一种适用于高速铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网关及接入方法

摘要

一种适用于高速铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网关及接入方法，包括：协议转换模块、路由转发模块、网络地址转换模块、启动初始化模块。本发明针对高速铁路列车支持多种通信技术制式接入的特点，能够实现高速铁路TD-LTE宽带通信系统对2G/3G及Internet异构网络的接入，有效解决TD-LTE系统与异构网络的数据路由转发问题，从而提高整个宽带通信系统的传输速率，保证业务数据的正确传输。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于高速铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网关及接入方法，属 于通信领域。

背景技术

随着我国高速铁路建设的不断发展，高速列车成为旅客远距离出行的重要交通工具，与 此同时，旅客对在高速列车上进行高质量的通信和数字娱乐服务的需求日益迫切。目前国外 将卫星技术、GPRS（通用无线分组业务）和UMTS（通用移动通信系统）技术与WiFi无线 网络相结合，在时速高达300km/h的跨境列车上提供不中断的无线宽带互联网连接；并有人 提出基于WiMAX技术的列车运行控制网络来取代现有基于GSM-R网络的列车运行控制系 统，在信号控制数据传输带宽的同时提供多样化的网络服务。而国内乘客在高速列车上通话 和上网主要基于既有的2G、3G公众移动通信网络。与传统无线网络覆盖环境相比，在高速 铁路环境下，由于列车运动速度快而且车体损耗大，导致无线信号多普勒效应明显，网络切 换频繁，高速列车上的终端用户容易出现无法接通、频繁掉话、话音断续等现象，严重影响 了旅客的通信质量和服务体验。同时随着高速铁路的发展，列车速度的大幅提高，行车安全 性需求也迫切需要有力的手段能够在地面上对列车的运行状态和车厢内的情况进行实时监 控。为了在车地之间提供稳定可靠的宽带通信服务，基于TD-LTE的高速铁路宽带通信系统 应运而生。该系统中列车车厢到地面网络的通信连接采用TD-LTE通信系统；车厢内具有多 种通信技术可接入的特点，即在车厢内支持多种通信技术制式，包括2G/3G移动通信技术和 Internet无线（WiFi）、有线接入，对应产生的业务分别是2G/3G网络的基本业务、WiFi上 网业务和铁路系统视频监控业务。车厢内采用集中接入的工作方式，即用户终端通过车厢内 的网络覆盖（包括2G/3G微基站、WiFi热点、视频监控点）接入到车载通信网络，当需要 与地面网络通信时，车载汇聚单元将数据收集并负责将用户终端的各种业务数据通过车载终 端发送给地面TD-LTE无线接入网并传输给TD-LTE核心网，最后由核心网中的网关设备将 业务数据分发至不同业务所对应的网络。

在此应用场景下，传统的TD-LTE核心网网关设备（包括移动性管理实体MME、服务 网关SGW、分组网关PDN-GW）已经不能满足高速铁路宽带通信系统中异构网络数据处理 转发的需求，从而不能保证数据的快速传输。需要设计一种多模接入网关，实现TD-LTE网 络与多种异构网络之间的互联互通。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于高速铁路TD-LTE宽带通 信系统的多模接入网关及接入方法，实现了高速铁路宽带通信系统与异构网络业务数据的汇 聚、识别和路由转发等功能，解决了TD-LTE网络与之间多种异构网络的互联互通问题，保 证了高速铁路TD-LTE宽带通信系统在车厢支持多种通信技术制式接入的业务，并提高整个 宽带通信系统的传输速率，保证业务数据的正确传输。

本发明技术解决方案：一种适用于高速铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网关包括：

协议转换模块，接收路由转发模块传递来的数据输入，在上行或者下行方向为路由转发 模块提供统一的数据格式，便于寻址和转发；在将2G/3G和Internet多种异构网络产生的业 务连接到高速铁路TD-LTE宽带通信系统的场景下，首先将根据业务种类的标记将异构网络 业务的QoS需求映射到TD-LTE网络中不同的QoS等级，再将下行数据封装成TD-LTE帧 的格式，得到封装好的业务数据，传递给路由转发模块；当列车上的用户终端通过高速铁路 TD-LTE宽带通信系统接入到地面异构网络与对等实体通信时，根据上行数据业务的标记， 从TD-LTE格式的信息中分离出2G/3G、WiFi和视频监控业务数据，传递给路由转发模块； 所述下行数据是指异构网络业务连接到高速铁路TD-LTE宽带通信系统传送给车厢内用户终 端的业务数据；所述上行数据是指车厢内用户终端经过高速铁路TD-LTE宽带通信系统接入 到地面异构网络传送给同等实体的业务数据；

此外，该网关设备还可以进一步包括：路由转发模块，接收网络地址转换模块输入的转 化后的IP地址，在进行下行数据转发的情况下，将协议转换模块封装好的业务数据映射到 具有不同QCI的TD-LTE承载上，并对车厢内的用户终端提供路由功能；在进行上行数据转 发的情况下，将经过协议转换模块转换后的2G/3G、WiFi和视频监控业务数据，转发至相应 的异构网络。

除此以外，该网关设备还可以进一步包括：网络地址转换模块，接收初始化模块产生的 IP地址，用于在路由转发模块进行上行数据转发的情况下，在将区分得到的业务转发至相应 的用户之前对区分得到的业务进行网络地址转换；以及用于在转发模块进行下行转发的情况 下，在分发映射好的TD-LTE业务流之前对配置的业务流进行反网络地址转换；转换后的IP 地址传递给路由转发模块。

除此以外，该网关设备还可以进一步包括：初始化模块，当网关设备接入TD-LTE网络 中时，通过DHCP协议，从PDN-GW获取分配好的IP地址，产生与TD-LTE网络的默认连 接；同时在网络侧进行初始化连接，分别连接到接入网关所在地的2G/3G接入网、WiFi服 务器和视频设备。该模块中IP地址的分配是其余模块正常工作的初始过程，IP地址作为输 入传递给网络地址转换模块。

上述网络侧是指异构网络2G/3G网络、WiFi网络、Internet。

利用上述适用于高速铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网关的接入方法，实现步骤 如下；

（1）多模接入网关进入TD-LTE网络，与TD-LTE核心网网元PDN-GW建立初始业务 流，并通过DHCP协议，从TD-LTE网络预先设定好的IP池中获取一个IP地址；

（2）多模接入网关在网络侧进行初始化连接，分别产生默认连接到接入网关所在地的 2G/3G接入网、WiFi服务器、视频设备；

（3）车厢用户经过车载网络中的接入点、车载控制单元、LTE系统、多模接入网关在 用户所属的地面异构网络中申请用户IP地址，多模接入网关进行DHCP RELAY即DHCP接 力，连接到地面异构网络中的DHCP服务器，获取车厢用户的IP地址，也称作远端IP地址；

（4）车厢用户获取了IP地址后，通过车载网络的接入、车载控制单元的业务类型到 QCI的映射、LTE系统的透明传输、多模接入网关的识别转发，与相对应的地面异构网络进 行业务数据传输；

（5）对于多模接入网关而言，上行数据和下行数据的流程有所不同：对上行数据，根 据上行数据业务的标记，从TD-LTE格式的信息中分离出2G/3G、WiFi和视频监控业务数据 并转发至相应的地面异构网络；对下行数据，根据协议的标记将异构网络业务的QoS需求映 射到TD-LTE网络中不同的QoS等级，再将下行数据封装成TD-LTE数据包并映射到具有不 同QCI的TD-LTE承载上，路由转发给车厢用户。

所述上行数据处理流程步骤如下：

（11）多模接入网关接收到来自TD-LTE承载的数据；

（12）解析业务数据包的包头，将LTE核心网数据包的IP头和GTP头部分剥离，提取 出QCI参数和目的IP地址；在业务数据加载在TD-LTE承载上之前，车载控制单元已经把 业务类型映射为QCI，并标记出数据的目的IP地址是地面异构网络设备；

（13）根据QCI参数，对照设计的QCI映射表，判断业务类型，根据IP地址及其标记， 从而对业务所属的异构网络进行判断；

（14）针对不同的异构网络，将数据包在协议栈的链路层形成对应格式的数据帧，并将 数据分发至2G/3G网络、WiFi网络、视频设备。

所述下行数据处理流程步骤如下：

（21）多模接入网关接收到来自2G/3G网络、WiFi网络、视频设备的业务数据，统称 为异构网络数据；

（22）提取异构网络数据包的QCI信息，识别业务类型，并根据设计的QCI映射表将 异构网络业务类型映射到TD-LTE网络的QCI参数；

（23）对异构网络数据包添加TD-LTE核心网隧道协议GTP包头和承载的IP头，并在 IP头中添加映射好的QCI参数；

（24）将封装好的TD-LTE网络数据包映射到TD-LTE承载，进行路由转发。

本发明与现有技术相比的优点在于：通过本发明的上述技术方案，能够实现高速铁路 TD-LTE宽带通信系统对多种异构网络的接入，包括2G/3G网络、WiFi网络、Internet，有效 解决TD-LTE系统与异构网络的数据路由转发问题，从而保证了高速铁路TD-LTE宽带通信 系统在车厢支持多种通信技术制式接入的业务，并提高整个宽带通信系统的传输速率，保证 业务数据的正确传输。

附图说明

图1是本发明适用于高速铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网关所适用的组网示 意；

图2是本发明中多模接入网关结构图；

图3是本发明中多模接入网关协议栈；

图4是本发明中多模接入网关用于LTE网络和异构网络的数据包转换图；

图5是本发明中多模接入网关适用于车载用户通过高速铁路TD-LTE宽带通信系统接入 到异构网络的流程图；

图6是本发明多模接入网关上行数据映射处理流程图；

图7是本发明多模接入网关下行数据分发处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的多模接入网关进行详细说明。此处所说明的 附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说 明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

考虑到高速铁路宽带通信业务对不同异构网络数据兼容的问题，本发明提出适用于高速 铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网关，满足用户在车厢内无论使用哪种网络（2G/3G 或Wifi、Internet），都可以进行有效的数据传输，充分利用网络资源，保证服务质量。

下文的表1列举了本发明中采用的一些术语和简称的定义。

表1

如图1所示，本发明多模接入网关所用的组网示意图。

在该通信网络中，用户是车厢上的旅客，对应的用户终端包括2G移动终端（2G MS）、 3G移动终端（3G UE）、WiFi终端、视频监控设备。车厢内对应的部署了车载网络的无线接 入系统，包括车载2G微基站单元（2GBTS）、3G微基站单元（3GNodeB）、WiFi接入点（WiFi AP），不同制式的用户终端通过对应的无线接入设备连接到车载通信，网络视频监控设备通 过有线的方式接入。车载汇聚单元负责收集用户终端产生的各种业务数据并传输给车载终 端。车载终端作为LTE系统的终端（UE），直接与地面基站EnodeB通信，负责搭建车-地间 的大容量数据无线传输通道。LTE核心网（EPC）包括移动管理设备MME、服务网关S-GW、 分组数据网网关P-GW，其功能如3GPP标准所规定，实现LTE系统的EPS承载建立。多模 接入网关连接LTE系统的核心网设备，并在网络测分别与2G无线接入网的基站控制器（2G BSC）、3G无线接入网的接入控制器（3G RNC）、WiFi服务器以及视频设备连接。2G BSC 连接到2G的核心网（2G CN），3G RNC连接到3G的核心网（3G CN）。最终通过地面这些 异构网络的转发，与对等实体建立通信。

与传统的LTE宽带通信系统核心网网关不同，本发明的多模接入网关针对高速列车上车 载网络的部署，对用户不同无线通信技术制式接入的业务数据进行识别、路由转发；还能将 异构网络的下行业务数据汇聚到LTE承载上，从而实现车载用户与地面网络中的对等实体通 信。

根据本发明的实施例，提供了一种适用于高速铁路TD-LTE宽带通信系统的多模接入网 关，如图2所示，包括协议转换模块、路由转发模块、网络地址转换模块、启动初始化模块。

具体地，协议转换模块，在2G/3G和Internet多种异构网络产生的业务连接到高速铁路 TD-LTE宽带通信系统的场景下，首先将根据协议的标记将异构网络业务的QoS需求映射到 TD-LTE网络中不同的QoS等级，再将下行数据封装成TD-LTE数据包的格式；另一方面， 当列车上的用户终端通过高速铁路TD-LTE宽带通信系统接入到地面异构网络与对等实体通 信时，根据上行数据业务的标记，从TD-LTE格式的信息中分离出2G/3G、WiFi和视频监控 业务数据。

所述下行数据是指异构网络业务连接到高速铁路TD-LTE宽带通信系统传送给车厢内用 户终端的业务数据；上行数据是指车厢内用户终端经过高速铁路TD-LTE宽带通信系统接入 到地面异构网络传送给同等实体的业务数据。

具体地，首先要实现LTE系统到地面异构网络的QoS映射。GPRS定义了5个QoS参 数，分别是优先权（3个等级）、时延（4个等级）、可靠性（5个等级）、峰值吞吐量（9个 等级）和平均吞吐量，每个参数设有多个级别的值可供选择，各参数不同级别值的组合构成 不同的QoS Profile，从而支持不同的QoS需求的多种业务。3G分组域中的QoS参数的前5 字节保留了2G中的QoS参数内容，另外增加了8字节的其他参数，包括业务类型，传输顺 序，上、下行最大比特率，传输时延，业务处理优先级和保证的上、下行最大比特率等。LTE 系统中，QoS参数包括QCI(QoS级别标识符)、ARP(分配与保持优先级)、GBR（可保证 的比特速率）、MBR(最大比特速率)和AMBR(聚合最大比特速率)。其中，QCI与AMBR两 个参数是LTE系统新增加的，其余参数则都沿用于现有的UMTS系统。QCI是LTE承载 最重要的QoS参数之一，它是一个数量等级，代表了LTE系统应该为某个SDF（业务数据 流）提供的QoS特性，每个业务数据流仅与一个QCI相关联。表2给出了LTE系统定义 的标准QCI属性，所有的QCI属性均可由运营商根据实际需求预配置在eNodeB上。

表2

结合3GPP标准和高速铁路的业务需求，本发明设计的QCI属性如下表3所示：

表3

具体地，在协议数据转换中，多模接入网关的协议栈如图3所示，多模接入网关在与LTE 核心网连接的一侧，L1，L2层作为物理层和数据链路层，在IP层上采用无连接的UDP协 议，在UDP之上采用了GTP隧道协议，承载的是GTP-U数据封装协议，可以有效的满足 LTE核心网对数据的传输。远端IP层实现外部异构网络与车厢用户终端的数据传输。多模 接入网关在与外部异构网络连接的另一侧，采用简单的IP协议，在L1，L2层上只保留了远 端IP层和应用层。需要指出的是，多模接入网关具有多个网络侧接口，分别与外部异构网 络的2G、3G网络、WiFi服务器、视频设备连接，所以不同的网络侧接口在L1，L2层上的 协议会有所不同，分别与2G、3G、WiFi、Internet网络标准的L1，L2层协议相适配。在数 据进行协议转换时，还必须将映射好的QoS参数考虑进去。

在2G/3G业务中，存在CS域的语音业务，对于这部分业务，在尚未完善配备IMS系统 的LTE中，主要是将该部分语音业务回退到2G/3G网络中，即采用CS FallBack（电路域业 务回落）和SRVCC（单网络接入语音业务连续性）技术，MME支持EPS与传统2G/3G网 络间的业务互通，包括CS FallBack和SRVCC，具体实现方法取决于运营商，此处不作详述。 区分异构数据的重点就是区分不同的数据业务，数据业务的底层技术是IP技术。对于2G/3G 和WiFi、Internet的数据业务，所有过滤分类机制都基于数据包的内容，或者是IP头中的 DSCP(DS)字段，或者是IP之上的其它协议的相关字段。但是在LTE核心网中，数据是封装 在GTP数据隧道中传输的，而承载的IP头部仅仅包含网关和基站的用于路由的基本信息， 受限于承载的IP头，可以更改的只是DSCP（DS）字段。所以本发明的解决方案如下，当 下行数据进入接入网关，如果数据包中DSCP（DS）字段没有设置（或者没有正确设置）， 并且没有进行隧道封装前，按照数据包传输的内容，将传输的数据包IP头中的DSCP（DS） 字段经过设计的映射关系，设置LTE核心网数据包的DSCP字段，然后再进行隧道封装，将 DSCP字段的设置添加到承载的IP头中。当上行数据进入接入网关，只要将LTE核心网数 据包的IP头和GTP头部分剥离，即可还原车厢内用户原来的业务数据包，同时根据还原后 的业务数据包中的远端IP地址和DSCP（DS）字段识别区分出异构网络及其业务类型。

此外，该网关设备还可以进一步包括：路由转发模块，进行下行数据转发的情况下，将 协议转换模块封装好的业务数据映射到具有不同QCI的TD-LTE承载上，并根据远端IP地 址对车厢内的用户终端提供路由功能；进行上行数据转发的情况下，路由转发模块将协议转 换模块区分好的业务转发至相应的异构网络。

以外，该网关设备还可以进一步包括：网络地址转换模块，用于在路由转发模块进行上 行数据转发的情况下，在将区分得到的业务转发至相应的异构网络之前对区分得到的业务进 行网络地址转换（NAT转换），转换成相应网络侧的地址；以及用于在转发模块进行下行转 发的情况下，在分发映射好的TD-LTE业务流之前对配置的业务流进行反网络地址转换，转 换成TD-LTE网络内部承载的IP地址。

除此以外，该网关设备还可以进一步包括：启动初始化模块，当网关设备接入TD-LTE 网络中时，通过DHCP协议，从PDN-GW获取分配好的IP地址，产生与TD-LTE网络的默 认连接；同时在网络侧进行初始化连接，分别连接到接入网关所在地的2G/3G接入网、WiFi 服务器、视频设备。

下面介绍本发明实例多模接入网关在高速铁路TD-LTE宽带通信系统的数据交互及处理 流程。以车厢用户发起业务为例，整个高速铁路TD-LTE宽带通信系统的处理流程如图5所 示，涉及到多模接入网关的交互流程具体如下：

（1）多模接入网关进入TD-LTE网络，与TD-LTE核心网网元PDN-GW建立初始业务 流，并通过DHCP协议，从TD-LTE网络预先设定好的IP池中获取一个IP地址；

（2）多模接入网关在网络侧进行初始化连接，分别产生默认连接到接入网关所在地的 2G/3G接入网、WiFi服务器、视频设备；

（3）车厢用户经过车载网络中的接入点、车载控制单元、LTE系统、多模接入网关在 用户所属的地面异构网络中申请用户IP地址，多模接入网关进行DHCP RELAY即DHCP接 力，连接到地面异构网络中的DHCP服务器，获取车厢用户的IP地址，本发明也称作远端 IP地址；

（4）车厢用户获取了IP地址后，可以通过车载网络的接入、车载控制单元的业务类型 到QCI的映射、LTE系统的透明传输、多模接入网关的识别转发，与相对应的地面异构网络 进行业务数据传输；

（5）对于多模接入网关而言，上行数据和下行数据的流程有所不同：对上行数据，根 据上行数据业务的标记，从TD-LTE格式的信息中分离出2G/3G、WiFi和视频监控业务数据 并转发至相应的地面异构网络；对下行数据，根据协议的标记将异构网络业务的QoS需求映 射到TD-LTE网络中不同的QoS等级，再将下行数据封装成TD-LTE数据包并映射到具有不 同QCI的TD-LTE承载上，路由转发给车厢用户。

具体的，多模接入网关的数据处理流程分为上行数据和下行数据处理两种情况。上行数 据处理流程如图6所示，具体步骤如下：

（1）多模接入网关接收到来自TD-LTE承载的数据。

（2）解析业务数据包的包头，将LTE核心网数据包的IP头和GTP头部分剥离，提取 出QCI参数和目的IP地址。结合图5中的流程，在业务数据加载在TD-LTE承载上之前， 车载控制单元已经把业务类型映射为QCI，并标记出数据的目的IP地址是地面异构网络设 备。

（3）根据QCI参数，对照设计的QCI映射表，判断业务类型，根据IP地址及其标记， 从而对业务所属的异构网络进行判断。

（4）针对不同的异构网络，将数据包在协议栈的链路层形成对应格式的数据帧，并将 数据分发至2G/3G网络、WiFi网络、视频设备。

下行数据处理流程如图7所示，具体步骤如下：

（1）多模接入网关接收到来自2G/3G网络、WiFi网络、视频设备的业务数据，统称为 异构网络数据。

（2）提取异构网络数据包的QCI信息，识别业务类型，并根据设计的QCI映射表将异 构网络业务类型映射到TD-LTE网络的QCI参数。

（3）对异构网络数据包添加TD-LTE核心网隧道协议GTP包头和承载的IP头，并在IP 头中添加映射好的QCI参数。

（4）将封装好的TD-LTE网络数据包映射到TD-LTE承载，进行路由转发。

通过上述处理，本发明多模接入网关能够有效解决高速铁路TD-LTE宽带通信系统对 2G/3G、Internet其他异构网络业务的支持，简单方便的实现业务数据的识别区分并转发到相 应的异构网络，并支持异构网络的业务数据汇聚至TD-LTE网络，从而保证业务数据正确的 双向通信。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。