CN212572975U - 高速铁路列车综合控制组网 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种高速铁路列车综合控制组网，组网包括LTE‑R无线基站LTE eNodeB，NR无线基站5G gNodeB和核心网EPC+，LTE eNodeB包括BBU和RRU；5G gNodeB包括CU,DU,AAU；EPC+包括MME,HSS,SGW,PGW。本实用新型既可以独立组网，也可以作为既有LTE小区的补充增强。LTE‑NR双连接技术可以用来实现LTE和5G系统非独立组网时的互联，提升整个无线网络的资源利用率和用户服务体验。
Description
技术领域
本实用新型涉及铁路通信领域，具体是一种高速铁路列车综合控制组网。
背景技术
铁路通信专用的数字移动通信系统主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，同时可为列车自动控制与监测信息提供数据传输通道。行车指挥中枢-调度集中CTC (Centralized Traffic Control)在DMIS基础上，调度集中应具备列车运行计划人工、自动调整、实际运行图自动描绘，行车日志自动生成、储存、打印，调度命令传送，车次号校核，临时限速命令下达等功能。中国列车运行控制系统CTCS (Chinese Train Control System)是从欧州列车运行控制系统(ETCS)演化而来的。按照《CTCS技术规范总则》的规定，我国的CTCS共分为五个级别，分别为CTCS0、CTCS1、CTCS2、CTCS3、CTCS4。
CTCS0级：为既有线的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构成。
CTCS1级：由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成。面向160Kmph以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。
CTCS2级：是基于轨道传输信息的面向提速干线和高速新线列车运行控制系统。分为地面子系统和车载子系统两部分。
CTCS3级：基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞。适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。
CTCS4级：基于无线传输信息的列车运行控制系统。面向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。由RBC(无线闭塞中心)和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查。地面不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。
CTCS的体系结构按铁路运输管理层、网络传输层、地面设备层和车载设备层配置。
本着安全保障、远程预警、快速响应、利于维护、无人值守为目的，采用微波雷达、定向雷达、激光雷达等安防相关技术，对铁路沿线重点区域，如铁路关键线路、列车进出站区域、铁路沿线机房、变电站、桥梁、隧道口、动车库等进行预警监控、跟踪和行为分析，为铁路环境安保预警提供了一种有效的整体解决方案。其中的通信方式，过去采用基于固网的VPN技术，现在采用GSM-R数字移动通信技术；LTE-R宽带无线通信技术成为后续发展的趋势。
GSM-R系统是专为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，该系统在GSMPhase2规范协议的组呼、广播呼叫、多优先级抢占的强拆业务基础上，加入基于位置寻址和功能寻址等铁路运输专用调度通信功能，可以满足铁路通信的各项业务需求。由于GSM-R具有适应铁路运输特点的功能优势，以及更符合通信信号一体化技术发展的需要，铁道部2000年底正式确定将GSM-R作为我国铁路专用通信的发展方向，并于2005年在青藏铁路开通了第一条采用GSM-R铁路移动通信系统的铁路线。目前，我国多条高速铁路和客运专线，均部署了GSM-R通信系统。
虽然GSM-R技术在我国得到了快速的发展，但其作为第二代移动通信技术，属于窄带通信系统，调制方式和频谱利用率较低，数据速率难以承载视频监控、视频会议、铁路旅客移动信息服务等宽带业务。同时，随着GSM技术日趋边缘化，GSM-R的产业链将逐步萎缩，产业界将迟早终止GSM-R产品配套及其技术支持。
LTE-R系统依靠OFDM技术、MIMO技术、下行功率控制技术、小区干扰协调技术、分组交换调度技术，具有网络结构扁平、频谱利用率高、传输速率快等优势。LTE-R要作为GSM-R的更新换代技术，除需要能提供目前GSM-R系统的铁路调度业务应用外，还需要承载列车控制信息，有望在铁路系统应用上提供视频传输等宽带业务，即实现多媒体调度通信、视频监控及无人驾驶等更丰富的业务功能。由于LTE-R是全IP化的扁平网络，所有铁路应用都是通过IP实现传输，LTE-R技术体制的铁路通信系统能否像GSM-R网络中的电路交换数据（CSD）一样可靠承载列车控制信号，在网络拥塞、无线资源紧张的情况下确保列车控制响应时间的要求，成为一大技术挑战。
现有技术存在的问题和缺点：
1）基于GSM-R制式的铁路列车控制系统受限于工作带宽和调制方式，在信息传输速率，频谱利用率，切换时延，系统容量，支持业务类型等方面都难以适应新时代铁路通信系统发展需求。GSM-R系统的话音业务均承载在电路交换域(Circuit-Switch, CS)网络上，传输资源利用率不高，话务容量受限，话音质量易受干扰。
2）单模LTE-R系统基于全IP网络，在5MHz带宽，可用传输资源块(RB, ResourceBlock)和回程链路(Backhaul, BH)质量不佳情况下，对于未来时延敏感的CTCS-4高速列控及关键任务(Mission Critical Service)的可靠性和健壮性仍不易保证。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术的问题，提供了一种高速铁路列车综合控制组网，既可以独立组网，也可以作为既有LTE小区的补充增强。LTE-NR双连接技术可以用来实现LTE和5G系统非独立组网时的互联，提升整个无线网络的资源利用率和用户服务体验。
本实用新型提供了一种高速铁路列车综合控制组网，包括LTE-R无线基站LTEeNodeB，NR无线基站5G gNodeB和核心网EPC+，LTE eNodeB包括BBU和RRU；5G gNodeB包括CU, DU, AAU；EPC+包括MME, HSS, SGW, PGW，eNodeB的BBU，gNodeB的CU，EPC+的MME和SGW的协议栈软件功能需作相应更新和适配。组网结构可以分为同构部署和异构部署两种。
LTE eNodeB和5G gNodeB同构部署，同构部署时LTE eNodeB和5G gNodeB共址并提供相同的覆盖。
LTE eNodeB和5G gNodeB异构部署，LTE eNodeB和5G gNodeB混合部署，LTEeNodeB提供广域宏覆盖，gNodeB以小基站形式在特定区域覆盖实现增热补盲，5G gNodeB的中央单元和分布单元与eNodeB的基带处理单元BBU共址部署，此时5G gNodeB的射频拉远单元RRU或有源天线单元通过拉远光纤与DU相连。
本实用新型还提供了一种高速铁路列车综合控制组网的工作方法，包括四种工作模式，多业务模式，互补模式，分离承载模式，冗余模式。
互补模式：UE或者网络侧设备实时监测无线信道和回程链路的质量状况，决定通信业务数据传输的无线接入制式(Radio Access Technology, RAT)。在这种工作模式中，UE实时检测LTE与NR参考信号值，判断两种无线信道质量，并通过信道质量指示CQI分别上报给无线基站eNodeB和gNodeB。eNodeB和gNodeB将收到的CQI值经由X2/Xn接口汇总到某一基站，或统一经由S1接口发往核心网，由汇总基站或核心网来判断当前两种制式的无线信道的优劣，选择信道条件相对较好的无线基站传输用户数据。
多业务模式：UE或者网络侧根据实时进行的多个并行通信业务类型及QoS要求，决定通信业务数据传输的RAT以及承载类型。本系统对于不同业务，分别定义不同的QCI (QoSclass identifier, 服务质量保证分类标识)值。QCI是系统用于标识业务数据包传输特性的参数，不同的QCI分别对应不同的资源类型、不同的优先级、不同的时延和不同的丢包率。为确保某个应用业务能正常运行，需要为该业务配置相匹配的QCI值（网络侧会提供相应的接口）。当UE进行一般的数据业务时，网络侧可以根据其QCI值采用LTE承载有关业务。当UE进行例如3GPP TS23.203的表6.1.7中定义的QCI值为65至67的短时延高可靠的关键任务(Mission Critical Service, MCS)时，网络侧可以采用NR技术承载有关业务。
分离承载模式：网络侧可配置为MCG Split Bearer, SCG Split Bearer分离承载模式，在某一无线基站回程链路传输不佳情况下将部分业务数据流分离到另外一种无线接入制式中传输。承载分离可以在核心网的SGW处进行，也可以在无线基站侧进行。
冗余模式：双连接的两种无线接入制式传输相同的业务数据流，保障信息传输的准确性和系统的高可靠性。当系统的前传或回传链路较不理想，或需要传输对信息准确性有极高要求的高可靠业务时，可以在两种无线链路上传输相同数据内容，终端和网络侧可将接收到的两路下行/上行数据进行合并判决，提高数据接收的准确性，减免一条传输链路临时异常带来的通信影响。
本实用新型有益效果在于：
1. 利用LTE和5G-NR两种无线接入制式，保证了无线网络覆盖范围和稳定性，提升了无线频谱的利用率和铁路列控通信的有效性。
2. 5G-NR技术采用的大规模天线技术，超密集组网技术，超短时隙帧结构可显著提升系统上下行传输速率，缩短网络端到端时延。
3. 系统具有的互补模式，多业务模式，分离承载模式，冗余模式丰富了通信系统工作多样性，增强了系统满足铁路应用需求的适应性和灵活性。
4. 系统面向未来通信技术发展方向，易于升级演进至控制面锚定在NG-Core/MgNB的双连接系统或5G SA独立组网系统，具有较强的扩展性和延续性。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
图2为工作方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
本实用新型提供了一种高速铁路列车综合控制组网，如图1所示，包括LTE-R无线基站LTE eNodeB，NR无线基站5G gNodeB和核心网EPC+，LTE eNodeB包括BBU和RRU；5GgNodeB包括CU, DU, AAU；EPC+包括MME, HSS, SGW, PGW，eNodeB的BBU，gNodeB的CU，EPC+的MME和SGW的协议栈软件功能需作相应更新和适配。组网结构可以分为同构部署和异构部署两种。
LTE eNodeB和5G gNodeB同构部署，同构部署时LTE eNodeB和5G gNodeB共址并提供相同的覆盖。
LTE eNodeB和5G gNodeB异构部署，LTE eNodeB和5G gNodeB混合部署，LTEeNodeB提供广域宏覆盖，gNodeB以小基站形式在特定区域覆盖实现增热补盲，5G gNodeB的中央单元和分布单元与eNodeB的基带处理单元BBU共址部署，此时5G gNodeB的射频拉远单元RRU或有源天线单元通过拉远光纤与DU相连。
本实用新型还提供了一种高速铁路列车综合控制组网的工作方法，如图2所示，包括四种工作模式，多业务模式，互补模式，分离承载模式，冗余模式。
互补模式：UE或者网络侧设备实时监测无线信道和回程链路的质量状况，决定通信业务数据传输的无线接入制式(Radio Access Technology, RAT)。在这种工作模式中，UE实时检测LTE与NR参考信号值，判断两种无线信道质量，并通过信道质量指示CQI分别上报给无线基站eNodeB和gNodeB。eNodeB和gNodeB将收到的CQI值经由X2/Xn接口汇总到某一基站，或统一经由S1接口发往核心网，由汇总基站或核心网来判断当前两种制式的无线信道的优劣，选择信道条件相对较好的无线基站传输用户数据。
多业务模式：UE或者网络侧根据实时进行的多个并行通信业务类型及QoS要求，决定通信业务数据传输的RAT以及承载类型。本系统对于不同业务，分别定义不同的QCI (QoSclass identifier, 服务质量保证分类标识)值。QCI是系统用于标识业务数据包传输特性的参数，不同的QCI分别对应不同的资源类型、不同的优先级、不同的时延和不同的丢包率。为确保某个应用业务能正常运行，需要为该业务配置相匹配的QCI值（网络侧会提供相应的接口）。当UE进行一般的数据业务时，网络侧可以根据其QCI值采用LTE承载有关业务。当UE进行例如3GPP TS23.203的表6.1.7中定义的QCI值为65至67的短时延高可靠的关键任务(Mission Critical Service, MCS)时，网络侧可以采用NR技术承载有关业务。
分离承载模式：网络侧可配置为MCG Split Bearer, SCG Split Bearer分离承载模式，在某一无线基站回程链路传输不佳情况下将部分业务数据流分离到另外一种无线接入制式中传输。承载分离可以在核心网的SGW处进行，也可以在无线基站侧进行。
冗余模式：双连接的两种无线接入制式传输相同的业务数据流，保障信息传输的准确性和系统的高可靠性。当系统的前传或回传链路较不理想，或需要传输对信息准确性有极高要求的高可靠业务时，可以在两种无线链路上传输相同数据内容，终端和网络侧可将接收到的两路下行/上行数据进行合并判决，提高数据接收的准确性，减免一条传输链路临时异常带来的通信影响。
四种工作模式可按照状态转换图2的条件进行转换，网络侧可以通过综合业务网管平台设定系统的初始默认工作模式。各种工作模式的转换触发条件及详细参数可预先在软件中定义，或依靠人工智能/机器学习算法灵活动态的更新调整，适应铁路具体场景的无线环境和业务需求。
EPC+硬件平台采用ATCA服务器。ATCA (Advanced Telecom ComputingArchitecture)即先进的电信计算平台，主要针对电信运营级应用，为下一代通信及数据网络应用提供了一个高性价比、模块化、兼容性强、并可扩展的硬件构架，同时以模块结构的形式呈现，以符合现代对高速数据传输的需求，为新一代电信运营设备提供了一个“可靠、可用、适用”的技术方案。
本实用新型具体应用途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种高速铁路列车综合控制组网，其特征在于：包括LTE-R无线基站LTE eNodeB，NR无线基站5G gNodeB和核心网EPC+，LTE eNodeB包括BBU和RRU；5G gNodeB包括CU, DU,AAU；EPC+包括MME, HSS, SGW, PGW；所述的LTE eNodeB和5G gNodeB同构部署，同构部署时LTE eNodeB和5G gNodeB共址并提供相同的覆盖所述的LTE eNodeB和5G gNodeB异构部署，LTE eNodeB和5G gNodeB混合部署，LTE eNodeB提供广域宏覆盖，gNodeB以小基站形式在特定区域覆盖实现增热补盲，5G gNodeB的中央单元和分布单元与eNodeB的基带处理单元BBU共址部署，此时5G gNodeB的射频拉远单元RRU或有源天线单元通过拉远光纤与DU相连。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111182499A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-19 | 南京泰通科技股份有限公司 | 高速铁路列车综合控制组网及其工作方法 |
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2019
- 2019-12-31 CN CN201922460847.9U patent/CN212572975U/zh active Active
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| CN111182499A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-19 | 南京泰通科技股份有限公司 | 高速铁路列车综合控制组网及其工作方法 |
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