CN105517073B - Lte组网架构及核心网跨线切换信令与数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构及核心网跨线切换信令与数据通信方法，能够满足跨线路的无缝漫游切换的要求，实现整个城市路网车辆的统一运营。架构包括两组网络传输子系统，每组网络传输子系统包括LTE核心网EPC模块、基站eNodeB以及车载台，LTE核心网EPC模块共有一个归属签约用户服务器HSS，每组LTE核心网EPC模块还包括移动管理实体MME、服务网关S‑GW、分组数据网网关P‑GW，LTE核心网EPC模块之间通过S5/S10/S6a接口相连接，同组网络传输子系统的LTE核心网EPC模块与基站eNodeB通过接口S1连接，同组网络传输子系统的基站eNodeB之间通过接口X2连接，基站eNodeB包括基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU，基站eNodeB与车载台连接，LTE核心网EPC模块与轨道交通业务系统连接。

Description

LTE组网架构及核心网跨线切换信令与数据通信方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构及核心网跨线切换信令与数据通信方法。

背景技术

城市轨道交通行业发展至今，一直采用单线建设和单线运营的模式，随着行业的发展、城镇化进程的加快和互联网技术的推进，城市轨道交通的新线和延伸线建设及一些区段的网络化运营对列车运行控制系统的互联互通提出了更高的要求。

基于通信的列车运行控制系统(CBTC)在我国城市轨道交通中得到了普遍应用，目前因各系统供货商都按照各自的产品特点来设置解决方案，造成CBTC信号系统架构、子系统之间接口设计、车地通信方式等方面不统一，制约了CBTC系统在线路间的互联互通。

随着LTE(长期演进技术)无线技术的发展，在城市轨道交通信号系统的车地通信方式的应用中，已经开始采用LTE技术进行车地信息的传输；并且由于LTE无线技术采用了国际通用3GPP(第三代合作伙伴计划)标准进行设计，成为了CBTC信号系统互联互通的车地通信方式的一种新选择。

目前，轨道交通单线路列车运行控制系统采用LTE组网的方案已经开始在全国各地进行示范应用，根据评估和设计，LTE无线传输基本可以满足各线路列车运行控制系统的信息传输要求。但是随着城市轨道交通互联互通要求的提出，单线路的LTE组网不能满足跨线路运营的要求。主要局限性体现在以下方面：

1)每条单线路核心网EPC为单独配置，若采用标准接口，不能满足跨线路的无缝漫游切换的要求；

2)每条单线路配置单独的HSS，无法实现整个城市路网车辆的统一管理与运营；

3)每条线路核心网的配置信令与数据流程，不满足跨线路的信令与数据切换要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构及核心网跨线切换信令与数据通信方法，能够满足跨线路的无缝漫游切换的要求，实现整个城市路网车辆的统一管理与运营，满足跨线路的信令与数据切换要求。

为此目的，一方面，本发明提出一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构，基于3GPP标准架构，包括：

两组网络传输子系统，每组网络传输子系统包括LTE核心网EPC模块、基站eNodeB以及车载台，所述LTE核心网EPC模块组成LTE核心网，所述基站eNodeB组成无线网，所述车载台组成数据终端，所述LTE核心网EPC模块共有一个归属签约用户服务器HSS，每组LTE核心网EPC模块还包括移动管理实体MME、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW，所述LTE核心网EPC模块之间通过S5/S10/S6a接口相连接，同组网络传输子系统的LTE核心网EPC模块与基站eNodeB通过接口S1连接，同组网络传输子系统的基站eNodeB之间通过接口X2连接，所述基站eNodeB包括基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU，所述基站eNodeB与车载台连接，LTE核心网EPC模块与轨道交通业务系统连接。

可选地，所述移动管理实体MME与所述归属签约用户服务器HSS通过接口S6a连接，所述移动管理实体MME之间通过接口S10连接，不同LTE核心网EPC模块的服务网关S-GW和分组数据网网关P-GW之间通过接口S5连接。

可选地，所述基站eNodeB与车载台通过接口Uu连接，LTE核心网EPC模块与所述轨道交通业务系统通过接口SGi连接。

可选地，所述架构还包括：

运营与支撑系统；其中，

所述运营与支撑系统与所述LTE核心网EPC模块、基站eNodeB以及车载台连接，包括网络管理子系统和监测检测子系统。

另一方面，本发明提出一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的核心网跨线切换信令通信方法，数据终端切换前，信令在源核心网的MME/SGW/PGW之间传输，使用源核心网的内部接口，并使用全网统一的HSS；

数据终端切换后，信令在目标核心网的MME/SGW之间传输，并使用全网统一的HSS，但不使用目标核心网的PGW，而是通过S5接口从目标核心网的SGW传输至源核心网的PGW。

另一方面，本发明提出一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的核心网跨线切换数据通信方法，数据终端切换前，数据在源核心网的SGW/PGW之间传输，使用源核心网的内部接口；

数据终端切换后，数据在目标核心网的SGW中传输，但不使用目标核心网的PGW，而是通过S5接口从目标核心网的SGW传输至源核心网的PGW。

本发明实施例所述的基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构及核心网跨线切换信令与数据通信方法，采用A/B双网冗余覆盖设计，A/B网络均包括无线网和核心网，通过核心网间数据接口S5、S10接口，满足跨线路的无缝漫游切换的要求，从而满足城市轨道交通互联互通的需求；通过共用的归属签约用户服务器HSS，实现整个城市路网车辆的统一管理与运营；通过设计列车控制系统互联互通LTE核心网的跨线运营的信令和数据通信流程，满足跨线路的信令与数据切换要求。

附图说明

图1为本发明一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构一实施例的结构示意图；

图2为本发明基于S5和S10接口的移交流程示意图；

图3为本发明数据终端切换前信令通信流程示意图；

图4为本发明数据终端切换后信令通信流程示意图；

图5为本发明数据终端切换前数据通信流程示意图；

图6为本发明数据终端切换后数据通信流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构，基于3GPP标准架构，包括：

两组网络传输子系统，每组网络传输子系统包括LTE核心网EPC模块1、基站eNodeB2以及车载台3，所述LTE核心网EPC模块1组成LTE核心网，所述基站eNodeB2组成无线网，所述车载台3组成数据终端，所述LTE核心网EPC模块1共有一个归属签约用户服务器HSS，每组LTE核心网EPC模块1还包括移动管理实体MME、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW，所述LTE核心网EPC模块1之间通过S5/S10/S6a接口相连接，同组网络传输子系统的LTE核心网EPC模块1与基站eNodeB2通过接口S1连接，同组网络传输子系统的基站eNodeB2之间通过接口X2连接，所述基站eNodeB2包括基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU，所述基站eNodeB2与车载台3连接，LTE核心网EPC模块1与轨道交通业务系统连接。

对于城市轨道交通列车控制系统LTE组网架构，基于3GPP标准架构(3GPPTS23.401)，由数据终端、无线网、LTE核心网、运营与支撑系统和列车控制系统组成。

为了保证网络的可靠性，轨道交通综合移动平台网络整体方案采用A/B双网冗余覆盖设计，A/B网络均包括无线网和核心网。

无线网络仅与核心网通过S1接口相连，在无线网络的内部，eNB间通过X2相连接；不同无线网络的基站分别属于不同的核心网EPC，不同无线网络的基站上配置不同的车载TAU。

本发明实施例所述的基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构，采用A/B双网冗余覆盖设计，A/B网络均包括无线网和核心网，通过核心网间数据接口S5、S10接口，满足跨线路的无缝漫游切换的要求，从而满足城市轨道交通互联互通的需求；通过共用的归属签约用户服务器HSS，实现整个城市路网车辆的统一管理与运营。

可选地，在本发明基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的另一实施例中，所述移动管理实体MME与所述归属签约用户服务器HSS通过接口S6a连接，所述移动管理实体MME之间通过接口S10连接，不同LTE核心网EPC模块的服务网关S-GW和分组数据网网关P-GW之间通过接口S5连接。

可选地，在本发明基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的另一实施例中，所述基站eNodeB与车载台通过接口Uu连接，LTE核心网EPC模块与所述轨道交通业务系统通过接口SGi连接。

可选地，在本发明基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的另一实施例中，还包括：

运营与支撑系统；其中，

所述运营与支撑系统与所述LTE核心网EPC模块、基站eNodeB以及车载台连接，包括网络管理子系统和监测检测子系统。

在互联互通跨线运营中，对于支持数据功能的核心网，跨线切换过程中源核心网EPC将移动终端移交到目标核心网EPC，移交流程应开放核心网间数据接口S5、S10接口，并应符合3GPP标准流程。S5接口是核心网EPC内SGW和PGW的参考点，提供SGW和PGW间的用户面隧道和隧道管理功能。S10接口是核心网EPC内MME之间的控制面参考点，用于传递MME重定位和MME之间的信息。本发明设计了LTE核心网为保证互联互通所需要开放的核心接口及基于接口的移交流程，如图2所示为基于开放接口的移交流程示意图，移交流程主要包括如下几个步骤：

1：源eNodeB决定进行基于S1的切换。

2：源eNode B向源MME发送切换要求消息。

3：源MME选定合适的目标MME，通过S10接口发送前转重定位请求消息给目标MME。

4：目标MME选定相应的目标SGW，发送创建会话请求消息给目标SGW，消息中包含每个承载的上下文(针对基于GTP(通讯协议)的S5/S8而言，包括PGW的地址和上行GTP－U在PGW侧的TEID值)。目标SGW为数据承载分配上行GTP－U的地址和TEID(隧道端点标识)值，返回创建会话回复消息给目标MME。

5：目标MME发送切换请求消息给目标eNodeB，其中包括要建立的EPS(演进的分组系统)承载的列表等内容，每个EPS承载的信息包括SGW的地址，上行GTP－U的在SGW侧的TEID(隧道标识)值，EPS承载的QoS(服务质量)等。目标eNodeB收到上述消息后会建立UE上下文，包括承载的信息，安全上下文等。目标eNodeB也回送切换请求应答消息给目标MME，其中包含EPS承载建立结果的信息。对于每个成功建立的EPS承载，其信息包括下行数据在目标eNodeB侧的GTP－U的TEID值(会在步骤15使用)。如果目标eNodeB和源eNodeB之间不存在X2接口，需要通过S1接口来转发数据的话，那么目标eNodeB也需要将数据转发隧道的TEID值上报给目标MME。

6：目标MME发送Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request(创建间接数据转发隧道请求)消息给目标SGW，将上述数据转发通道的TEID值(在目标eNodeB侧)通知目标SGW，转发通道的从目标SGW到目标eNodeB的部分可以建立。目标SGW回复CreateIndirect Data Forwarding Tunnel Response(创建间接数据转发隧道请求回复)消息。在此回复消息中，包含了间接隧道在目标SGW侧的地址和TEID值。

7：目标MME发送前转重定位回复消息给源MME，将EPS Bearers Setup Result(EPS承载建立结果)通知源MME。在Indirect Tunnel的情况下，转发通道在目标SGW侧的地址和TEID值也会在此消息中通知源MME。

8：在Indirect Tunnel的情况下，源MME发送Create Indirect Data ForwardingTunnel Request消息给源SGW，转发通道在目标SGW侧的地址和TEID值通知源SGW。转发通道的从源SGW到目标SGW的部分可以建立。源SGW回复Create Indirect Data ForwardingTunnel Response，将转发通道在源SGW侧的地址和TEID值通知源MME。源MME将会把此信息转发给源eNodeB。

9：源MME发送切换命令消息给源eNodeB，将目标eNodeB分配的需要转发的EPSBearers(承载)的TEID值和目标eNodeB的地址通知源eNodeB。源eNodeB会将切换命令包含在Target To Source Transparent Container(目标至源地址的透明容器)中发送给UE。

10：源eNodeB发送eNB状态传输消息，此消息经源MME，目标MME，最终到达目标eNodeB。此消息将无损切换的EPS Bearer(承载)的PDCP(分组数据会聚协议)的状态通知目标eNodeB。

11：源eNodeB此时可以经过Indirect Data Forwarding Tunnel(间接数据转发隧道)将下行数据转发给目标eNodeB。下行数据经PGW，源SGW到达源eNodeB后，源eNodeB发现需要将数据向目标eNodeB转发，源eNodeB首先将数据发送到源SGW，(通道在步骤9建立)，源SGW转发数据到目标SGW(通道在步骤8建立)，目标SGW将数据最终转发到目标eNodeB(通道在步骤6建立)。

12：UE与目标eNodeB建立上，下行同步后，发送切换确认消息给目标eNodeB。此时目标eNodeB可以将从源eNodeB转发过来的下行数据发送给UE，UE也开始发送上行数据，经目标eNodeB到目标SGW最后到PGW。在步骤4中，上行数据在PGW处的TEID和地址，已经由目标MME通知了目标SGW。在步骤16中，PGW可能更改其上行的GTP－U的TEID值。

13：目标eNodeB发送切换通知消息给目标MME。

14：目标MME发送前转重定位完成通知消息给源MME。源MME回应前转重定位完成应答消息。源MME和目标MME启动相应的定时器，以便在切换结束后，删除相应的资源。

15：目标MME发送修改承载请求消息给目标SGW，将在步骤五建立的GTP－U在目标eNodeB侧的地址和TEID值通知目标SGW。这样，切换后的下行数据通道在目标SGW到目标eNodeB之间的部分建立了起来。

16：目标SGW分配下行EPS Bearer在SGW的TEID值，发送修改承载请求消息给PGW，这样切换后的下行数据通道在PGW到目标SGW之间的部分建立了起来。这样整个的PGW到目标eNodeB之间的下行通道就建立完毕。下行数据就可以从PGW，经由目标SGW以及目标eNodeB到达UE了。PGW更新相应的上下文，分配相应的上行EPS Bearer在PGW的TEID值，返回修改承载回复消息给目标SGW。

17：目标SGW收到PGW的回应后，上行通道在SGW到PGW的部分可以建立，目标SGW返回修改承载回复消息给目标MME。目标MME到目标SGW的上行通道已经在步骤4建立起来，在步骤16中，PGW可以在切换后分配不同的上行TEID值。

18：UE(用户设备)可以触发相应的TAU(列车接入单元)的过程。

随后的步骤中，源MME和目标MME将触发相应的资源释放过程。

参看图3和4，本实施例公开一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的核心网跨线切换信令通信方法，数据终端切换前，信令在源核心网的MME/SGW/PGW之间传输，使用源核心网的内部接口，并使用全网统一的HSS(切换前信令通信流程如图3中粗黑线所示)；

数据终端切换后，信令在目标核心网的MME/SGW之间传输，并使用全网统一的HSS，但不使用目标核心网的PGW，而是通过S5接口从目标核心网的SGW传输至源核心网的PGW(切换后信令通信流程如图4中粗黑线所示)。

参看图5和6，本实施例公开一种基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的核心网跨线切换数据通信方法，数据终端切换前，数据在源核心网的SGW/PGW之间传输，使用源核心网的内部接口(切换前数据通信流程如图5中粗黑线所示)；

数据终端切换后，数据在目标核心网的SGW中传输，但不使用目标核心网的PGW，而是通过S5接口从目标核心网的SGW传输至源核心网的PGW(切换后数据通信流程如图6中粗黑线所示)。

本发明给出一种基于城市轨道交通列车控制系统互联互通的LTE组网方法。基于目前城市轨道交通互联互通的需求，提出一种适用于城市轨道交通互联互通的车地无线通信方案，并且为城市轨道交通互联互通标准的制定提供参考，具有如下有益效果：

1、本发明支持轨道交通列车控制系统车地无线通信互联互通的实现；

2、根据LTE的网络架构，提出了需要开放的核心网接口，为轨道交通列车控制系统车地无线通信互联互通提供参考；

3、进行城市轨道交通宽带移动平台的网络架构方案设计，可以指导LTE移动平台在工程项目中的应用。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于基于城市轨道交通列车控制系统的LTE组网架构的核心网跨线切换信令通信方法，其特征在于，

该LTE组网架构，基于3GPP标准架构，包括：

两组网络传输子系统，每组网络传输子系统包括LTE核心网EPC模块、基站eNodeB以及车载台，所述LTE核心网EPC模块组成LTE核心网，所述基站eNodeB组成无线网，所述车载台组成数据终端，所述LTE核心网EPC模块共有一个归属签约用户服务器HSS，每组LTE核心网EPC模块还包括移动管理实体MME、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW，所述LTE核心网EPC模块之间通过S5/S10/S6a接口相连接，同组网络传输子系统的LTE核心网EPC模块与基站eNodeB通过接口S1连接，同组网络传输子系统的基站eNodeB之间通过接口X2连接，所述基站eNodeB包括基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU，所述基站eNodeB与车载台连接，LTE核心网EPC模块与轨道交通业务系统连接；

数据终端切换前，信令在源核心网的MME/SGW/PGW之间传输，使用源核心网的内部接口，并使用全网统一的HSS；

数据终端切换后，信令在目标核心网的MME/SGW之间传输，并使用全网统一的HSS，但不使用目标核心网的PGW，而是通过S5接口从目标核心网的SGW传输至源核心网的PGW。