基于LTE技術的試車線與正線無線通信組網(wǎng)方案研究

林 祁

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251）

地鐵試車線是地鐵列車進行動態(tài)調(diào)試和試驗的線路，新車和檢修后的列車都要在試車線進行系統(tǒng)調(diào)試及性能試驗后才能上線運營。試車線的軌旁信號設備與正線軌旁信號設備保持一致。

對于車地無線通信方式采用LTE 技術的線路來說，其無線通信組網(wǎng)有兩種方案：試車線與正線共用核心網(wǎng)和獨立設置核心網(wǎng)，為了說明兩種組網(wǎng)的區(qū)別，先介紹LTE 小區(qū)切換的技術原理。

1 技術原理

1.1 LTE小區(qū)切換原理

終端在兩個小區(qū)間的切換流程如圖1 所示，源小區(qū)向終端廣播A3 小區(qū)測量參數(shù)（步驟1）；終端測量本小區(qū)信號質(zhì)量和鄰區(qū)信號質(zhì)量，判斷達到設定的門限后，向源小區(qū)上報測量報告（步驟2）；目標小區(qū)為該終端準備空口資源，并由源小區(qū)發(fā)送給終端（步驟3）；終端在目標小區(qū)發(fā)起接入請求，在接入成功后向目標小區(qū)發(fā)送成功消息（步驟4）。

1.2 對于測量報告的處理

終端不斷進行當前小區(qū)和鄰區(qū)的信號質(zhì)量測量和比較。當目標小區(qū)的信號電平比當前小區(qū)的電平值高過一定門限（缺省值為2 dB）時，觸發(fā)進行小區(qū)切換。

圖1 小區(qū)切換原理圖Fig.1 Schematic diagram of cell switching

上述的切換流程要求目標小區(qū)必須配置為源小區(qū)的鄰區(qū)，并且目標小區(qū)和源小區(qū)之間能夠互通。源小區(qū)在給終端下發(fā)的測量參數(shù)中，告訴終端需要測量這個鄰區(qū)，這就具備了向目標小區(qū)切換的條件。

如果源小區(qū)和目標小區(qū)是相互隔離的網(wǎng)絡，源小區(qū)和目標小區(qū)無法配置為鄰區(qū)，源小區(qū)給終端下發(fā)的測量參數(shù)中不包括目標小區(qū)，則終端不會測量目標小區(qū)的電平，也就無法發(fā)起小區(qū)間切換。即使目標小區(qū)信號電平遠遠大于源小區(qū)，只要終端還能收到源小區(qū)的信號，終端還是會駐留在源小區(qū)，直至源小區(qū)脫網(wǎng)，一般終端的脫網(wǎng)電平在-118 dBm左右。

按照cost231 傳播模型，要達到脫網(wǎng)電平，需要距離大于2.94 km。一般的車輛段區(qū)域無法滿足這一要求。定向天線的下傾角為8°時，具體參數(shù)如表1 所示。

2 LTE系統(tǒng)正線組網(wǎng)方案

正線區(qū)段（含場段除了試車線）的LTE 系統(tǒng)由核心網(wǎng)、基站系統(tǒng)和車載終端組成。該系統(tǒng)采用冗余設計架構，一般通過使用A/B 雙網(wǎng)覆蓋方式來實現(xiàn)，如圖2 所示。A/B 雙網(wǎng)采用獨立網(wǎng)絡方式，每張網(wǎng)都由核心網(wǎng)和基站系統(tǒng)組成，A/B 雙網(wǎng)的基站通過合路器與漏纜或天線連接，實現(xiàn)無線信號的覆蓋。其中基站系統(tǒng)由基帶單元(BBU)和遠端射頻單元 (RRU)組成。

表1 鏈路預算表Tab.1 Link budget table

各設備具體設置要求如下。

1) 核心網(wǎng)設備考慮到冗余因素，1 套放置在控制中心，1 套放置在車輛段或停車場。上端業(yè)務接口與DCS 有線環(huán)網(wǎng)的交換機相連，繼而連接到地面信號系統(tǒng)各子系統(tǒng)設備。核心網(wǎng)通過S1 接口與基站系統(tǒng)的BBU 相連。

2) TD-LTE 系統(tǒng)BBU 應放置在設備集中站，利用DCS 有線網(wǎng)絡與核心網(wǎng)連接。

3) TD-LTE 系統(tǒng)基站的RRU 沿著列車行駛的線路部署，包括正線車站及區(qū)間、道岔區(qū)域、折返線、停車線、車輛段出/入段線、車輛段停車列檢庫、試車線等需要CBTC 覆蓋的所有區(qū)域。BBU通過光纖拉遠與RRU 相連接，AB 雙網(wǎng)的基站應采用不同的光纜回路。

4) A/B 雙網(wǎng)的RRU 同站址部署，采用電橋合路，線路區(qū)間采用軌旁漏纜實現(xiàn)覆蓋，在車庫區(qū)域等地上區(qū)域，則采用天線實現(xiàn)覆蓋。

5) TD-LTE 系統(tǒng)的車載終端TAU 部署在列車編組的前后司機車廂，兩套TAU 分別屬于A/B網(wǎng)。TAU 天線安裝在司機車廂外側上方，即車輛中軸線前后位置（視漏纜安裝位置而定），并保持與漏纜盡量近的距離以及漏纜和天線之間無遮擋，保持良好無線傳輸。TAU 通過以太網(wǎng)接口連接到車載交換機并與車載ATP/ATO 設備連接，從而建立了車載ATP/ATO 到信號系統(tǒng)的地面CI、ZC 等設備之間的點到點連接。

圖2 LTE系統(tǒng)架構圖Fig.2 Architecture diagram of LTE system

3 LTE系統(tǒng)試車線組網(wǎng)方案研究

試車線的LTE 系統(tǒng)組網(wǎng)構架與正線原則相同，對核心網(wǎng)的設置有如下兩種方案。

3.1 方案一試車線和正線采用共用核心網(wǎng)方案

1）若正線和試車線無線網(wǎng)絡共用LTE 核心網(wǎng)方式時，試車線不再單獨配置核心網(wǎng)設備，其他配置與正線的基本相同，組網(wǎng)如圖3 所示。

試車線和正線使用同一個核心網(wǎng)，正線和試車線空間上相鄰的小區(qū)相互配置為鄰區(qū)，車載終端在正線和試車線之間切換的條件是，只要目標無線網(wǎng)絡的信號電平高于當前小區(qū)一定門限（缺省2 dB），可以平滑的在相鄰小區(qū)之間進行切換。在該方案條件下，在出入段線、咽喉區(qū)及需要無線覆蓋的各庫內(nèi)，全部可以采用天線方式，安裝時相對于漏纜方式更加靈活方便。

2）網(wǎng)絡安全設計

正線設備與試車線相連會導致正線直接面對外部風險，安全需求比較迫切，需要在這個邊界區(qū)考慮相應的安全手段。

a.訪問控制：正線做為內(nèi)部網(wǎng)絡，對外呈現(xiàn)相關服務，大部分業(yè)務處理在內(nèi)部網(wǎng)絡完成。對于外網(wǎng)來說，正線網(wǎng)絡是黑盒，所以需要對外網(wǎng)的訪問進行域間訪問控制，直路部署防火墻。

圖3 試車線共用核心網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of core network shared with test line

加強試車線設備室出入管理,安裝監(jiān)控設備并24 h 監(jiān)察；

在網(wǎng)絡邊界部署訪問控制設備，啟用訪問控制功能；

提供明確的允許/拒絕訪問能力，控制粒度為端口級；

對進出網(wǎng)絡的信息內(nèi)容進行過濾，實現(xiàn)對應用層HTTP、FTP、TELNET、SMTP、POP3 等協(xié)議命令級的控制；

應限制網(wǎng)絡最大流量數(shù)及網(wǎng)絡連接數(shù)；

重要網(wǎng)段應采取技術手段防止地址欺騙；

按用戶和系統(tǒng)之間的允許訪問規(guī)則，決定允許或拒絕用戶對受控系統(tǒng)進行資源訪問，控制粒度為單個用戶。

b.安全接入：作為正線和試車線連接的唯一出口，需要旁路部署入侵檢測設備，主要針對網(wǎng)絡層的保護，檢測外網(wǎng)針對內(nèi)網(wǎng)的攻擊、內(nèi)網(wǎng)員工發(fā)起的攻擊，通過日志和報表呈現(xiàn)攻擊事件供企業(yè)管理員評估網(wǎng)絡安全狀況。同時提供攻擊事件風險評估功能，降低管理員評估難度，滿足試車線和正線的業(yè)務安全防護等需要。

在網(wǎng)絡邊界處監(jiān)視以下攻擊行為：端口掃描、強力攻擊、木馬后門攻擊、拒絕服務攻擊、緩沖區(qū)溢出攻擊、IP 碎片攻擊和網(wǎng)絡蠕蟲攻擊等。

當檢測到攻擊行為時，記錄攻擊源IP、攻擊類型、攻擊目的、攻擊時間，在發(fā)生嚴重入侵事件時應提供報警。

c.正線的信號系統(tǒng)通信網(wǎng)絡和試車線的信號系統(tǒng)通信網(wǎng)絡之間物理連接后，由網(wǎng)管終端統(tǒng)一管理，通過網(wǎng)絡配置，即LTE 數(shù)據(jù)業(yè)務與其他信號子系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務采用不同VLAN，從而實現(xiàn)邏輯隔離，使試車線信號網(wǎng)絡與正線信號網(wǎng)絡不會因為共用LTE 核心網(wǎng)而相互影響。

3.2 方案二試車線和正線采用獨立組網(wǎng)（核心網(wǎng)）方案

正線和試車線無線網(wǎng)絡采用獨立組網(wǎng)方式時，試車線需設置單獨的LTE 核心網(wǎng)設備，但無需配置網(wǎng)絡入侵檢測等軟硬件設備，其他配置與方案一相同。組網(wǎng)示意如圖4 所示，從圖4 中很清楚的看到正線與試車線網(wǎng)絡相互物理隔離，互不影響。

圖4 試車線采用獨立核心網(wǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the test line adopting the independent core network

根據(jù)小區(qū)切換流程的分析，如果出入段線、車輛段咽喉區(qū)及停車列檢庫和試車線都采用天線部署方式，則試車線與上述位置之間需要保持足夠的空間隔離，才能保證車輛在試車線和出入段線、車輛段咽喉區(qū)及停車列檢庫之間正常切換。但一般車輛段區(qū)域無法滿足這一要求，故試車線位置上使用獨立核心網(wǎng)方案，需要滿足如下條件。

1）試車線只能采用漏纜覆蓋，并且根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境將RRU 的功率調(diào)整到足夠小，保證試車線的無線信號覆蓋較小的范圍，不影響出入段線無線信號；同時正線（含出入段線）及車輛段咽喉區(qū)也采用漏纜覆蓋方式并調(diào)整其RRU 功率，使其無線信號不影響到試車線無線信號。

2）車庫內(nèi)可采用天線或者漏纜進行覆蓋，并根據(jù)現(xiàn)場測試結果，調(diào)整天線或者漏纜角度，增加衰耗器等方式，使其覆蓋范圍不影響到試車線無線信號。

3）正線和試車線網(wǎng)絡配置不同的PLMN。

3.3 試車線不同方案對比分析

從目前各地項目來看，車輛段占地面積有限，若采用方案一共用核心網(wǎng)，車輛段范圍各處可以用定向或者全向天線進行無線信號覆蓋。采用方案二試車線和正線獨立組網(wǎng)時，為防止信號正線（含出入段線）及車輛段咽喉區(qū)與試車線間無線信號干擾，正線出隧道后至咽喉區(qū)位置和試車線范圍均需采用漏纜進行敷設。

為了更加直觀對兩種不同組網(wǎng)方案進行比較，具體如表2 所示。

表2 方案優(yōu)缺點對比表Tab.2 Comparison table of advantages and disadvantages of the scheme

采用方案一需要注意問題：1）一般試車線信號設備室基本屬于無人值守狀態(tài)，不如控制中心安全度高，這樣使得外部入侵風險相對較高。2）正線信號網(wǎng)絡設備與試車線信號網(wǎng)絡設備相連會導致正線信號系統(tǒng)直接面對外部風險，安全需求更加迫切。

采用方案二時需要注意問題：1）漏纜需安裝在車載接收天線高度位置，單漏纜敷設方式時車載天線一般安裝在車頂位置，在場、段咽喉區(qū)這類室外區(qū)域安裝時，由于無隧道壁只能靠立桿方式安裝，相對較困難；同時后期維護量和維護難度會增大；2）庫內(nèi)采用增益為17 dBi 的定向天線，根據(jù)cost231 傳播模型，要達到脫網(wǎng)電平，需要的理想距離大于2.94 km。那么車輛在到達試車線時，若庫內(nèi)采用天線覆蓋時，由于試車線距離大庫達不到脫網(wǎng)電平要求，盡管可以采用調(diào)整RRU 的功率等方法，但還是可能出現(xiàn)車載天線無法接收到試車線LTE 網(wǎng)絡信號，需要人工介入，如重啟車載TAU。

通過上述分析對比，可以看出不同方案均有優(yōu)缺點，若共用核心網(wǎng)在做好網(wǎng)絡安全及網(wǎng)絡管理的前提下，是一種更優(yōu)化的方案，也是對運營使用、維護更加有利的方案。目前在寧波3 號線，重慶4號線上已經(jīng)按共用核心網(wǎng)方案實施。

4 總結

目前,在全國大部分采用LTE 車地通信方式的地鐵設計中，試車線和正線組網(wǎng)方式為互相獨立組網(wǎng)，滿足軌交協(xié)范本里對“試車線 DCS 設備須單獨設置，且不能干擾和影響正線、中心、車輛段/停車場”的要求，但是該條款明確說明是針對于車地無線通信采用 WLAN 技術適用，對采用LTE 車地通信方式時試車線組網(wǎng)并未作相關說明。假如試車線與正線各自獨立組網(wǎng)，很可能出現(xiàn)試車線與車輛段網(wǎng)絡互相干擾，導致人工介入會大大降低運營作業(yè)效率。

本文在分析LTE 小區(qū)切換原理基礎上，提出共用核心網(wǎng)的可行性，在具體項目應用中，還需要結合具體城市運維現(xiàn)狀等綜合考慮。