摘要：我国铁路整体技术的不断进步，对铁路沿线的移动通信系统提出了新的发展要求。高速铁路视频、数据、防灾、旅客服务等大颗粒业务的不断增多，对铁路移动通信带宽和速率的需求不断提高，现有的GSM-Ｒ移动通信技术愈发难以承载。作为4G通信技术的代表，LTE技术为需求的解决提供了可能。如何结合LTE的特点及铁路部门相关技术要求，为LTE设备提供高质量的传输承载网络，是本文讨论的重点。
关键词：基于LTE技术；高速铁路；传输承载网络；策略研究
1、前言
LTE（Long Term Evolution，长期演进）是由3GPP（The3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE基于旧有的GSM/EDGE和UMTS/HSPA网络技术，是GSM/UMTS标准的升级，LTE的当前目标是借助新技术和调制方法提升无线网络的数据传输能力和数据传输速度，如新的数字信号处理（DSP）技术。
2、现有高速铁路传输系统基本架构
现有高速铁路传输系统利用不同物理径路的2条光缆组成骨干层、汇聚层（现与骨干层合设）、接入层网络结构。骨干层、汇聚层合设的传输系统完成各主干节点间的各类业务连接/调配，同时作为整个网络与既有系统的互联层。现有骨干层、汇聚层使用1+1线性复用段保护方式；主要承载业务有数据网通道（包括综合视频监控系统、会议电视系统、旅客服务系统、经营管理信息系统、应急通信系统）、CTC、调度通信系统、GSM-R系统、票务数据等所需的通道。
接入层传输系统完成接入节点业务的接入、汇聚和转接，将来自区间接入层的业务汇聚到骨干层、汇聚层。通常设置奇数基站（包括信号中继站）环、偶数基站（包括信号中继站）环和电牵（牵引供电专业）环。可采用通道保护或复用段保护方式。主要承载的业务有数据网通道、CTC、GSM-R系统、调度通信系统、电力远动（SCADA）系统、应急通信、综合视频监控、直放站监测、微机监测、区间防灾系统等所需的2Mb/s通道、低速数据通道、音频通道及10M/100M以太网通道等。
3、高速铁路LTE传输承载网络研究
下一代铁路移动通信必须满足如下要求：更高的移动性，在链状组网方式下，支持300km/h以上及高速移动；更高的RAMS（Reliablity可靠性、Availability可用性、Maintainability可维修性、Safety安全性）要求；承载列控等业务，无线覆盖需要深度冗余；较高的频率利用率：列车控制、调度指挥业务要求极低的接入时间、极低的阻塞率、较低的传输时延。而LTE技术支持上下行非对称业务，适应铁路无线通信业务特点；而对现有LTE技术改进，即可支持300km/h及以上高速移动要求
为了高质量的承载LTE网络，需要有与之配套的高质量的传输网络，笔者认为网络结构可以如图1所示。为LTE系统配套的传输网络的作用：一是负责LTE系统的eNodeB与核心网之间的通信，将BBU（BasebandUnit基带处理单元）处的业务汇聚到核心网。二是负责将防灾、电力远动（SCADA）、视频监控、环境监控等信息传回各网管（调度）中心，完成多业务的接入。因此传输网络不但需要具备高可靠、低时延的传输性能，还需要具备高可靠性的网络保护能力。当系统出现硬件故障或软件故障时，传输系统都应立即启动保护响应，确保网络及业务不因此中断。此外传输设备还应具有丰富的接口类型，以实现多业务的接入和统一承载。
当前GSM-R系统采普遍采用了汇聚层和骨干层合设的结构，在LTE的配套传输网络中也可将合设的汇聚层和骨干层分开，充分利用改造后的传输骨干五大环作为新的骨干层设备提供迂回保护通道，提高传输网络的安全可靠性。这样的设计可以使接入层、汇聚层、骨干层承载的业务流向更加清晰，更加便于维护管理，局干级的电路承载在骨干层中，车站级的电路承载在汇聚层中，接入层只承载车站级以下的电路。这种设计结构释放了接入层的资源，解决了瓶颈处资源紧张的问题。
图1高速铁路LTE传输承载网络结构示意图
当前在铁路专网应用较为广泛的是MSTP（Multi Service Transfer Platform多业务传输平台）技术，在运营商方面则较多的使用了PTN（Packet Transport Network分组传送网）技术。由于铁路专网对安全性、可靠性要求要高于运营商的相关标准，就现有设备的技术指标看MSPT更适合当前的铁路通信网要求。
1）选用MSTP设备作为LTE传输承载网络。
MSTP在SDH（Synchronous Digital Hierarchy同步数字传输）的基础上实现了以太网等多种业务的接入、处理和传送。MSTP是面向连接的，采用电路交换方式，由于采用了硬管道的传输方式，各种业务之间达到了物理隔离，安全可靠性高。MSTP支持支持链形、环形、星形等多种组网模式，可选择子网连接保护或复用段保护等多种网络保护方式。
如果使用LTE系统作为铁路运行业务的综合通信平台，那么需要满足数据业务、语音调度业务这两大类业务的传输需求。在铁路通信规范中对它们的要求都是必须采用专线带保护的电路且链路之间要物理隔离。在这种要求下，采用电路交换方式的硬管道传输系统成为铁路行业优选传输网络设备。在建网时对所有部件（控制系统、设备、接口）必须进行冗余配置，不同系统的专线专用，以确保系统安全性。当前只有基于SDH技术的MSTP硬管道设备才能提供完善的设备级、网络级保护而且保护倒换时间小于50ms，而基于IP/MPLS（网络协议/多协议标签交换）的弹性管道网络目前尚缺乏完善的保护机制只能提供逻辑隔离很难同MSTP系统一样达到50ms。
2）选用PTN设备作为LTE传输承载网络。
当IP业务占全部业务比例的50%以上时，MSTP设备的效率明显弱于PTN。在对IP业务承载方面，PTN的统计复用能够提高传输承载能力。由于不需要同铁路等专线通信网络对服务质量、传输时延等指标要求严苛，在运营商那里MSTP与PTN已经得到了广泛的应用。尽管基于传统SDH/MSTP技术的市场目前仍然在增长，但随着分组技术和网络技术的迅猛发展，基于IP技术的PTN设备承载专线通信系统的可行性也在增加。
4、LTE技术在铁路通信系统中的实用案例
近年来，在郑州地铁1号线、杭州地铁4号线等城市轨道交通项目中，LTE-M已得到了一定应用。工信部2015〔65〕号文指出，1．8GHz频段本地无线宽带技术，可应用于城市轨道交通、电力、石油等行业专网及公网的使用。2015年，城市轨道交通协会已启动LTEM系列标准的编制工作。
2014年，朔黄铁路开行全球首列基于LTE-Ｒ通信系统重载列车，标志着我国在世界上首次基于重载铁路完成了第四代无线移动通信技术的研发与应用，取得了重大突破性成果。自小觉站至西柏坡站，建成了40公里的LTE-Ｒ移动通信系统研究试验段，成功实现了基于LTE-Ｒ技术的车—地无线通信、调度命令传输、无线可控列尾、机车无线重联同步控制等功能。虽然该试验段并非下一代移动通信系统将主要应用的高速铁路项目，但是其成功运行依旧给日后在高速铁路上应用该技术提供了很高的借鉴意义。
5、结语
在移动通信领域，公网运营商在技术领域一直是先行者。铁路在该领域的进步，则需要更多地兼顾到铁路运输的安全性和技术的成熟度。借鉴公网运营商和城市轨道交通在该领域的经验，进行符合铁路需求的专属技术开发，可以为铁路带来更优化的技术方案和更低廉的设备价格。LTE-Ｒ从技术成熟度、设备价格、组网方案等方面都日趋成熟，可成为铁路发展下一代移动通信的优先选择。按照铁路的发展需要，尽可能获得足够的频点和带宽，则成为该技术发展的一个重点。
参考文献：
［1］田宝生．应用于世博园区传送TD－LTE的MSTP网络［J］．电信工程技术与标准化，2010，（11）：46－49．
［2］王子渊．浅谈MSTP对高速铁路数据业务的承载方式［J］．铁道勘测与设计，2010，（01）：95－98．
［3］原燕斌．高速铁路环境下LTE切换技术的研究［D］．北京：北京邮电大学，2012．
论文作者:韩友
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/12
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