浅析铁路新一代无线通信技术LTER的应用及发展.docx

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浅析铁路新一代无线通信技术LTER的应用及发展

浅析铁路新一代无线通信技术LTE-R的应用及发展

玥琛

摘要：

不断发展的无线通信技术在铁路领域的应用，将不断优化铁路运能，对促进中国经济全面可持续发展具有深远意义。

现有的GSM-R技术在抗干扰性、传输速率、容量和频谱限制、发展前景等方面均具有的局限性，本文对下一代国际先进且符合铁路运营规律的专用通信LTE-R技术进行了研究，并对其性能、核心技术进行了详细分析。

综述了LTE-R技术目前的研究实践以及未来中国铁路经济的发展方向。

关键词：

无线通信GSM-RLTE-R局限MIMOOFDM演进

1引言

作为目前我国铁路移动通信的主要应用技术，GSM-R技术以3GPP标准制式为基础，凭借其良好的组呼、强插，位置寻址及功能寻址等特性，能够迅速准确的诊断、传输数据信息，进而承载了大量的数据业务和语音通信业务，在我国得到了良好的发展和完善。

但是，随着全球经济一体化趋势的渐进和中国经济的强势崛起，高速铁路的发展也越来越迅速。

为了满足乘客对高质量、高带宽通信业务的需求，国际铁路联盟提出了将现有窄带铁路列控系统（GSM-R）向未来基于LTE的宽带铁路通信系统（LTE-R）平滑演进的方案。

[1]

2GSM-R的局限性分析

虽然GSM-R技术在我国得到了快速的发展和应用，但是作为第二代移动通信技术，GSM-R系统的电路域数据业务仅为2400～9600bit/s，分组域数据业务的速率也仅能达到一百多kbit/s，它的频谱利用率和承载的数据速率也较低。

这使得现有基于GSM-R的平台对承载视频监控、视频会议、铁路旅客移动信息服务等宽带业务的难度非常大。

[2]

图1GSM—R网络结构

2.1存在干扰问题

由于GSM-R网络与公众电信网络共用900MHz（E-GSM）频段，因此GSM-R网络容易受到网外电磁干扰进而影响服务质量，尤其对列控业务存在非常明显的安全隐患。

2.2传输速率受限

虽然目前GSM-R网络中的CSD和GPRS业务能够提供列控和非安全数据业务的承载服务，但作为窄宽通信技术，其数据传输速率有限。

这使得地面调度人员和列车司机只能进行语音沟通，不能通过视频来对列车运行情况实时监控。

2.3容量和频谱限制

由于GSM-R系统仅仅分配了4M频谱资源，不能满足铁路运输快速增长的需求，尤其是对ETCS服务的需求。

与此同时，基于ETCS的业务虽然能保证数据传输的实时性和连接的安全性，但由于其长期独占相应的无线资源和时隙，因此在更大程度上影响了GSM-R无线接入终端用户的容量。

[3]

2.4发展前景有限

GSM-R系统由许多网元组成，大量的网元在造成能源和空间占用的同时，也使得其操作和维护难度加大。

而随着供应商宣布将在2025年停止对GSM-R系统进行升级与维护，GSM-R系统将面临更严峻的演进或换代问题。

当前对于能满足无线宽带业务发展需求的技术已取得阶段性共识，未来以单载波频分多址技术和正交频分复用技术为核心基础的无线通信技术必将向LTE技术演进。

3基于LTE-R的新技术

3.1LTE-R的演进必要性

一方面，由于传统的3G通信设备频谱利用率极低，对数据服务的承载能力有限，其数据格式并不适应承载突发式的IP数据业务。

另一方面，由于在语音业务上继承了2G技术，使得3G技术的语音业务和数据的承载无法保持一致。

所以，只有通过不断改善，3G技术才能更好地适应铁路无线通信的需求。

因此，铁路无线通信技术将由目前2G时代的GSM-R技术，跨越3G时代，直接发展为立足4G标准的LTE-R技术。

[4]

图2LTE-R网络结构

3.2LTE-R关键技术

LTE-R系统主要采用多输入多输出（MIMO）、正交频分复用（OFDM）等技术，在增强传输速率和抗干扰能力的同时，也使得其安全性得以提高。

3.2.1多输入多输出（MIMO）技术

MIMO技术是指在发射端使用多个发射天线发射信号，同时在接收端使用多个接收天线接收信号。

它能充分利用空间资源，在不增加带宽的情况下，使频谱利用率成倍提高，进而成倍的增加信道容量，改善通信质量。

MIMO技术还可以利用多个天线来抑制信道衰落，降低误码率，进而提高信道的可靠性。

MIMO系统原理图如图3。

发射端将空时映射后的信号发射出去，接收端将接收到的信号进行空时译码进而解读出原始数据。

MIMO系统中常用的空间分集技术主要是空间复用技术和空时分组码技术（SpaceTimeBlockCode，即STBC）[6]。

图3MIMO系统原理框图

STBC技术是以发送分集为基础的一种编码，最基础的应用是针对二天线设计的Alamouti方案，编码过程如图4。

利用STBC技术，能够使得多根天线上所要输出的信号矢量相互正交（如下图中x1和x2的积为0），接收端能够利用发送端信号矢量的正交性恢复出发射端发送的信号。

因此，利用STBC技术，能够达到满分集的效果，即在具有A根发射天线和B根接收天线的系统中采用STBC技术时达到最大分集增益为AB。

[7]

图4Alamouti编码过程示意图

空间复用技术是将要传送的数据分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。

常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码，即V-BLAST技术，如图5所示。

图5V-BLAST系统发送示意图

3.2.2正交频分复用技术（OFDM）技术

作为一种多载波调制技术，OFDM技术由MCM技术（Multi-CarrierModulation，多载波调制）发展而来。

OFDM技术的基本原理是利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调，来降低运算的复杂程度。

对于N点的IFFT运算，需要实施N^2次复数乘法，对于基于2的IFFT算法，复数乘法仅为（N/2）log2N。

[8]

OFDM的主要原理：

将信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换为并行的低速率子数据流，调制到每个子信道上进行传输；在接收端用相同数量的子载波对接收信号进行解调，再通过串／并变换将获得低速信息转换为高速信号，从而减少子信道之间的相互干扰（ISI）；另外，OFDM技术引入了保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰；OFDM中的各个载波相互正交，每个载波在一个符号时间有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，因而减小了载波间的干扰，同时提高了频带利用率。

图6OFDM系统频谱

4LTE-R的优势分析

4.1技术性能更加成熟

作为3GPP为适应高速铁路的运营和业务需求所提出的最新移动宽带接入标准，LTE系统采用All-IN-IP组网，使网络结构扁平化，在减少系统时延的同时，也提升了系统的整体性能，改善了用户体验。

在控制面，从空闲模式到激活模式的切换小于100ms，再从休眠模式切换回激活模式小于50ms。

在用户面，最小时延能够达到5ms。

[5]

与传统的GSM-R相比，LTE的标准特性，使得其在奠定铁路无线通信基础的同时，让众多信息化应用成为可能：

OFDM技术的使用，使得通信在保持高频谱效率的前提下，能够成功抑制多径干扰；MIMO应用，使传输速率成倍增长；通过系统设计和严格的QoS机制，使VoIP等实时业务的服务质量得到保证；而LTE-R系统能够支持多种无线接入技术，如2G、3G、WiMaX、Wi-Fi等，具有很强的联通能力。

4.2应用更加安全广泛

LTE-R的高速率、低延时性可以为游客提供更为方便的信息服务,如网络电视、网上聊天等；利用列车视频监控，实时传递列车车厢现场视频信息，促进列车车务人员和地面调度人员协同工作；通过分布于列车上的各类传感器，实现对列车上的各个部件进行实时监控，保证高速列车的安全运行。

5LTE-R的技术发展与展望

5.1立足未来，平稳过渡

作为准4G的移动通信技术，LTE技术已在公网推广使用，日趋成熟的LTE技术为LTE-R系统在铁路中的应用提供了稳定的基础。

而随着对新功能的适应能力越来越差，传统的GSM-R技术面临着日趋严峻的维护任务，淡出历史舞台已是大势所趋。

面对这种趋势，需要立足未来，平稳过渡，使得未来铁路通信系统能在保持稳定运行的情况下持续发展。

在演进过程中，要充分考虑过渡的稳定性和可持续性。

本人认为过渡应该分阶段进行：

第一阶段，现有的GSM-R系统和LTE-R系统同时运行，GSM-R系统负责与行车密切相关的安全业务；LTE-R系统提供非安全服务，如：

视频监控，游客无线业务等。

第二阶段，随着LTE-R技术在铁路的运用日趋成熟和应用经验的逐渐积累，将业务逐渐转向LTE-R系统，最终完全取代GSM-R。

5.2实践推动技术发展

随着我国各大设备厂商积极进行技术研究投入，LTE-R系统的研究取得了实质性进展。

在德国举行的柏林国际轨道交通技术展览会上，佳讯飞鸿电气公司积极响应国家高铁科技创新及“走出去”战略，与华为携手向业界展示了新一代LTE-R调度指挥系统。

随后在2014中国国际现代化铁路技术装备展览会上，华为展示了铁路GSM-R6.0解决方案，作为业界支持向LTE平滑演进的GSM-R解决方案，未来只需通过软件升级便能支持LTE系统。

与此同时，朔黄铁路公司开行搭载LTE-R通信系统的重载列车，该列车通过无线宽带通信系统（LTE-R）实现无线重联操纵、搭载CIR一体化通信电台和可控列尾实现无线通信操纵。

作为全球首列基于4G通信重载组合列车，该列车的运行标志着基于第四代移动通信技术的重载铁路无线宽带通信系统（LTE-R）正式运营。

同时按照该公司未来运行图规划，重载组合列车将进入常态化开行阶段，这有利于大幅度提升我国铁路的运输能力，进一步推动LTE-R系统产业的发展，同时提升我国铁路重载技术在全球的核心竞争力。

6结语

随着全球经济一体化趋势的渐进和中国经济的迅速发展，铁路通信信息化需求快速推进，GSM-R向LTE-R的演进已是大势所趋。

从GSM窄带通信到LTE宽带网络，信息传递将更加便捷、安全、稳定。

不断发展的无线通信技术在铁路领域的应用，将不断优化铁路运能，对促进中国经济全面可持续发展具有深远意义。

玥琛

2015年4月

参考文献

[1]JianLiPetreStoica.MIMORadarSignalProcessing:

Wiley,2008.

[2]卜爱琴.铁路下一代移动通信技术LTE-R应用的探讨[J].信息通信,2014,134:

174-175.

[3]鹏.LTE-R技术应用研究[J].自动化与仪器仪表,2014,3:

[4]悦.铁路无线通信从GSM-R向LTE-R的演进[M].:

中国铁路,2014.

[5]夏云琦.铁路无线通信技术向LTE-R的演进[M].:

中国铁路,2012.

[6] 周涛,成,留,振辉,溶辰.基于测量的高铁宽带无线信道莱斯K因子研究[J].铁道学报,2013,35（9）:

[7]志刚.LTEFDD技术原理与网络规划[M]:

人民邮电,2014.

[8]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M]:

人民邮电,2003.

[9]邓世勇.LTE-R与GSM-R对比介绍[J].中国新通信,2014,3:

[10]巢晋杰.基于铁路专用宽带移动通信系统（LTE-R）完整统一的铁路调度通信模式的特点分析[J].城市轨道交通研究,2014,7: