間、移動用戶與固定用戶之間的語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。

b.設(shè)備設(shè)置情況

本次試驗在靖神鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間進(jìn)行，在榆林調(diào)度所通信機(jī)房搭建LTE核心網(wǎng)（EPC）、網(wǎng)管、交換機(jī)等設(shè)備，并選擇在巴拉素站—白城河線路所區(qū)段（8.435 km）搭建基站（eNodeB）子系統(tǒng)，在巴拉素站通信機(jī)房搭建BBU一套，RRU一套；在區(qū)間兩處無線列調(diào)直放站機(jī)房搭建RRU各一套，3套RRU之間平均間距2.8 km。

BBU通過傳輸系統(tǒng)通道與核心網(wǎng)EPC互聯(lián)，通過區(qū)間48芯光纜與RRU互聯(lián)，BBU與RRU采用星型連接方式，每個RRU通過2芯光纖與BBU連接。

BBU利用車站通信機(jī)房-48V高頻開關(guān)電源進(jìn)行供電，RRU利用無線列調(diào)機(jī)房UPS進(jìn)行供電。

2）有線調(diào)度通信組網(wǎng)方案

利用靖神鐵路設(shè)置的多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)，即利用榆林調(diào)度所設(shè)置的多媒體調(diào)度所調(diào)度交換機(jī)、調(diào)度臺，利用巴拉素站多媒體車站調(diào)度交換機(jī)、車站值班臺。

3）互聯(lián)互通組網(wǎng)方案

為實現(xiàn)集群語音調(diào)度功能，此次試驗在榆林調(diào)度所搭建集群語音服務(wù)器1套，集群語音服務(wù)器通過SGi接口與LTE核心網(wǎng)互聯(lián)，通過SIP-R與多媒體調(diào)度所調(diào)度交換機(jī)互聯(lián)，具體互聯(lián)方案如圖1所示。

圖1 LTE與有線調(diào)度通信系統(tǒng)組網(wǎng)方案Fig.1 Networking solution of LTE and wired dispatching communication system

3 試驗過程

3.1 測試系統(tǒng)組成

試驗測試系統(tǒng)由SUV汽車、筆記本電腦（含路測軟件、分析軟件）、測試終端、車頂天線、手持臺組成，如圖2所示。汽車從巴拉素站出發(fā)，向白城河線路所方向前進(jìn)，到達(dá)線路所后沿原路返回巴拉素站，如此往復(fù)測試。

圖2 測試系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Configuration of the test system

3.2 測試對照依據(jù)

試驗過程中對各項數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行記錄，同時對調(diào)度語音業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計。測試內(nèi)容除了統(tǒng)計覆蓋指標(biāo)以外，其余內(nèi)容參照GSM-R系統(tǒng)的各項指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 語音業(yè)務(wù)和非列控業(yè)務(wù)類電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求Tab.1 Requirements of quality of circuit switched data for voice services and non-train-control services

3.3 測試數(shù)據(jù)

3.3.1 LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)統(tǒng)計

總 體RSRP大 于-105 dBm的 占 比 達(dá) 到99.99%，總 體SINR大 于0 dBm的 占 比 達(dá) 到99.61%。測試結(jié)果如圖3、4所示。

3.3.2 調(diào)度語音業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量統(tǒng)計

1）功能驗證

在網(wǎng)絡(luò)加載真實背景業(yè)務(wù)條件下，LTE手持臺和調(diào)度臺、車站值班的基本功能均正常實現(xiàn)，主要包括：

a.個別呼叫：移動用戶呼叫移動用戶、移動用戶呼叫固定用戶、固定用戶呼叫移動用戶；

b.210組呼、299組呼。

2）服務(wù)質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果

a.MS-FT呼叫建立時間和成功率如表2所示。

表2 MS-FT呼叫建立時間和成功率統(tǒng)計表Tab.2 Statistics on MS-FT call establishment time and success rates

b.MS-MS呼叫建立時間和成功率如表3所示。

表3 MS-MS呼叫建立時間和成功率統(tǒng)計表Tab.3 Statistics on MS-MS call establishment time and success rates

c.組呼及緊急呼叫建立時間和成功率如表4所示。

表4 210組呼和299組呼建立時間和成功率統(tǒng)計表Tab.4 Statistics on call establishment time and success rates of 210 and 299 group call services

d.手持臺語音質(zhì)量測試結(jié)果：（MOS=3.14）如圖5所示。

3.3.3 與GSM-R系統(tǒng)的對照

經(jīng)過大量實驗以后，本文對所有記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，最終形成LTE系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)的對照如表5所示。

圖4 總體SINR統(tǒng)計圖Fig.4 Overall SINR statistics

圖5 語音質(zhì)量統(tǒng)計圖Fig.5 Statistics chart of voice quality

表5 LTE調(diào)度語音與GSM-R調(diào)度語音對照表Tab.5 Comparison between LTE and GSM-R dispatching voice services

4 結(jié)論

本文借助靖神鐵路搭建LTE系統(tǒng)與有線調(diào)度通信互聯(lián)互通的測試環(huán)境，經(jīng)過現(xiàn)場多次測試，驗證了LTE系統(tǒng)與調(diào)度交換機(jī)互聯(lián)互通的可行性，實現(xiàn)了有線與無線相結(jié)合的調(diào)度通信方式，并為今后的鐵路通信系統(tǒng)設(shè)計、工程建設(shè)、產(chǎn)品研發(fā)提供了相應(yīng)依據(jù)。

根據(jù)上述試驗結(jié)果表明，LTE系統(tǒng)各項指標(biāo)均滿足GSM-R系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)值，并且網(wǎng)絡(luò)注冊時延、最大端到端時延、平均端到端時延、越區(qū)切換中斷時間、越區(qū)切換成功率等數(shù)值均優(yōu)于GSM-R系統(tǒng)，因此可以得出LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能高于GSM-R系統(tǒng)，是下一代鐵路無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。