基于LTE 技術(shù)重載列車無線通信系統(tǒng)故障分析

韓瑞峰

（國家能源集團朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

國能朔黃鐵路西起山西神池，東至河北黃驊，線路全長約600 km，是西煤東運第二大通道。國能朔黃鐵路已大量開行萬噸列車，日均開行64 列，萬噸列車承擔(dān)著全線80%的運量，基于LTE（Long Term Evolution，長期演進）技術(shù)重載組合列車無線重聯(lián)通信系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是國能朔黃鐵路年運量完成的有力保障。

1 系統(tǒng)組成

國能朔黃鐵路無線重聯(lián)通信系統(tǒng)由車載LTE 通信單元和地面LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)組成，無線重聯(lián)業(yè)務(wù)屬于實時安全數(shù)據(jù)信息。

1.1 車載設(shè)備

無線重聯(lián)組合列車分為主控機車和從控機車，主控機車和從控機車由A 節(jié)和B 節(jié)組成，每臺機車A 節(jié)和B 節(jié)分別設(shè)置一套機車同步操控設(shè)備OCE、車載數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備GDTE 和LTE 通信單元。每臺機車A 節(jié)同步操控設(shè)備OCE 通過工業(yè)總線連接車載數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備GDTE，車載數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備GDTE 通過數(shù)據(jù)串口線連接LTE 通信單元，LTE 通信單元無線連接地面LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)。LTE 通信單元A 端固定接入地面LTE 寬帶移動通信系統(tǒng)的A網(wǎng)，B 端固定接入地面LTE 寬帶移動通信系統(tǒng)的B 網(wǎng)，A、B 端同時工作又彼此獨立，從而保證無線鏈路的冗余性和可靠性。

1.2 機車數(shù)據(jù)發(fā)送機制與編組

機車數(shù)據(jù)發(fā)送機制采用星形結(jié)構(gòu)進行通信，主控機車向所有從控機車發(fā)送數(shù)據(jù)，從控機車只向主控機車發(fā)送數(shù)據(jù)。LTE 通信單元設(shè)置有編組請求功能，從控機車設(shè)置完編組信息后，會主動將本車的編組設(shè)置信息向主控機車發(fā)送，主控機車無線重聯(lián)界面顯示各個從控機車的狀態(tài)，只有所有從控機車的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)正常，編組信息設(shè)置正確，主控機車司機才會按下編組按鈕，機車編組完成。

1.3 機車LTE 通信單元功能

機車車載LTE 通信單元用戶名為機車號，密碼為SIM 卡國際移動用戶識別碼。LTE 通信單元配置靜態(tài)路由，從AAA 服務(wù)器獲取固定IP 地址，通過用戶名與IP 地址的綁定關(guān)系，可正確的向目標(biāo)機車發(fā)送數(shù)據(jù)。地面LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)增加域名服務(wù)器DNS 設(shè)備，設(shè)置在肅寧北網(wǎng)管中心，實現(xiàn)機車號域名與IP 地址的綁定，主控機車與從控機車通過對方的機車號信息向地面網(wǎng)絡(luò)查詢對方的IP 地址，實現(xiàn)IP 地址尋址。因此，主控機車和從控機車只要知道對方的機車號，就可以互相發(fā)送編組信息，實現(xiàn)編組功能。LTE 通信單元完整記錄各個接口的狀態(tài)、編組狀態(tài)、組成員信息和IP 地址及空口數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，還記錄與其他設(shè)備接口的原始數(shù)據(jù)，便于故障診斷[1]。

2 地面LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)

地面LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)由LTE 無線網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)、LTE 核心網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、外部應(yīng)用系統(tǒng)、網(wǎng)管服務(wù)器及操作維護客戶端構(gòu)成，其中LTE 無線網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)分布于國能朔黃鐵路沿線，其余部分位于肅寧北。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)連接外部應(yīng)用系統(tǒng)，如重聯(lián)服務(wù)器和CTC 接口服務(wù)器，網(wǎng)管服務(wù)器和網(wǎng)管客戶端提供對LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)的日常操作和維護功能，LTE 核心網(wǎng)是LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心，提供核心管理和交換功能。地面LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 地面LTE 寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)

2.1 LTE 核心網(wǎng)

LTE 核心網(wǎng)設(shè)置EPC-A 和EPC-B，機車同步操控終端分為A 類終端和B 類終端，A 端和B 端只能分別接入EPC-A 網(wǎng)絡(luò)和EPC-B 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)LTE 核心網(wǎng)負荷分擔(dān)。LTE 核心網(wǎng)內(nèi)eCNS600 提供核心服務(wù)功能，如網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)，AAA 服務(wù)器提供IP地址分發(fā)功能，DNS 服務(wù)器提供域名服務(wù)，POC 服務(wù)器提供語音服務(wù)，NTP 服務(wù)器提供時間同步。

2.2 業(yè)務(wù)流程

主控機車與從控機車A 類終端之間業(yè)務(wù)流程：主控機車A類終端的業(yè)務(wù)流由空口Uu 接入基站eNodeB-A，基站eNodeB-A的業(yè)務(wù)流由S1 接口接入傳輸網(wǎng)，傳輸網(wǎng)的業(yè)務(wù)流由肅寧北HW10G-A 設(shè)備接入LTE 核心網(wǎng)，LTE 核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)流由eCNS600 服務(wù)器作鑒權(quán)，由AAA 服務(wù)器分配固定IP 地址，再通過核心交換機CE12804-A 信息交換后返回從控機車A 類終端。

主控機車與從控機車B 類終端之間業(yè)務(wù)流程：主控機車B類終端的業(yè)務(wù)流由空口Uu 接入基站eNodeB-B，基站eNodeB-B的業(yè)務(wù)流由S1 接口接入傳輸網(wǎng)，傳輸網(wǎng)的業(yè)務(wù)流由肅寧北HW2.5G-A 設(shè)備接入LTE 核心網(wǎng)，LTE 核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)流由eCNS600 服務(wù)器作鑒權(quán)，由AAA 服務(wù)器分配固定IP 地址，再通過核心交換機CE12804-B 信息交換后返回從控機車B 類終端。

3 傳輸組網(wǎng)

傳輸網(wǎng)絡(luò)分布于國能朔黃鐵路沿線，傳輸設(shè)備設(shè)置于國能朔黃鐵路沿線通信機房和區(qū)間BBU 基站，網(wǎng)管中心設(shè)置于肅寧北，設(shè)置核心網(wǎng)EPC-A 和EPC-B。A 網(wǎng)由HW10G-A 傳輸設(shè)備承載，數(shù)據(jù)流由東向西，在肅寧北連接核心網(wǎng)EPC-A，B 網(wǎng)由HW2.5G-A傳輸設(shè)備承載，數(shù)據(jù)流由西向東，在肅寧北連接核心網(wǎng)EPC-B。

3.1 光纜中斷對機車同步操控業(yè)務(wù)的影響

沿線各站的HW10G-A 傳輸設(shè)備組成1+1 線性復(fù)用段保護網(wǎng)絡(luò)，采用“雙發(fā)、選收”的保護機制。正常情況下，工作路由和保護路由同時傳送業(yè)務(wù)信號，但接收端僅僅分別從工作路由選收業(yè)務(wù)信號。當(dāng)光纜某一處中斷，接收端將倒換到保護路由，從保護路由選收業(yè)務(wù)信號。因此，某一處光纜中斷既不影響HW10G-A 所承載的A 網(wǎng)業(yè)務(wù)，也不影響機車同步操控A、B 類終端正常通信。

沿線各站的HW2.5G-A 傳輸設(shè)備組成2 纖雙向復(fù)用段共享保護環(huán)。每根光纖容量一分為二，前一半分配給工作通道S，后一半分配給保護通道P，光纜1 纖芯光纖同時載送工作通道S1 和保護通道P2，2 纖芯光纖同時載送工作通道S2 和保護通道P1。通常情況下，光纜1 纖芯上的工作通道S1，由沿環(huán)的相反方向的另一條光纜的2 纖芯上的保護通路P1 來保護，同理光纜2 纖芯工作通道S2 由另一條光纜1 纖芯的保護通道P2 來保護。正常情況下，光纜的1、2 纖芯工作通道S1、S2 來傳輸業(yè)務(wù)，光纜兩端傳輸設(shè)備網(wǎng)元呈現(xiàn)正常態(tài)。當(dāng)光纜某處中斷后，全網(wǎng)進行MSP 保護倒換，光纜中斷兩端的網(wǎng)元發(fā)生橋接倒換。因此某一處光纜中斷，不影響HW2.5G-A 傳輸設(shè)備所承載的B 網(wǎng)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)有很好的自愈能力，不影響機車同步操控A、B 類終端的正常通信。

3.2 單站傳輸設(shè)備故障對機車同步操控業(yè)務(wù)的影響

HW10G-A 傳輸設(shè)備故障：影響上行HW10G-A 站點小覺站以西（不含）A 網(wǎng)BBU 站點傳輸設(shè)備。以滴流磴站為例，HW10G-A 設(shè)備單站故障，影響小覺站以西（不含）A 網(wǎng)BBU 站點傳輸設(shè)備，但不影響B(tài) 網(wǎng)BBU站點傳輸設(shè)備，機車在神池站至小覺站區(qū)間運行時，機車同步操控終端LTE-A 顯示脫網(wǎng)，LTE-B顯示正常。

HW2.5G-A傳輸設(shè)備故障：影響本站（含）以西的B 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備。以滴流磴站為例，HW2.5G-A 設(shè)備單站故障，影響滴流磴站以西（含）B 網(wǎng)BBU 站點傳輸設(shè)備，但不影響A 網(wǎng)BBU 站點傳輸設(shè)備，機車在神池站至滴流磴站區(qū)間運行時，機車同步操控終端LTE-B 顯示脫網(wǎng)，LTE-A 顯示正常。

HW2.5G-B 傳輸設(shè)備故障：影響本站（含）至附近上行HW10G-A 站點（不含）A 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備，本站（含）至附近下行HW10G-A 站（不含）B 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備。以滴流磴站為例，HW2.5G-B 傳輸設(shè)備單站故障，影響滴流磴站（含）至小覺站（不含）A 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備，滴流磴站（含）至東冶站（不含）B 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備。機車在滴流磴站至小覺站區(qū)間運行時，機車同步操控終端LTE-A 顯示脫網(wǎng)，LTE-B 顯示正常；機車在東冶站至滴流磴站區(qū)間運行時，機車同步操控終端LTE-B 顯示脫網(wǎng)，LTE-A 顯示正常。

非HW10G-A 車站站點HW2.5G-B 傳輸設(shè)備故障：影響車站站點西側(cè)B 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備和車站站點東側(cè)A 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備，雙方向均截止至HW10G-A 車站站點（不含）。以猴刎站為例，HW2.5G－B 設(shè)備單站故障，影響1734－BUB 基站和1946－BUA 基站的BBU 傳輸設(shè)備。機車在滴流磴站至猴刎站區(qū)間運行時，機車同步操控終端LTE-B 顯示脫網(wǎng)，LTE-A 顯示正常；機車在猴刎至小覺站區(qū)間運行時，機車同步操控終端LTE-A 顯示脫網(wǎng)，LTE-B 顯示正常。

區(qū)間站點HW2.5G-B 傳輸設(shè)備故障：影響本基站下掛A 網(wǎng)或B 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備。以1567－BUA 基站為例，HW2.5G-B 設(shè)備故障，影響該基站下掛的A 網(wǎng)BBU 傳輸設(shè)備，繼而影響該基站BBU 設(shè)備所掛的A 網(wǎng)RRU 設(shè)備，機車在該基站管轄區(qū)段運行時，機車同步操控終端LTE-A 顯示脫網(wǎng)、LTE-B 顯示正常。

4 LTE 無線網(wǎng)絡(luò)

國能朔黃鐵路LTE 無線網(wǎng)絡(luò)采用共站址雙網(wǎng)冗余覆蓋，在同一站址設(shè)置A、B 網(wǎng)2 套獨立基站，分別接入不同的核心網(wǎng)EPC-A 和EPC-B。鐵路沿線部署B(yǎng)BU 加RRU 分布式基站，采用星形組網(wǎng)方式，可靠性高，1 個BBU 帶3 個小區(qū)的RRU。BBU通過光纖連接RRU，且設(shè)置主備2 路光通道，分別走鐵路下行48A 和鐵路上行48B 光纜。BBU 為基帶處理單元，完成上下行基帶信號處理，通過以太網(wǎng)接口連接HW2.5G-B。RRU 為射頻拉遠單元，負責(zé)傳送和處理BBU 與天饋系統(tǒng)之間的射頻信號。

4.1 漏纜故障對機車同步操控業(yè)務(wù)的影響

同頻小區(qū)雙發(fā)射天線配置指示參數(shù)配置情況，終端在切換過程中，鄰區(qū)的RSRP 的測量僅對鄰小區(qū)端口的0 口進行。故障點發(fā)生在1505-RU 基站下行側(cè)神池方向漏纜接頭27 m 處，直流阻斷器損壞，駐波儀測試值為1.99。當(dāng)機車開往肅寧方向時，從1493-RU 小區(qū)切換到1505-RU 小區(qū)過程中，由于RSRP 僅對1505-RU 小區(qū)端口的0 口進行，機車同步操控終端LTE-A和LTE-B 都出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象，都產(chǎn)生閃紅告警。

需要說明的是，同頻鄰區(qū)雙發(fā)射天線配置指示參數(shù)可以修改。該參數(shù)表示本地小區(qū)的所有同頻鄰區(qū)是否配置為兩個及以上天線端口。如果本地小區(qū)所有同頻鄰區(qū)均配置為兩個及以上天線端口時，該參數(shù)配置為“是”[3]。如果本地小區(qū)同頻鄰區(qū)中有一個鄰區(qū)配置為單天線端口時，該參數(shù)配置為“否”。1505-RU基站有兩個天線端口，目前參數(shù)設(shè)置為“否”。

當(dāng)該參數(shù)設(shè)置為“是”時，終端在進行同頻鄰區(qū)測量時，將對目標(biāo)小區(qū)（鄰區(qū)）所有天線端口的射頻信號進行測量，以判斷是否發(fā)生切換；而當(dāng)該參數(shù)設(shè)置為“否”時，終端僅對目標(biāo)小區(qū)（鄰區(qū)）一個天線端口的射頻信號進行測量，以判斷是否發(fā)生切換。該參數(shù)設(shè)置為“是”時終端對目標(biāo)小區(qū)（鄰區(qū)）的測量更加準(zhǔn)確和及時，有利于更好的發(fā)生切換以保持良好的移動性。

4.2 單天線故障對機車同步操控業(yè)務(wù)的影響

鐵路沿線部署許多單天線雙漏纜覆蓋場景。RRU 安裝在室內(nèi)，信號經(jīng)過電橋合路后，1 路信號經(jīng)過7/8 饋線連接天線，1 路信號連接漏纜。RRU 為2T2R，防雷器為DIN 對DIN。轉(zhuǎn)接頭N對DIN。電橋接頭為N 母。若天線故障或者下傾角偏移，由天線發(fā)射的A 網(wǎng)信號質(zhì)量變差，B 網(wǎng)信號同樣變差，對同步操控A網(wǎng)和B 網(wǎng)均有影響。

鐵路沿線部署雙天線覆蓋場景，RRU 安裝在鐵塔上，為4T4R、無電橋。A、B 網(wǎng)均采用雙天線獨立天饋系統(tǒng)覆蓋，A 網(wǎng)安裝在鐵塔靠近鐵路側(cè)，B 網(wǎng)安裝在鐵塔遠離鐵路側(cè)。這樣設(shè)計的好處，既能提高基站的可靠性，還能提高基站的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。若A 網(wǎng)單天線故障，只影響A 網(wǎng)在該小區(qū)天線覆蓋范圍內(nèi)的信號質(zhì)量，小區(qū)B 網(wǎng)的信號質(zhì)量是好的。

5 結(jié)束語

通過介紹重載機車無線重聯(lián)的車載設(shè)備、同步操控機制、LTE核心網(wǎng)絡(luò)、傳輸組網(wǎng)、基站和網(wǎng)絡(luò)故障分析及影響范圍，為鐵路寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、維護及網(wǎng)絡(luò)故障處理提供一定的參考。