主頁（http://www.130131.com）：簡談LTE-R網(wǎng)絡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)，承擔起各類無線語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務的傳輸工作，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的不斷發(fā)展，各類鐵路業(yè)務對于通信網(wǎng)絡的可靠性、傳輸速率等要求也在不斷提升，加之設備廠家對于GSM-R系統(tǒng)未來所能提供的備件設備、技術支持方面的限制，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)進行探索和研究。國際鐵路聯(lián)盟（UIC）認為，GSM-R通信系統(tǒng)向LTE（Long Term Evolution）通信系統(tǒng)的演進是鐵路通信發(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，同時可以提供安全的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務，所以國際鐵路聯(lián)盟已基本確認將LTE作為下一代鐵路無線通信技術。隨著LTE系統(tǒng)在國內幾大運營商的建設與普及，鐵路通信專業(yè)也加速了對采納這一標準作為后期鐵路通信演進方向的研究，以便盡早適應新技術，更靈活地為鐵路未來的運營發(fā)展做好準備。結合中國鐵路實際，LTE-R系統(tǒng)已經(jīng)開始走進中國鐵路通信從業(yè)者的視線。

1 LTE系統(tǒng)概述

長期演進LTE系統(tǒng)是由3GPP提出并且定義的一種新型通信標準。該系統(tǒng)采用新的網(wǎng)絡結構，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。在通信結構制式上，LTE系統(tǒng)主要分為兩種，分別是LTE-FDD和LTE-TDD制式。這兩種制式在技術標準和設計主架構上基本統(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)關鍵技術

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

2.1 OFDMA技術

正交頻分多址接入技術（OFDMA）是一種調制復用技術，它把通信系統(tǒng)帶寬分成多個相互正交的子載波，業(yè)務數(shù)據(jù)在多個子載波上并行傳輸。OFDMA技術具有高頻譜效率、靈活的帶寬擴展等特性，成為通信技術由3G向4G演進過程中的關鍵技術之一，OFDMA技術其實是時分多址和頻分多址的結合，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，對因多徑效應產(chǎn)生的時延擴展有較強的抵抗力，減少符號間干擾的影響，它同時可以結合分集技術、信道間干擾抑制以及智能天線技術，最大限度的提高系統(tǒng)性能。

2.2 MIMO技術

MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術是指利用多發(fā)射、多接收天線進行空間分集的技術。這一技術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�，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技術將空間維度進行復用�？臻g復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技術的上行應用基本天線配置為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，從而構成一個MIMO系統(tǒng)。虛擬MIMO技術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�，每個終端的導頻信號均需要采用不同的正交導頻序列，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。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)送導頻和數(shù)據(jù)信號。但在基站側，基站能夠明確所有終端的資源分配和導頻信號序列，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

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質量差異性很大。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，依靠這種技術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)技術更好的解決小區(qū)內干擾問題。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基站較遠，其信噪比相對較小，導致雖然小區(qū)整體吞吐量較高，但是小區(qū)邊緣的用戶服務質量較差，吞吐量較低。因此，在LTE中，小區(qū)間干擾抑制技術非常重要。

3GPP提出多種解決小區(qū)間干擾的方案，主要是干擾隨機化、干擾消除和干擾協(xié)調技術。其中，干擾隨機化技術利用干擾的統(tǒng)計特性對干擾進行抑制，但誤差較大；干擾消除技術雖然可以改善小區(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)卻比較復雜；干擾協(xié)調技術實現(xiàn)最為簡單，可以應用于各種帶寬的業(yè)務，能很好的抑制小區(qū)間干擾。

移動通信在網(wǎng)絡運用方面，克服網(wǎng)絡干擾一直是網(wǎng)絡優(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行估計和抑制，干擾抑制可以分為空間維度和頻率維度進行抑制兩種。

3）干擾協(xié)調：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)絡架構方面

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)；而分組域則承載調度命令、進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。因為LTE系統(tǒng)完全是基于分組域進行架構的，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QoS策略保障。

3.2　網(wǎng)絡吞吐量方面

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，LTE理論吞吐在單小區(qū)上行50 Mbit/s，下行100 Mbit/s，網(wǎng)絡吞吐量較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在國內只有4 M的頻寬，在鐵路樞紐地帶隨著鐵路建設的不斷加快，樞紐地帶所承擔的業(yè)務量以及線路數(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，可采用同頻組網(wǎng)，所有頻率的管理都可以由設備本身管理，采用LTE-R網(wǎng)絡系統(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，工程建設完畢覆蓋電平值越高，系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡帶寬也越大。因此，LTE-R在鐵路基站設置方面，只需要理清鐵路線所承載的業(yè)務，計算出各類業(yè)務所需要的網(wǎng)絡帶寬，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，使得基站的設置更為合理。

4 LTE-R系統(tǒng)演進探討

GSM-R系統(tǒng)如何向LTE-R系統(tǒng)平滑演進，應采取慎之又慎的態(tài)度，充分考慮網(wǎng)絡及終端設備的適應性，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)標準方面

鐵路總公司對GSM-R網(wǎng)絡從設計到施工再到驗收，以及后期的運營維護均有明確的標準規(guī)范。但是LTE-R網(wǎng)絡暫時還沒有任何明確行業(yè)標準規(guī)范，會造成后期設計、施工、驗收以及運營維護無標準可依。

國家工業(yè)和信息化部對鐵路GSM-R網(wǎng)絡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，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)絡業(yè)務方面

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、調度命令、STP、機車信號遠程監(jiān)測等信息的無線傳遞業(yè)務如何在LTE-R網(wǎng)絡中承載，以及該系統(tǒng)能否與列尾主機、LOCOTROL系統(tǒng)、STP系統(tǒng)、機車信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)等其他相關專業(yè)的設備互聯(lián)互通還需進行研究、試驗。

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

4.3　網(wǎng)絡設備方面

LTE-R屬于高頻段制式，而GSM-R網(wǎng)絡屬于低頻段制式，根據(jù)無線通訊標準特點，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)絡設備也需同步新建。

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

4.4　機車控制設備方面

由于LTE-R網(wǎng)絡制式的不同，機務LOCOTROL機車控制系統(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)絡傳遞機車同步操控信息還需要對LOCOTROL機車控制系統(tǒng)的通信模塊進行改造。

因此，對于LTE-R系統(tǒng)在鐵路應用場景中的推進，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)絡系統(tǒng)能夠實現(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通信技術提出新的挑戰(zhàn)，同時GSM-R網(wǎng)絡系統(tǒng)隨著技術的發(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技術基礎上進行制式升級。采用LTE-R技術，符合國際化的鐵路通信標準以及發(fā)展方向，能夠實現(xiàn)很好的技術過渡，使鐵路通信系統(tǒng)由GSM技術向LTE技術平滑演進，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。

LTE-R系統(tǒng)作為LTE系統(tǒng)在鐵路無線通信系統(tǒng)中的應用，從網(wǎng)絡架構、帶寬需求以及業(yè)務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，逐步實現(xiàn)對鐵路各類業(yè)務的承載，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。

隨著LTE-R網(wǎng)絡在鐵路通信領域的推廣應用，對無線傳輸網(wǎng)絡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)絡小區(qū)邊緣網(wǎng)絡質量逐步下降，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)絡發(fā)展中需重點關注的焦點。

參考文獻

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