城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)數(shù)據(jù)隔離問題研究

趙 巖

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號處，710043，西安//高級工程師)

LTE-M(Long Term Evolution-Machine to Machine)是基于TD-LTE(時(shí)分長期演進(jìn))技術(shù)的新一代軌道交通專用通信規(guī)范體系，是在遵循3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)、B-TrunC(Broadband Trunking Communication,寬帶集群通信)等相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上針對地鐵綜合業(yè)務(wù)承載需求應(yīng)運(yùn)而生的車地?zé)o線通信標(biāo)準(zhǔn)，其在保證基于通信的CBTC(列車控制系統(tǒng))車地信息傳輸基礎(chǔ)上，可同時(shí)傳輸其他地鐵實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。目前，由中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會提出的LTE-M系列標(biāo)準(zhǔn)正逐步完善，并已發(fā)布了部分子規(guī)范。

由于LTE-M系統(tǒng)優(yōu)先應(yīng)用于CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)安全問題更加重要。根據(jù)相關(guān)子規(guī)范，LTE-M系統(tǒng)應(yīng)采取安全策略以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性， LTE-M系統(tǒng)應(yīng)在硬件和軟件設(shè)計(jì)上確保數(shù)據(jù)報(bào)文的安全傳輸[1]。但是，關(guān)于LTE-M系統(tǒng)如何滿足信號系統(tǒng)對數(shù)據(jù)隔離的要求，子規(guī)范未提出指導(dǎo)意見。

LTE-M系統(tǒng)承載信號CBTC信息時(shí)的數(shù)據(jù)隔離問題，主要有以下兩種：

1) 地鐵正線上不同車輛之間信號數(shù)據(jù)的隔離。這種數(shù)據(jù)隔離可防止LTE-M系統(tǒng)不同終端之間發(fā)生數(shù)據(jù)信息的非正常交互。以往移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信據(jù)非正常交互，會造成常見的“串話或單通”現(xiàn)象，如GSM(全球移動通信)網(wǎng)絡(luò)的語音串話或單通等。

2) 地鐵正線與車輛段試車線上車輛之間信號數(shù)據(jù)的隔離。如果正線與試車線的不同LTE-M終端可能存在數(shù)據(jù)信息的非正常交互，那么正線與試車線需獨(dú)立設(shè)置EPC(演進(jìn)型分組核心網(wǎng))及接入網(wǎng)eNodeB(LTE基站)。而且，若不同終端或不同類型應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)隔離存在問題，則LTE-M系統(tǒng)提供的透明傳輸通道將無法滿足可靠數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。

1 LTE“數(shù)據(jù)串話”的可能性分析

在移動通信系統(tǒng)中，語音業(yè)務(wù)交互過程可能會存在語音串話或單通的現(xiàn)象。串話及單通的原理如圖1所示。在終端1和終端2正常通信過程中發(fā)生串話時(shí)，終端2突然可以收到來自終端3的信息。發(fā)生單通時(shí)，終端1可以收到來自終端2的信息，但終端2收不到來自終端1的信息[2]。

圖1 串話及單通示意圖

LTE以點(diǎn)對點(diǎn)高帶寬個(gè)人數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。當(dāng)LTE在承擔(dān)高可靠性業(yè)務(wù)(如CBTC業(yè)務(wù))時(shí)，若發(fā)生數(shù)據(jù)串話或單通現(xiàn)象，則會造成調(diào)度指令混亂，進(jìn)而產(chǎn)生安全事故。因此，在其核心網(wǎng)及接入網(wǎng)數(shù)據(jù)交互過程中，有必要分析終端發(fā)生串話或單通的可能性。

1.1 GMS系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)串話與單通”

GSM系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的無線通信系統(tǒng)，其語音也是經(jīng)過信源及信道編碼的數(shù)據(jù)信息，其工作特點(diǎn)與LET技術(shù)類似。因此，可通過對比GMS系統(tǒng)來分析LTE“數(shù)據(jù)串話”的可能性。

GSM網(wǎng)絡(luò)的語音串話及單通現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，根據(jù)長期經(jīng)驗(yàn)分析，GSM系統(tǒng)發(fā)生串話及單通問題的原因主要是以下幾點(diǎn)：

1) 當(dāng)GSM BSC(基站控制)設(shè)備中T 3109計(jì)時(shí)器的值設(shè)置得比小區(qū)下行RLT(無線鏈路失效計(jì)數(shù)器)的值低很多時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)判斷鏈路中斷的時(shí)間比終端判斷的時(shí)間短，因此，在高話務(wù)的情況下，網(wǎng)絡(luò)釋放的資源會立即分配給其他終端，造成原終端可以聽到其他用戶的聲音，產(chǎn)生串話[3]。

2) 根據(jù)3GPP規(guī)范，終端在切換失敗后，應(yīng)該以切換前的形式(包括頻點(diǎn)、時(shí)隙、全速率/半速率、加密模式等等)回到原來的信道，GSM網(wǎng)絡(luò)對此無法干預(yù)。所以，終端在切換失敗返回時(shí)“擅自”改變信道參數(shù)的行為，也會導(dǎo)致串話現(xiàn)象出現(xiàn)。

3) 在空中接口上，如2個(gè)用戶所占用的TCH(業(yè)務(wù)信道)出現(xiàn)重疊，且C/I(載干比)滿足一定條件，則會出現(xiàn)串話的情況。

上述分析表明，GSM系統(tǒng)的串話或單通問題，主要由資源分配和釋放、設(shè)備配置參數(shù)錯(cuò)誤等方面原因引起，在Um(空口)接口、Abis接口、A接口均有發(fā)生。GSM系統(tǒng)處理語音信息采用了面向連接的電路域通信方式，必須經(jīng)過“建立連接-通信-釋放連接”的步驟，按載頻及時(shí)隙來分配信道資源。在調(diào)度資源不及時(shí)或者出錯(cuò)的情況下，GSM系統(tǒng)會出現(xiàn)信道被重復(fù)占用問題?？梢?，其資源分配方式?jīng)Q定，“串話”現(xiàn)象并不罕見。

1.2 LTE系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)串話及單通”

LTE系統(tǒng)完全面向分組交換，以O(shè)FDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)為基礎(chǔ)，可在時(shí)域、頻域及碼域等3個(gè)維度進(jìn)行資源分配和調(diào)度。LTE系統(tǒng)不再使用“專用通道”來傳送數(shù)據(jù)，而是將用戶數(shù)據(jù)分割成小塊(RB資源塊)，復(fù)用在共享的數(shù)據(jù)信道中，通過數(shù)據(jù)正交最大限度實(shí)現(xiàn)了不同用戶間的數(shù)據(jù)隔離[5]。

LTE網(wǎng)絡(luò)從空口側(cè)開始就是IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)，即終端ME(移動設(shè)備)側(cè)、LTE eNodeB側(cè)、傳輸網(wǎng)側(cè)和EPC側(cè)都實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P化，此外，終端只要開啟電源就會附著IP地址。

LTE在信道資源分配調(diào)度的原理上與GSM是完全不同的。LTE在每個(gè)數(shù)據(jù)分組前加注控制信息和地址標(biāo)識等信息，并依據(jù) “存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”機(jī)制、按照IP地址傳輸所有的數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)傳輸具備自適應(yīng)調(diào)度能力[4]。LTE基于TFT(業(yè)務(wù)流模板)，把IP包過濾到不同承載。TFT使用IP包頭信息(含源IP地址、目的IP地址及TCP端口號)來過濾IP包。LTE給每個(gè)終端分配IP地址，并至少建立1個(gè)承載。在整個(gè)PDN(公共數(shù)據(jù)網(wǎng))連接過程中，該承載都保持建立狀態(tài)。

綜上所述，LTE信息的傳輸基于IP地址，因此，不會出現(xiàn)類似于以往移動通信系統(tǒng)中的“串話或單通”現(xiàn)象。

此外，LTE-M系統(tǒng)多采用同頻組網(wǎng)方式。當(dāng)空口出現(xiàn)嚴(yán)重同頻干擾時(shí)，信噪比下降會使調(diào)制方式變化，使調(diào)制階數(shù)降低，還會使吞吐量下降，但其有效數(shù)據(jù)收發(fā)需經(jīng)過CRC校驗(yàn)(循環(huán)冗余校驗(yàn))、加擾及解擾、映射及解映射、調(diào)制及解調(diào)等步驟；因此，即便空口射頻信號存在大量干擾沖突，在接收信號經(jīng)物理層數(shù)據(jù)處理后，其有效數(shù)據(jù)也基本不可能呈現(xiàn)為可被識別的假信息。

2 核心網(wǎng)模式對數(shù)據(jù)隔離問題的影響

當(dāng)LTE-M承載CBTC系統(tǒng)業(yè)務(wù)時(shí)，正線與車輛段試車線的LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可采用獨(dú)立核心網(wǎng)模式，也可采用共用核心網(wǎng)模式。這兩種模式下的數(shù)據(jù)隔離問題各有特點(diǎn)。

2.1 獨(dú)立核心網(wǎng)模式

在獨(dú)立核心網(wǎng)模式下，正線LTE-M系統(tǒng)與試車線LTE-M系統(tǒng)分別建設(shè)核心網(wǎng)和基站，兩個(gè)核心網(wǎng)之間不進(jìn)行互聯(lián)互通、完全獨(dú)立，從而實(shí)現(xiàn)LTE數(shù)據(jù)完全物理隔離的組網(wǎng)覆蓋，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 采用物理隔離的獨(dú)立核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

車輛TAU(LTE車載接入單元)在同一時(shí)刻只能接入1個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)TAU接入正線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，車載VOBC(信號車載控制器)通過TAU與位于控制中心的正線ZC(區(qū)域控制器)通信。當(dāng)TAU接入試車線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，車載VOBC通過TAU與位于車輛段的試車線ZC通信，此時(shí)的車載VOBC與正線ZC之間沒有物理及邏輯通路，從而做到完全隔離。

這種建設(shè)模式的問題在于：在小區(qū)邊緣處，2張LTE網(wǎng)絡(luò)的空口射頻信號會因?yàn)橹丿B覆蓋，而產(chǎn)生嚴(yán)重的同頻干擾；而且，TD-LTE系統(tǒng)空口沒有使用擴(kuò)頻技術(shù)，故信道編碼技術(shù)所產(chǎn)生的處理增益也較小，降低了在小區(qū)邊緣的抗干擾處理能力，增加了數(shù)據(jù)丟包率和誤塊率。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較高的情況下，一般需采用ICIC(干擾協(xié)調(diào))技術(shù)來解決同頻干擾，但如果正線和試車線核心網(wǎng)間沒有互聯(lián)互通，則無法通過ICIC技術(shù)來抑制小區(qū)間的同頻干擾[5]。

獨(dú)立核心網(wǎng)方案不僅要能精確觸發(fā)TAU在不同LTE網(wǎng)絡(luò)之間的重新注冊，還要保證試車線各處的試車線LTE信號強(qiáng)度比正線LTE信號強(qiáng)度至少大15 dB，對后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化要求較高。

2.2 共用核心網(wǎng)模式

共用核心網(wǎng)模式下，正線和試車線共用LTE核心網(wǎng)，分別建設(shè)eNodeB基站。各基站間的小區(qū)干擾可通過ICIC等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。共用核心網(wǎng)模式可通過以下方式實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)隔離”：

1) ACL(訪問控制列表)控制方式。ACL是路由器和交換機(jī)接口的指令列表，用來控制端口進(jìn)出的數(shù)據(jù)包，是網(wǎng)絡(luò)安全防范和保護(hù)的主要策略。該方式要先在信號側(cè)和LTE側(cè)交換機(jī)上建立路由表，再采用路由選擇的方式實(shí)現(xiàn)正線和試車線ZC間的數(shù)據(jù)隔離。由于該方式要修改信號系統(tǒng)交換機(jī)的參數(shù)配置，故主流信號集成商對此方案較為排斥，認(rèn)為其接口關(guān)系劃分不明，會造成應(yīng)用和管理維護(hù)上的混亂。

2) GRE(通用路由協(xié)議封裝)隧道隔離方式。GRE是一種應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，經(jīng)常被用來構(gòu)造GRE隧道以穿越各種三層網(wǎng)絡(luò)。GRE隧道由兩端的源IP地址和目的IP地址來定義。車載TAU根據(jù)信號系統(tǒng)ZC的IP地址發(fā)起建立不同的GRE隧道，如圖3所示。在實(shí)際使用中，正線及試車線的路由器分別在相應(yīng)的車載TAU上設(shè)置2條GRE隧道的IP地址，。在正線上，TAU與正線ZC的通信走正線GRE隧道；在試車線上，TAU與試車線ZC的通信走試車線GRE隧道，從而實(shí)現(xiàn)試車線和正線信號業(yè)務(wù)流的邏輯隔離。西安地鐵4號線和西安機(jī)場線均采用此方式實(shí)現(xiàn)LTE-M系統(tǒng)的數(shù)據(jù)隔離。

車輛TAU在正線與試車線同時(shí)建立2個(gè)GRE VPN連接，并收到切換信號后更新路由表。整個(gè)數(shù)據(jù)交互過程中，需定義觸發(fā)正線和試車線之間的切換機(jī)制，并實(shí)時(shí)驗(yàn)證該操作成功。這對LTE和信號設(shè)備之間的接口協(xié)議提出了很高的要求。另外，共用核心網(wǎng)模式使LTE-M的核心網(wǎng)側(cè)對不同終端或者業(yè)務(wù)的性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程變得更加復(fù)雜。

3 結(jié)語

目前，1.8 GHz的LTE-M頻率資源受限，其行業(yè)應(yīng)用正逐漸向著非綜合承載業(yè)務(wù)方向發(fā)展，而且城市軌道交通工程的車輛段試車線大多早于正線投入使用。故建議在LTE-M系統(tǒng)單獨(dú)承載CBTC業(yè)務(wù)時(shí)，正線與試車線采用獨(dú)立核心網(wǎng)模式，分別設(shè)置核心網(wǎng)EPC。正線與試車線核心網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)隔離最好通過物理隔離的方式實(shí)現(xiàn)。