主頁(yè)（http://www.130131.com）：鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（LTE-R）技術(shù)指標(biāo)體系研究 引言：1 概述 近十年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，GSM-R系統(tǒng)在青藏高原鐵路、大秦重載鐵路、京滬高速鐵路、鄭西客運(yùn)專線等線路上得到了廣泛的應(yīng)用。然而，伴隨著眾多鐵路新業(yè)務(wù)需求的涌現(xiàn)，比如：列車視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、列車實(shí)時(shí)監(jiān)控業(yè)務(wù)等，對(duì)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)提出更高的要求，需要其能夠提供更大的帶寬、更低的時(shí)延。
GSM-R作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)，屬于窄帶通信系統(tǒng)，頻譜利用率較低，主要承載話音業(yè)務(wù)和少量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)速率較低，一般僅為2400~9600bps，即使采用GPRS技術(shù)，數(shù)據(jù)速率也僅能達(dá)到一百多kbps。這使得在現(xiàn)有GSM-R平臺(tái)上開(kāi)拓各種新業(yè)務(wù)，特別是對(duì)帶寬需求較高的業(yè)務(wù)，難度非常大。
另一方面，隨著公眾移動(dòng)通信網(wǎng)從2G向3G、4G方向發(fā)展，GSM市場(chǎng)正在逐步萎縮。GSM-R設(shè)備生產(chǎn)商已經(jīng)紛紛表示將在2025年左右停止相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，GSM-R向鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)已成大勢(shì)所趨。國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）也已經(jīng)著手進(jìn)行鐵路下一代通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。
正是在這樣的形勢(shì)和背景下，原鐵道部組織開(kāi)展了“鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)總體技術(shù)研究”科研項(xiàng)目，開(kāi)啟對(duì)鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作。
2 鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)制式選擇
目前公眾移動(dòng)通信和一些發(fā)達(dá)國(guó)家鐵路主要采用的移動(dòng)通信制式包括：第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）、Wi-Fi技術(shù)、WiMAX技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和LTE技術(shù)。
3G系統(tǒng)是相對(duì)于第一代（1G）與第二代（2G）移動(dòng)通信系統(tǒng)而言的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸速率上有了很大的提升，最高可以支持2Mbit/s的速率，而3.5G 技術(shù)—高速分組接入技術(shù)最高達(dá)到5.76Mbit/s速率。
Wi-Fi是一種無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，主要為個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等提供無(wú)線寬帶連接。Wi-Fi傳輸速率最高可達(dá)54Mbit/s、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低；然而由于使用免授權(quán)頻段，Wi-Fi容易受到其他系統(tǒng)的干擾，通信質(zhì)量難以保證、對(duì)移動(dòng)性支持較差 、安全性較差。
WiMAX是一種寬帶無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。WiMAX具有高QoS保障、傳輸速率高（最高可達(dá)70Mbit/s）、傳輸距離遠(yuǎn)（最高可達(dá)50km）等優(yōu)點(diǎn)。然而WiMAX對(duì)移動(dòng)性支持較差，主要針對(duì)游牧或低速移動(dòng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)接入，解決熱點(diǎn)覆蓋。
衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼，將地面上無(wú)線通信站發(fā)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、移頻后轉(zhuǎn)發(fā)給地面無(wú)線通信站，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。衛(wèi)星通信具有通信范圍大、傳輸頻帶寬，通信容量大、通信穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。然而衛(wèi)星通信也存在傳輸時(shí)延大、終端體積較大，通信成本高等缺點(diǎn)。
LTE技術(shù)是3GPP組織為應(yīng)對(duì)新業(yè)務(wù)的需求，以及WiMAX等無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn)而提出的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)。與3G相比，LTE更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為頻譜利用率高、數(shù)據(jù)速率高、載波帶寬靈活可變、覆蓋范圍廣和業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性好。目前，LTE系統(tǒng)已在全球范圍內(nèi)展開(kāi)商用和試驗(yàn)。據(jù)全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2012年6月4日，已經(jīng)推出LTE商用服務(wù)的運(yùn)營(yíng)商有80家。國(guó)內(nèi)也已開(kāi)展TD-LTE系統(tǒng)的試驗(yàn)和驗(yàn)證工作，大致分為概念驗(yàn)證、外場(chǎng)技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)、外場(chǎng)規(guī)模試驗(yàn)等幾個(gè)階段。
相比于其他4種備選技術(shù)，LTE作為當(dāng)前移動(dòng)通信發(fā)展方向，采用了大量最新的研究成果，在對(duì)高速率、低時(shí)延、高速移動(dòng)、安全性等方面的支持都較為符合鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求。就產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，LTE作為公眾移動(dòng)通信的發(fā)展方向已成為共識(shí)，得到了國(guó)家以及各大運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商的支持，具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈。采用LTE技術(shù)作為鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，風(fēng)險(xiǎn)較小。而且UIC已經(jīng)確定鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)路線將跨越3G技術(shù)，直接由GSM-R技術(shù)向LTE發(fā)展。
綜合技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，選擇LTE技術(shù)作為我國(guó)鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展方向是合理的選擇。為簡(jiǎn)化表示，鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)以LTE-R代替。
3 LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)研究
通過(guò)對(duì)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的研究及國(guó)內(nèi)外測(cè)試工作的總結(jié)，本文將LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)劃分為3類，即系統(tǒng)指標(biāo)、業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)。分別從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度、業(yè)務(wù)角度、網(wǎng)絡(luò)角度提出技術(shù)指標(biāo)。LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系如圖1所示。
3.1 系統(tǒng)指標(biāo)
3.1.1 系統(tǒng)帶寬
LTE系統(tǒng)支持1.4、3、5、10、15MHz和20MHz帶寬，同時(shí)支持在成對(duì)和非成對(duì)頻段上部署。根據(jù)對(duì)未來(lái)鐵路業(yè)務(wù)的初步估計(jì)，高速鐵路近期（2025年以前）主要滿足鐵路運(yùn)營(yíng)需要，帶寬需求至少為15MHz（TDD）、上下行各6MHz（FDD）。
3.1.2 頻段
關(guān)于LTE-R頻段方面，結(jié)合3GPP對(duì)E-UTRA頻段的建議和我國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)整體的頻率規(guī)劃，研究E-UTRA頻段中我國(guó)的規(guī)劃及目前開(kāi)展的業(yè)務(wù)，為L(zhǎng)TE-R系統(tǒng)選擇合適的頻段。
結(jié)合表1的分析，未來(lái)我國(guó)LTE-R系統(tǒng)若采用TDD制式，可能會(huì)遵從產(chǎn)業(yè)化的需要，室外選擇2.6GHz頻段或1.9GHz頻段，室內(nèi)選擇2.3GHz頻段，也有可能申請(qǐng)更低的頻段，但受制于政策及廠家的支持度。LTE-R系統(tǒng)若采用FDD制式，3GPP建議的700MHz頻段目前為廣電使用，800MHz頻段主要為CDMA、GSM使用，但尚存在一些空閑頻段，故可能選擇的頻段是800MHz 或1.4GHz附近頻段或1.7GHz附近頻段。若從國(guó)家對(duì)專網(wǎng)的一些頻段劃分傾向來(lái)看，LTE-R系統(tǒng)可能選擇1.4GHz（1447~1467MHz）或1.8GHz（1785~1805MHz）頻段。
總之，建議LTE-R系統(tǒng)在我國(guó)可用頻段上盡量爭(zhēng)取低頻段資源，如800MHz頻段或1.4GHz頻段。
3.1.3 峰值傳輸速率和峰值頻譜效率
LTE系統(tǒng)對(duì)峰值傳輸速率和峰值頻譜效率的性能要求如下：
下行峰值傳輸速率應(yīng)>100Mbit/s（FDD，在20MHz帶寬，2*2空分復(fù)用條件下）。
下行峰值頻譜效率>5bit/s/Hz（FDD，在20MHz帶寬，2*2空分復(fù)用條件下）。
上行峰值傳輸速率應(yīng)>50Mbit/s（FDD，在20MHz帶寬，單天線傳輸條件下）。
上行峰值頻譜效率>2.5bit/s/Hz（FDD，在20MHz帶寬，單天線傳輸條件下）。
上述是針對(duì)上行、下行各采用20MHz帶寬情況下性能指標(biāo)的要求，在TDD模式下，上、下行共享20MHz帶寬，不必同時(shí)達(dá)到上述上、下行的要求。
LTE-R系統(tǒng)對(duì)此指標(biāo)的要求與LTE系統(tǒng)相同。
3.1.4 移動(dòng)性
LTE-R系統(tǒng)要求在低速場(chǎng)景（0~15km/h）系統(tǒng)性能非常好，在較高速場(chǎng)景（15~120 km/h）能實(shí)現(xiàn)較好性能，能支持在350km/h，甚至500 km/h時(shí)速下的通信。
3.2 業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)
LTE系統(tǒng)中業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)包括服務(wù)質(zhì)量等級(jí)指示（QCI）、分配與保持優(yōu)先級(jí)（ARP）、保證比特速率（GBR）、最大比特速率（MBR）和聚合最大比特速率（AMBR）。其中，QCI是最重要的參數(shù)，LTE標(biāo)準(zhǔn)中將QCI劃分為9個(gè)等級(jí)，每種等級(jí)定義如表2所示。根據(jù)鐵路業(yè)務(wù)特點(diǎn)，確定每種鐵路業(yè)務(wù)的QCI，如表2所示。
3.3 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)
3.3.1 覆蓋
實(shí)際組網(wǎng)時(shí)，覆蓋范圍主要取決于邊緣用戶速率的大小需求，如500 kbit/s、1Mbit/s、2Mbit/s 等，不同的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率的解調(diào)門限不同，導(dǎo)致覆蓋半徑也不同，因此確定合理的目標(biāo)速率后，才能得到準(zhǔn)確的覆蓋。LTE系統(tǒng)中覆蓋指標(biāo)主要包含RSRP和RS-SINR。
（1）RSRP
RSRP表示接收信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值，一定程度上可反映移動(dòng)臺(tái)距離基站的遠(yuǎn)近，因此這個(gè)值可以用來(lái)度量小區(qū)覆蓋范圍大小。RSRP是承載小區(qū)參考信號(hào)RE上的線性平均功率。
（2）RS-SINR
RS-SINR指UE在RS信道上測(cè)量的信噪比，是指示信道質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。RS-SINR在終端定義為RS有用信號(hào)與干擾（或噪聲或干擾加噪聲）相比強(qiáng)度，由UE測(cè)量得到。
參考國(guó)內(nèi)TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)的測(cè)試情況，建議LTE-R系統(tǒng)覆蓋指標(biāo)要求如下：
RSRP： RSRP>-110dBm的面積占90%以上。
空載條件下RS-SINR：大于5dB的面積占90%以上。
滿載條件下RS-SINR：大于-3dB的面積占90%以上。
3.3.2容量
（1）小區(qū)平均吞吐量
小區(qū)平均吞吐量是以小區(qū)為單位統(tǒng)計(jì)的吞吐量。結(jié)合未來(lái)鐵路業(yè)務(wù)需求及LTE系統(tǒng)測(cè)試情況，LTE-R系統(tǒng)容量要求如下：
在0~120km/h場(chǎng)景、20MHz帶寬條件下，小區(qū)上下行平均吞吐量要達(dá)到60Mbit/s。
在120~350km/h場(chǎng)景、20MHz帶寬條件下，小區(qū)上下行平均吞吐量要達(dá)到40Mbit/s。
（2）邊緣用戶吞吐量
結(jié)合未來(lái)鐵路業(yè)務(wù)需求及LTE系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，LTE-R系統(tǒng)上下行邊緣用戶吞吐量的目標(biāo)是1Mbit/s。
（3）VoIP用戶數(shù)
VoIP用戶數(shù)表示系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的支持能力。結(jié)合國(guó)內(nèi)測(cè)試情況，LTE-R系統(tǒng)在20MHz帶寬，每扇區(qū)VoIP的最大用戶數(shù)應(yīng)達(dá)到400個(gè)。
（4）同時(shí)在線并發(fā)（激活）用戶數(shù)
同時(shí)在線并發(fā)（激活）用戶數(shù)取決于LTE協(xié)議字段的設(shè)計(jì)和設(shè)備能力。結(jié)合國(guó)內(nèi)測(cè)試情況，LTE-R系統(tǒng)在20MHz帶寬內(nèi)，單小區(qū)應(yīng)能提供超過(guò)1200個(gè)“最大同時(shí)在線用戶數(shù)”的能力。
（5）同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)
同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)指的是一個(gè)TTI內(nèi)可以同時(shí)得到調(diào)度，傳輸數(shù)據(jù)的用戶數(shù)。該指標(biāo)受限于上下行控制信道的配置。采用動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)，一個(gè)TTI能同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)約70個(gè)。
3.3.3 其他指標(biāo)
（1）附著成功率
終端附著到網(wǎng)絡(luò)需經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟：開(kāi)機(jī)后小區(qū)搜索、隨機(jī)接入、RRC連接建立以及附著與EPS默認(rèn)承載建立，這些步驟后能傳送用戶數(shù)據(jù)，則附著才算成功。結(jié)合國(guó)內(nèi)測(cè)試情況，LTE-R系統(tǒng)的附著成功率要求≥99%。
（2）RRC連接建立成功率
RRC連接建立成功率指終端發(fā)起RRC連接建立請(qǐng)求并成功建立連接的次數(shù)與終端發(fā)起RRC連接建立請(qǐng)求總次數(shù)之比，RRC連接成功后，UE從IDLE狀態(tài)轉(zhuǎn)為CONNECTED狀態(tài)。結(jié)合國(guó)內(nèi)測(cè)試情況，LTE-R系統(tǒng)的RRC連接建立成功率要求≥99%。
（3）尋呼成功率
尋呼成功率等于尋呼成功次數(shù)與EPC 發(fā)起尋呼請(qǐng)求總次數(shù)比值。結(jié)合國(guó)內(nèi)測(cè)試情況，LTE-R系統(tǒng)的尋呼成功率要求≥99%。
（4）RRC連接異常掉線率
對(duì)處于RRC連接狀態(tài)的用戶，存在由于eNB異常釋放UE RRC連接的情況，這種概率表示基站RRC連接保持性能，一定程度上反映用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的感受。結(jié)合國(guó)內(nèi)測(cè)試情況，LTE-R系統(tǒng)的RRC連接異常掉線率要求≤5%。
（5）切換成功率
切換成功率包括eNodeB內(nèi)切換成功率、X2口切換成功率、S1口切換成功率。
切換成功率等于切換成功次數(shù)與切換嘗試次數(shù)的比值。高速鐵路移動(dòng)通信對(duì)切換成功率要求較高，LTE-R系統(tǒng)各種切換成功率均應(yīng)≥99.5%。
（6）控制面時(shí)延
LTE系統(tǒng)主要有兩種狀態(tài)，即“RRC_IDLE”（空閑狀態(tài)）和“RRC_CONNECT”（激活狀態(tài)），從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于100ms。LTE-R系統(tǒng)要求與LTE系統(tǒng)相同。
（7）用戶面時(shí)延
用戶平面時(shí)延指UE（或RAN邊緣節(jié)點(diǎn)）發(fā)送IP層數(shù)據(jù)到RAN邊緣節(jié)點(diǎn)（或UE）的單向傳輸時(shí)延。在無(wú)負(fù)載的小IP包（僅有IP包頭，無(wú)負(fù)載）情況下，時(shí)延應(yīng)小于5ms。LTE-R系統(tǒng)要求與LTE系統(tǒng)相同。
在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的背景下，本文對(duì)比分析得出鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)適宜采用的制式，即LTE，在此制式下，結(jié)合公網(wǎng)LTE系統(tǒng)應(yīng)用情況及鐵路特殊業(yè)務(wù)和環(huán)境需求，明確了LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系，包括3大類，即系統(tǒng)指標(biāo)、業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系的建立為我國(guó)LTE-R系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)等工作提供了一定的參考作用，其中的帶寬需求和頻段建議為盡早開(kāi)展鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率申請(qǐng)工作提供了依據(jù)。
但應(yīng)注意到，文中提出的指標(biāo)建議僅基于目前的研究成果，今后還要結(jié)合LTE關(guān)鍵技術(shù)在鐵路的適用性、下一代鐵路的業(yè)務(wù)需求對(duì)技術(shù)指標(biāo)展開(kāi)深入研究；另一方面，要通過(guò)搭建LTE-R試驗(yàn)網(wǎng)，獲得真實(shí)鐵路環(huán)境下LTE-R系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。
(中國(guó)集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮) |
