基于TD-LTE的鐵路客站移動(dòng)信息化接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)

陳維明，蔣肖鋒，陳云飛，施海峰

（1. 通號(hào)通信信息集團(tuán)上海有限公司，上海 200071；2. 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 信息化處，上海 200071；3. 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海站，上海 200070；

4. 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海電務(wù)段，上海 200434）

0 引言

鐵路站場(chǎng)是鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著大量的列車接發(fā)、編組任務(wù)和裝卸業(yè)務(wù)，各工種承擔(dān)著站場(chǎng)設(shè)備大量日常維修工作。但多年來，站場(chǎng)移動(dòng)通信狀況并沒有大的改觀，仍是以對(duì)講機(jī)/GSM-R為主要的通信方式，難以滿足鐵路信息化日益發(fā)展的需要[1]。利用主流的寬帶無線通信技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來推進(jìn)站場(chǎng)移動(dòng)信息化“最后一公里”建設(shè)的呼聲很高[2-4]。

鐵路站場(chǎng)包括車、機(jī)、工、電、輛等各專業(yè)，每個(gè)專業(yè)都有通用和特定的移動(dòng)信息化需求。如果每個(gè)專業(yè)都各自單獨(dú)建設(shè)無線通信系統(tǒng)，一方面會(huì)造成重復(fù)建設(shè)，經(jīng)濟(jì)效益不高；另一方面，無線通信系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)、管理和維護(hù)專業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)上會(huì)構(gòu)成較大挑戰(zhàn)。為了更好地滿足鐵路站場(chǎng)移動(dòng)信息化的需求，可以在站場(chǎng)建立統(tǒng)一的寬帶無線承載和應(yīng)用平臺(tái)，便于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員攜帶移動(dòng)終端與后臺(tái)數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)/管理人員之間形成即時(shí)的互動(dòng)，完成作業(yè)流程、作業(yè)管控、技術(shù)支持等功能，以提高生產(chǎn)調(diào)度效率和安全管控水平[5-8]。另外，根據(jù)《鐵路信息化總體規(guī)劃》，應(yīng)大力推進(jìn)鐵路站場(chǎng)寬帶無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，至2020年車站（場(chǎng)）寬帶無線網(wǎng)覆蓋率達(dá)到60%[9]。

在對(duì)既有系統(tǒng)及客運(yùn)、電務(wù)專業(yè)應(yīng)用進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出基于TD-LTE的鐵路客站移動(dòng)信息化接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)方案，在上海站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并總結(jié)使用效果。

1 寬帶無線通信技術(shù)選擇

針對(duì)鐵路站場(chǎng)對(duì)寬帶無線通信及移動(dòng)信息化的需求，原中國鐵路總公司于2017年3月發(fā)布《鐵路站場(chǎng)寬帶無線接入系統(tǒng)總體技術(shù)要求（暫行）》[10]，規(guī)定了鐵路站場(chǎng)采用基于1.8 GHz頻段的TD-LTE和ISM開放頻段的WLAN專用寬帶接入的技術(shù)要求?；赥D-LTE和WLAN的寬帶無線通信技術(shù)比較見表1。

表1 鐵路站場(chǎng)專用寬帶無線通信技術(shù)WLAN和TD-LTE的比較

綜合來看，WLAN在局部區(qū)域覆蓋、傳輸速率和設(shè)備成本上有較大優(yōu)勢(shì)，但在大范圍區(qū)域覆蓋、受干擾性、接入站點(diǎn)規(guī)劃和施工方面存在明顯不足。TD-LTE是4G時(shí)代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)，在初期建設(shè)成本較高，還存在一定制約，但隨著應(yīng)用規(guī)模的增長，其相關(guān)費(fèi)用會(huì)持續(xù)走低，是目前鐵路站場(chǎng)寬帶無線通信技術(shù)的主流方向。在此采用TD-LTE寬帶無線通信系統(tǒng)作為鐵路客站移動(dòng)信息化接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路客站移動(dòng)信息化接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)分為接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)2部分，其中接入平臺(tái)由TD-LTE寬帶無線通信子系統(tǒng)、虛擬化子系統(tǒng)、綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)組成；應(yīng)用系統(tǒng)由多媒體調(diào)度子系統(tǒng)、客運(yùn)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)、電務(wù)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）TD-LTE寬帶無線通信子系統(tǒng)由核心網(wǎng)、無線基站BBU、射頻拉遠(yuǎn)單元RRU、無線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、管理和維護(hù)客戶端、智能移動(dòng)終端組成。虛擬化子系統(tǒng)包括1個(gè)控制節(jié)點(diǎn)和1個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在其中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理虛擬服務(wù)器、客運(yùn)應(yīng)用虛擬服務(wù)器、電務(wù)應(yīng)用虛擬服務(wù)器。綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理虛擬服務(wù)器、管理和維護(hù)客戶端組成。

（2）多媒體調(diào)度子系統(tǒng)包括多媒體調(diào)度服務(wù)器、多媒體調(diào)度臺(tái)、智能移動(dòng)終端調(diào)度客戶端APP?？瓦\(yùn)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)由客運(yùn)應(yīng)用虛擬服務(wù)器、智能移動(dòng)終端客運(yùn)應(yīng)用APP、管理和維護(hù)客戶端組成。電務(wù)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)由電務(wù)應(yīng)用虛擬服務(wù)器、智能移動(dòng)終端電務(wù)應(yīng)用APP、管理和維護(hù)客戶端組成?？瓦\(yùn)應(yīng)用虛擬服務(wù)器、電務(wù)應(yīng)用虛擬服務(wù)器分別通過客運(yùn)防火墻、電務(wù)防火墻與客運(yùn)既有系統(tǒng)、電務(wù)既有系統(tǒng)進(jìn)行連接，完成各自所需的信息交互。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 接入平臺(tái)

接入平臺(tái)在站場(chǎng)無線覆蓋和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載的基礎(chǔ)上，具有以下功能：

（1）接入控制。具備移動(dòng)終端管理和用戶管理功能，未經(jīng)授權(quán)的移動(dòng)終端或用戶不能接入。授權(quán)接入的移動(dòng)終端或用戶可根據(jù)需要控制其使用權(quán)限，如通話、數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用訪問等。

（2）網(wǎng)絡(luò)管理。具備對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理功能。除了系統(tǒng)配置外，能以拓?fù)鋱D的形式顯示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作及告警狀態(tài)，并可進(jìn)一步查詢。

2.2.2 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)包括多媒體調(diào)度應(yīng)用、客運(yùn)專業(yè)應(yīng)用、電務(wù)專業(yè)應(yīng)用。多媒體調(diào)度應(yīng)用具有單呼、組呼、短消息、視頻通話等功能；客運(yùn)專業(yè)應(yīng)用具有信息公告、列車信息查詢、接發(fā)車流程、交接班記錄、現(xiàn)場(chǎng)信息上傳、作業(yè)指導(dǎo)書查看、崗位監(jiān)控等功能；電務(wù)專業(yè)應(yīng)用具有風(fēng)險(xiǎn)提示、檢修作業(yè)流程、施工作業(yè)流程、應(yīng)急處置上報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)信息上傳、作業(yè)指導(dǎo)書查看、備品備件管理等功能。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）客站無線全覆蓋：采用TD-LTE系統(tǒng)和技術(shù)進(jìn)行整個(gè)客站的覆蓋。

（2）平臺(tái)和應(yīng)用相對(duì)獨(dú)立。平臺(tái)提供移動(dòng)終端接入、數(shù)據(jù)承載和綜合網(wǎng)絡(luò)管理的功能。各專業(yè)的移動(dòng)信息化滿足各自作業(yè)流程和信息共享的功能，具有較大靈活性和擴(kuò)展性。

（3）多媒體調(diào)度應(yīng)用與各專業(yè)的移動(dòng)信息化應(yīng)用相互獨(dú)立，可以選擇使用。

（4）移動(dòng)終端的接入和管理分為平臺(tái)和應(yīng)用2個(gè)層面進(jìn)行管理。平臺(tái)側(cè)授權(quán)移動(dòng)終端的接入，各專業(yè)應(yīng)用側(cè)通過移動(dòng)終端的IMEI號(hào)授權(quán)對(duì)于應(yīng)用的訪問。

（5）各專業(yè)的移動(dòng)信息化應(yīng)用系統(tǒng)采用統(tǒng)一架構(gòu)，即B/S架構(gòu)結(jié)合智能移動(dòng)終端APP的方式。

（6）TD-LTE寬帶無線通信系統(tǒng)與既有業(yè)務(wù)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層面不相連接。業(yè)務(wù)層面僅有業(yè)務(wù)應(yīng)用相應(yīng)的虛擬服務(wù)器通過各自獨(dú)立的防火墻以及不同物理網(wǎng)絡(luò)接口與既有對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)相連接，以滿足信息隔離和安全的需要[7]。

3 實(shí)施方案及效果

基于TD-LTE的鐵路客站移動(dòng)信息化接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)于2017年初在上海站試用，上海站作為寬帶無線接入平臺(tái)的管理單位和客運(yùn)信息化應(yīng)用的使用單位，上海電務(wù)段作為電務(wù)信息化應(yīng)用的使用單位。

3.1 系統(tǒng)組成

（1）接入部分。寬帶無線接入部分由1個(gè)核心網(wǎng)eSCN230（包含企業(yè)用戶中心eUDC、企業(yè)操作和維護(hù)中心eOMC等）、1個(gè)無線基站eBBU530、3個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元eRRU和定向天線，以及管理客戶端構(gòu)成。

（2）應(yīng)用部分。應(yīng)用部分主要由1個(gè)多媒體調(diào)度服務(wù)器、1個(gè)調(diào)度臺(tái)、1個(gè)虛擬化控制節(jié)點(diǎn)、1個(gè)虛擬化計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成。在虛擬化計(jì)算節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理虛擬服務(wù)器、客運(yùn)應(yīng)用虛擬服務(wù)器、電務(wù)應(yīng)用虛擬服務(wù)器。

3.2 系統(tǒng)部署

（1）無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在上海站采用3個(gè)RRU（與BBU星形連接）進(jìn)行全站覆蓋的方案（見圖2），使用1 785～1 790 MHz頻率資源。核心網(wǎng)和BBU部署在上海站信息機(jī)房，3個(gè)RRU分別部署在10/11站臺(tái)中間位置、西部靠咽喉區(qū)域樓頂、東部靠咽喉區(qū)域樓頂。RRU安裝位置見圖2（a）紅色圓圈，黃色圓圈為核心網(wǎng)和BBU所在位置。覆蓋范圍仿真見圖2（b），不同區(qū)域代表不同的范圍和參考信息接收功率（RSRP）信號(hào)強(qiáng)度，由內(nèi)向外遞次減弱。

圖2 上海站TD-LTE寬帶無線系統(tǒng)的部署和覆蓋范圍

（2）基于TD-LTE寬帶無線網(wǎng)絡(luò)部署多媒體調(diào)度通信子系統(tǒng)。多媒體調(diào)度通信由服務(wù)器端軟件、調(diào)度臺(tái)軟件以及移動(dòng)客戶端APP軟件組成，可完成單呼、組呼、短消息、視頻通話、視頻回傳和視頻分發(fā)等功能。

（3）基于TD-LTE寬帶無線網(wǎng)絡(luò)部署客運(yùn)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)?？瓦\(yùn)移動(dòng)信息化應(yīng)用由客運(yùn)服務(wù)器端軟件、客運(yùn)Web管理與維護(hù)頁面以及移動(dòng)客戶端客運(yùn)APP軟件組成。

（4）基于TD-LTE寬帶無線網(wǎng)絡(luò)部署電務(wù)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)。電務(wù)移動(dòng)信息化應(yīng)用由電務(wù)服務(wù)器端軟件、電務(wù)WEB管理與維護(hù)頁面以及移動(dòng)客戶端電務(wù)APP軟件組成。

（5）在客運(yùn)既有系統(tǒng)、電務(wù)既有系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)之間部署各自獨(dú)立的防火墻設(shè)備（見圖1）。防火墻設(shè)備直接連接到虛擬化計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)備的不同物理網(wǎng)絡(luò)端口，不與無線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。

3.3 運(yùn)用效果

（1）寬帶無線接入系統(tǒng)可有效覆蓋上海站站臺(tái)、站廳、東西咽喉，以及南北廣場(chǎng)區(qū)域。RSRP、信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）的部分測(cè)量結(jié)果見表2，基本滿足無線信號(hào)覆蓋的要求。測(cè)量過程中通過移動(dòng)終端（EP820）回傳1路高清視頻（分辨率1 280×720、25幀/s、H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)、傳輸速率大于1 Mb/s），移動(dòng)中回傳到調(diào)度臺(tái)的高清視頻清晰流暢。

（2）移動(dòng)終端的接入控制。在寬帶無線接入側(cè)通過終端的IMEI號(hào)授權(quán)接入，并能夠?qū)σ苿?dòng)終端的訪問權(quán)限進(jìn)行控制。在應(yīng)用系統(tǒng)側(cè)綁定用戶名和移動(dòng)終端的IMEI號(hào)，客運(yùn)應(yīng)用的移動(dòng)終端不能登錄電務(wù)應(yīng)用，反之亦然。

（3）無線接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)與既有業(yè)務(wù)系統(tǒng)既相隔離，不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)在限制條件下又可與其進(jìn)行信息交互（通過獨(dú)立防火墻和服務(wù)器側(cè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)端口連接，實(shí)現(xiàn)IP地址限制、端口映射、流量控制等功能）。

（4）多媒體調(diào)度子系統(tǒng)功能。完成單呼、組呼、短消息、視頻通話、視頻回傳和視頻分發(fā)等功能，使用體驗(yàn)良好。

（5）客運(yùn)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)功能。在上海站調(diào)度指揮中心設(shè)置業(yè)務(wù)管理終端，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：①調(diào)度指揮中心可進(jìn)行公告信息發(fā)布、人員在崗狀態(tài)監(jiān)控、列車接送任務(wù)管理、交接班記錄查詢等；②移動(dòng)終端可查看公告信息，進(jìn)行列車接送任務(wù)的接收和完成作業(yè)的操作，指揮中心可即時(shí)查看列車接送任務(wù)的完成情況；③移動(dòng)終端可進(jìn)行交接班的操作，指揮中心可即時(shí)查看交接班記錄；④移動(dòng)終端可查看列車即時(shí)的到發(fā)信息；⑤移動(dòng)終端可進(jìn)行圖片、音頻、視頻上傳和作業(yè)指導(dǎo)書查看。

表2 上海站TD-LTE寬帶無線系統(tǒng)覆蓋測(cè)量結(jié)果（部分）

（6）電務(wù)移動(dòng)信息化子系統(tǒng)功能。在上海電務(wù)段調(diào)度指揮中心設(shè)置業(yè)務(wù)管理終端，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：①調(diào)度指揮中心可進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)提示管理、檢修任務(wù)管理、施工任務(wù)管理、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置管理、作業(yè)指導(dǎo)書/設(shè)備應(yīng)急資料檢索管理、備品備件管理；②移動(dòng)終端可接收和查看風(fēng)險(xiǎn)提示，進(jìn)行檢修任務(wù)/施工任務(wù)的接收，開始作業(yè)和完成作業(yè)的操作，調(diào)度指揮中心可即時(shí)查看分派任務(wù)的狀態(tài)；③移動(dòng)終端可上傳現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置記錄，調(diào)度指揮中心查看相應(yīng)記錄，并進(jìn)行審核；④移動(dòng)終端可進(jìn)行圖片、音頻、視頻、測(cè)試數(shù)據(jù)上傳和作業(yè)指導(dǎo)書/設(shè)備應(yīng)急資料查看。

（7）管理和維護(hù)客戶端可登錄到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理虛擬服務(wù)器，通過拓?fù)鋱D監(jiān)視并進(jìn)一步查看接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在線狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)狀態(tài)、Web服務(wù)器狀態(tài)、告警等）。

4 結(jié)束語

基于TD-LTE的鐵路客站移動(dòng)信息化接入平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)將移動(dòng)通信與信息技術(shù)相結(jié)合，在上海站的現(xiàn)場(chǎng)試用驗(yàn)證了其在鐵路客站移動(dòng)信息化應(yīng)用方面的可行性和實(shí)用性，能夠滿足寬帶無線數(shù)據(jù)承載、移動(dòng)終端接入管理、客運(yùn)和電務(wù)專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用需求，為鐵路客站作業(yè)提供了先進(jìn)的信息化應(yīng)用手段，對(duì)鐵路站場(chǎng)移動(dòng)信息化應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)與借鑒意義。

后續(xù)可以預(yù)見到的業(yè)務(wù)應(yīng)用和擴(kuò)展功能如下：（1）可將TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋擴(kuò)展到多個(gè)站場(chǎng)，建立統(tǒng)一的站場(chǎng)移動(dòng)信息化系統(tǒng)；（2）通過應(yīng)用平臺(tái)開發(fā)提供更多專業(yè)的接入，為多個(gè)不同專業(yè)提供統(tǒng)一的移動(dòng)信息化基礎(chǔ)服務(wù)；（3）借助于寬帶無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的接入以及對(duì)講機(jī)網(wǎng)關(guān)的支持，移動(dòng)終端除了相互間可進(jìn)行基于IP的調(diào)度通信外，還可與對(duì)講機(jī)進(jìn)行互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)通話的功能，可作為對(duì)講機(jī)呼叫通信的一種升級(jí)方案。