主頁（http://www.130131.com）：簡談LTE-R網(wǎng)絡(luò)在鐵路無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

GSM-R系統(tǒng)在鐵路無線通信系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使得GSM-R系統(tǒng)成為鐵路無線通信專業(yè)中現(xiàn)階段主流的通信系統(tǒng)，承擔(dān)起各類無線語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的傳輸工作，并在普速、重載、高速鐵路中發(fā)揮著越來越重要的作用。但隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各類鐵路業(yè)務(wù)對于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、傳輸速率等要求也在不斷提升，加之設(shè)備廠家對于GSM-R系統(tǒng)未來所能提供的備件設(shè)備、技術(shù)支持方面的限制，GSM-R系統(tǒng)已經(jīng)顯示出諸多的局限性。鐵路的通信發(fā)展也迫切需要對新型的通信系統(tǒng)進(jìn)行探索和研究。國際鐵路聯(lián)盟（UIC）認(rèn)為，GSM-R通信系統(tǒng)向LTE（Long Term Evolution）通信系統(tǒng)的演進(jìn)是鐵路通信發(fā)展的必然趨勢。因為LTE系統(tǒng)能夠提供高效、快捷、可靠、低時延的網(wǎng)絡(luò)，同時可以提供安全的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以國際鐵路聯(lián)盟已基本確認(rèn)將LTE作為下一代鐵路無線通信技術(shù)。隨著LTE系統(tǒng)在國內(nèi)幾大運營商的建設(shè)與普及，鐵路通信專業(yè)也加速了對采納這一標(biāo)準(zhǔn)作為后期鐵路通信演進(jìn)方向的研究，以便盡早適應(yīng)新技術(shù)，更靈活地為鐵路未來的運營發(fā)展做好準(zhǔn)備。結(jié)合中國鐵路實際，LTE-R系統(tǒng)已經(jīng)開始走進(jìn)中國鐵路通信從業(yè)者的視線。

1 LTE系統(tǒng)概述

長期演進(jìn)LTE系統(tǒng)是由3GPP提出并且定義的一種新型通信標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)采用新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相較2G的GSM系統(tǒng)以及3G的UMTS系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)具有高速率、高頻譜效率、靈活的載波帶寬以及優(yōu)良的系統(tǒng)兼容性等特點，更好的滿足寬帶無線接入需求。在通信結(jié)構(gòu)制式上，LTE系統(tǒng)主要分為兩種，分別是LTE-FDD和LTE-TDD制式。這兩種制式在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計主架構(gòu)上基本統(tǒng)一，兩者之間的差異性主要體現(xiàn)在終端用戶上下行接入采取頻率還是時間進(jìn)行區(qū)分，這兩種制式也是未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2 LTE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

LTE系統(tǒng)所運用的通信技術(shù)相比3GPP之前制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其在分級接收、干擾抑制等方面有了較大改進(jìn)。下面就LTE系統(tǒng)主要技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

2.1 OFDMA技術(shù)

正交頻分多址接入技術(shù)（OFDMA）是一種調(diào)制復(fù)用技術(shù)，它把通信系統(tǒng)帶寬分成多個相互正交的子載波，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在多個子載波上并行傳輸。OFDMA技術(shù)具有高頻譜效率、靈活的帶寬擴(kuò)展等特性，成為通信技術(shù)由3G向4G演進(jìn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，OFDMA技術(shù)其實是時分多址和頻分多址的結(jié)合，基本思想就是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使單個子載波上的符號速率**降低，符號持續(xù)時間**加長，對因多徑效應(yīng)產(chǎn)生的時延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減少符號間干擾的影響，它同時可以結(jié)合分集技術(shù)、信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高系統(tǒng)性能。

2.2 MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)。這一技術(shù)主要采用分立式多天線，將通信鏈路分解成許多并行的子信道，**提高整體容量。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)南滦墟溌分校�多天線的發(fā)送方式主要包括發(fā)送分集、波束賦形、空時預(yù)編碼以及多用戶MIMO等；而在數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲墟溌分�，多用戶組成的虛擬MIMO技術(shù)也可以提高系統(tǒng)的上行容量。

1）下行MIMO

LTE系統(tǒng)下行支持MIMO技術(shù)將空間維度進(jìn)行復(fù)用。空間復(fù)用支持單用戶模式或者多用戶模式。單用戶模式中，將空間復(fù)用后的數(shù)據(jù)流分配給一個單獨的用戶，可以提升該終端用戶的傳輸速率和頻譜效率。而在多用戶模式中，將空間復(fù)用后的數(shù)據(jù)流分配給多個用戶，使得多個用戶可以共享同一時頻資源。 

2）上行MIMO

在LTE系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)的上行應(yīng)用基本天線配置為1×2，即一根發(fā)送天線和兩根接收天線。與下行多用戶MIMO不同，上行多用戶MIMO是形成一個虛擬的MIMO系統(tǒng)，即每個終端用戶均發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，兩個及以上數(shù)量的數(shù)據(jù)流占用相同的時頻資源，這樣從接收機(jī)這一端來看，來自不同終端的數(shù)據(jù)流就可以看成是來自同一終端在不同天線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，從而構(gòu)成一個MIMO系統(tǒng)。虛擬MIMO技術(shù)主要是利用來自不同終端的多個天線，提高空間的自由度，充分利用潛在的信道容量。由于上行虛擬MIMO是多用戶終端MIMO傳輸?shù)姆绞�，每個終端的導(dǎo)頻信號均需要采用不同的正交導(dǎo)頻序列，這樣利于估計上行信道信息。而對單個終端而言，其實并不知道其他終端的工作方式，是否采用MIMO技術(shù)。本終端只要根據(jù)下行控制信令的指示，在所分配的時頻資源里發(fā)送導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信號。但在基站側(cè)，基站能夠明確所有終端的資源分配和導(dǎo)頻信號序列，通過不同的序列可以檢測出多個終端發(fā)送的信號。

2.3 小區(qū)干擾控制技術(shù)

現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)中所能提供的數(shù)據(jù)傳輸率的差異性主要體現(xiàn)在小區(qū)中心和小區(qū)邊緣處，不僅影響整個系統(tǒng)的容量，而且使用戶在不同位置的服務(wù)質(zhì)量差異性很大。小區(qū)間干擾（Inter-Cell Interference，ICI）是移動通信系統(tǒng)中一個常見問題。LTE系統(tǒng)采用OFDMA正交頻分多址接入技術(shù)，依靠這種技術(shù)可以用頻率之間的正交性作為用戶的區(qū)分方式，比現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)技術(shù)更好的解決小區(qū)內(nèi)干擾問題。但隨之而來的問題是OFDM系統(tǒng)帶來的ICI可能比現(xiàn)有系統(tǒng)的干擾情況更為嚴(yán)重。對于身處小區(qū)邊緣的用戶，相鄰小區(qū)占用同樣頻率資源的用戶就對其產(chǎn)生較大干擾。加之該用戶本身距離服務(wù)基站較遠(yuǎn)，其信噪比相對較小，導(dǎo)致雖然小區(qū)整體吞吐量較高，但是小區(qū)邊緣的用戶服務(wù)質(zhì)量較差，吞吐量較低。因此，在LTE中，小區(qū)間干擾抑制技術(shù)非常重要。

3GPP提出多種解決小區(qū)間干擾的方案，主要是干擾隨機(jī)化、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。其中，干擾隨機(jī)化技術(shù)利用干擾的統(tǒng)計特性對干擾進(jìn)行抑制，但誤差較大；干擾消除技術(shù)雖然可以改善小區(qū)邊緣的系統(tǒng)性能，使用戶獲得較高的頻譜效率，系統(tǒng)實現(xiàn)卻比較復(fù)雜；干擾協(xié)調(diào)技術(shù)實現(xiàn)最為簡單，可以應(yīng)用于各種帶寬的業(yè)務(wù)，能很好的抑制小區(qū)間干擾。

移動通信在網(wǎng)絡(luò)運用方面，克服網(wǎng)絡(luò)干擾一直是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的重點。對于LTE系統(tǒng)來講，系統(tǒng)中各小區(qū)采用相同頻率進(jìn)行發(fā)送和接收是造成LTE系統(tǒng)小區(qū)干擾的主要原因。與GSM系統(tǒng)不同的是，合并不同小區(qū)的信號來降低鄰小區(qū)信號的影響是LTE系統(tǒng)無法做到的，因此就產(chǎn)生了小區(qū)間干擾，尤其是小區(qū)邊緣的干擾尤為嚴(yán)重。

基于LTE系統(tǒng)小區(qū)產(chǎn)生的干擾控制目前有以下幾種：

1）干擾隨機(jī)化：這是一種被動的干擾控制方法，目的為了平均化系統(tǒng)在時頻域受到的干擾，這種方法可通過頻率的加擾、交織、跳頻等方法實現(xiàn)。

2）干擾抑制：這種方法是通過多個終端的多個天線對空間有色干擾的特性進(jìn)行估計和抑制，干擾抑制可以分為空間維度和頻率維度進(jìn)行抑制兩種。

3）干擾協(xié)調(diào)：這是一種比較常見的、主動的小區(qū)干擾抑制方法，對小區(qū)邊緣可用的時頻資源做一定的限制來實現(xiàn)。

3 LTE-R系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)對比

3.1　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面

GSM-R系統(tǒng)分為3個主要部分，分別是核心網(wǎng)子系統(tǒng)（包括智能網(wǎng)）、無線子系統(tǒng)（包括基站控制器、基站）、終端子系統(tǒng)。其分別承載語音、實時性安全數(shù)據(jù)，如列控信息、重載列車的機(jī)車同步操控等信息，這些信息均在電路域中實現(xiàn)；而分組域則承載調(diào)度命令、進(jìn)路信息和車次號等信息。

LTE-R系統(tǒng)分為3個主要部分，分別是交換中心、基站、終端，相比GSM-R系統(tǒng)而言，省去了基站控制器，LTE-R系統(tǒng)分別承載語音、實時安全數(shù)據(jù)、非實時數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。因為LTE系統(tǒng)完全是基于分組域進(jìn)行架構(gòu)的，為實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)、語音等實時數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，主要依靠各種網(wǎng)絡(luò)QoS策略保障。

3.2　網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面

在GSM-R系統(tǒng)中，無論是電路域還是分組域，究其GSM-R系統(tǒng)本身就是窄帶系統(tǒng)的原因，其網(wǎng)絡(luò)的吞吐量都很小，單小區(qū)吞吐量只能到上行28.8 kbit/s，下行50.3 kbit/s。而LTE-R系統(tǒng)是基于LTE的架構(gòu)，LTE理論吞吐在單小區(qū)上行50 Mbit/s，下行100 Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)吞吐量較GSM-R系統(tǒng)來講得到大幅度提升。

3.3　頻點規(guī)劃方面

GSM-R在國內(nèi)只有4 M的頻寬，在鐵路樞紐地帶隨著鐵路建設(shè)的不斷加快，樞紐地帶所承擔(dān)的業(yè)務(wù)量以及線路數(shù)量大幅增加，頻點的規(guī)劃已經(jīng)成為日益突顯的問題，也成為較難解決的問題。LTE-R的所有基站由于使用OFDMA、MIMO技術(shù)，可采用同頻組網(wǎng)，所有頻率的管理都可以由設(shè)備本身管理，采用LTE-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以有效緩解樞紐地區(qū)的頻率規(guī)劃問題。

3.4　容量管理

LTE系統(tǒng)中其覆蓋的最低電平值與系統(tǒng)容量成正比，工程建設(shè)完畢覆蓋電平值越高，系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬也越大。因此，LTE-R在鐵路基站設(shè)置方面，只需要理清鐵路線所承載的業(yè)務(wù)，計算出各類業(yè)務(wù)所需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬，然后根據(jù)該系統(tǒng)帶寬容量得出工程所需的覆蓋電平值，再通過無線傳播計算模型計算對應(yīng)的高度和天線的覆蓋范圍，就可以確定基站位置和間距，使得基站的設(shè)置更為合理。

4 LTE-R系統(tǒng)演進(jìn)探討

GSM-R系統(tǒng)如何向LTE-R系統(tǒng)平滑演進(jìn)，應(yīng)采取慎之又慎的態(tài)度，充分考慮網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備的適應(yīng)性，分階段實施�，F(xiàn)階段GSM-R系統(tǒng)如何向LTE-R系統(tǒng)平滑過渡仍存在幾方面的問題。

4.1　行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面

鐵路總公司對GSM-R網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計到施工再到驗收，以及后期的運營維護(hù)均有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但是LTE-R網(wǎng)絡(luò)暫時還沒有任何明確行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，會造成后期設(shè)計、施工、驗收以及運營維護(hù)無標(biāo)準(zhǔn)可依。

國家工業(yè)和信息化部對鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率使用范圍有明確的規(guī)定，但是對鐵路4G的頻率使用現(xiàn)無批復(fù)，如果使用需要向工信部無線電管理委員會申請專用頻段。

4.2　網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)方面

由于4G（LTE-R）與GSM-R系統(tǒng)通信制式不同，具有鐵路特色的組呼及重載列車同步操控、C3列控、調(diào)度命令、STP、機(jī)車信號遠(yuǎn)程監(jiān)測等信息的無線傳遞業(yè)務(wù)如何在LTE-R網(wǎng)絡(luò)中承載，以及該系統(tǒng)能否與列尾主機(jī)、LOCOTROL系統(tǒng)、STP系統(tǒng)、機(jī)車信號遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)等其他相關(guān)專業(yè)的設(shè)備互聯(lián)互通還需進(jìn)行研究、試驗。

鐵路現(xiàn)有GSM-R網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)制式完全不一樣，目前在鐵路通信中GSM-R網(wǎng)絡(luò)與LTE-R網(wǎng)絡(luò)之間的對接還處于空白，沒有相關(guān)規(guī)范，可能造成GSM-R網(wǎng)絡(luò)與LTE-R網(wǎng)絡(luò)間無法平滑切換。

4.3　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面

LTE-R屬于高頻段制式，而GSM-R網(wǎng)絡(luò)屬于低頻段制式，根據(jù)無線通訊標(biāo)準(zhǔn)特點，高頻段比低頻點的覆蓋范圍要縮小約50%，所以沿線建立4G基站在部署密度上需要比現(xiàn)有的G網(wǎng)基站數(shù)量上多出1倍，而且核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也需同步新建。

現(xiàn)有GSM-R網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)使用的頻段完全不一樣，而且網(wǎng)絡(luò)制式不同，因此網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（CIR、OCU、移動手持臺等）無法通用，改造后的設(shè)備只能在本線運用，無法實現(xiàn)全路互通。

4.4　機(jī)車控制設(shè)備方面

由于LTE-R網(wǎng)絡(luò)制式的不同，機(jī)務(wù)LOCOTROL機(jī)車控制系統(tǒng)的消息傳遞方式需由電路域數(shù)據(jù)修改為分組域數(shù)據(jù)，所以在大秦線使用LTE-R網(wǎng)絡(luò)傳遞機(jī)車同步操控信息還需要對LOCOTROL機(jī)車控制系統(tǒng)的通信模塊進(jìn)行改造。

因此，對于LTE-R系統(tǒng)在鐵路應(yīng)用場景中的推進(jìn)，仍需要大量的試驗，獲取更多的信息，不能盲目的急于求成，確保LTE-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑過渡。

5 LTE-R系統(tǒng)的發(fā)展前景

中國鐵路運輸已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時代，隨著高速鐵路的不斷普及，鐵路運輸已經(jīng)給人們帶來翻天覆地的變化。隨著鐵路運輸系統(tǒng)朝著高速化、密集化的發(fā)展趨勢，鐵路通信系統(tǒng)對現(xiàn)階段的GSM-R通信技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，同時GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)隨著技術(shù)的發(fā)展也漸漸顯現(xiàn)出了更多問題。要滿足現(xiàn)代鐵路通信的新時期發(fā)展需求，必須在原有GSM-R技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行制式升級。采用LTE-R技術(shù)，符合國際化的鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)以及發(fā)展方向，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的技術(shù)過渡，使鐵路通信系統(tǒng)由GSM技術(shù)向LTE技術(shù)平滑演進(jìn)，為鐵路通信提供更高的效率，同時提供安全的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

LTE-R系統(tǒng)作為LTE系統(tǒng)在鐵路無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、帶寬需求以及業(yè)務(wù)拓展能力上都符合中國鐵路的發(fā)展需要。目前，朔黃鐵路已經(jīng)進(jìn)行LTE-R系統(tǒng)的升級改造，對于中國鐵路通信的發(fā)展來講，這次技術(shù)的革新意義重大，為我們提供大量可供借鑒的經(jīng)驗。GSM-R向LTE-R的演化是一個必然的過程，但在現(xiàn)階段如果要實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的過渡，就必須經(jīng)歷兩系統(tǒng)并存的階段，LTE-R系統(tǒng)可以在先期承載非列控類業(yè)務(wù)，逐步實現(xiàn)對鐵路各類業(yè)務(wù)的承載，直至完成GSM-R向LTE-R系統(tǒng)的過渡。這個過程是一個長期的過程，需要大量的試驗數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

隨著LTE-R網(wǎng)絡(luò)在鐵路通信領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，對無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性提出更高要求，如何提高無線傳輸系統(tǒng)的可靠性，如何解決由于LTE-R網(wǎng)絡(luò)小區(qū)邊緣網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量逐步下降，可能會影響數(shù)據(jù)傳輸速率的情況，也將是今后鐵路通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中需重點關(guān)注的焦點。

參考文獻(xiàn)

[1]任明．LTE技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市建筑，2014（12）：330-331.

[2]周洪斌，王洲捷．LTE離鐵路通信系統(tǒng)有多遠(yuǎn)？[J].華為技術(shù)，2O09（45）：9-10．

[3]夏云琦.鐵路無線通信技術(shù)向LTE-R的演進(jìn)[J].中國鐵路，2012（8）：75-75.