基于LTE制式的鐵路寬帶業務應用與關鍵技術研究

葛淑云 華 堯

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

我國當前高速鐵路的發展超過了國外的發展速度，目前我國的高速鐵路里程已經居世界首位，鐵路無線網用戶規模也非常龐大，因此需要我國引領高速鐵路無線通信業務的發展方向和標準規范，帶動世界寬帶鐵路業務的發展。從國家政策角度考慮，“十二五”國家重大專項《智能高速列車系統關鍵技術研究及樣車研制》、《企業客專列控系統綜合監測體系》、《車載記錄自動收發器》等鐵道部科研項目都對高速鐵路的寬帶移動通信系統提出新的要求，在政策上為寬帶鐵路無線通信網的建設起到了重要的支撐作用。

未來高速鐵路專有業務有著巨大的潛在需求，為滿足鐵路應用需求的增長，同時鐵路業務通信的安全性迫切需要建立鐵路專用的高速寬帶無線通信網，而不是使用公網承載鐵路業務[1]。當前使用的GSM-R鐵路專用通信系統的帶寬有限，僅能為單用戶提供4.8 kbit/s的數據率。受限于無線鏈路速率，車載設備與地面設備之間缺乏有效的數據溝通媒介，一些車地之間的數據業務難以開展。因此需要部署先進的鐵路無線通信網，提供車載與地面端的可靠寬帶通信通道。

長期演進LTE系統相比現有的GSM-R系統，具有寬帶、低時延、全IP架構等顯著優勢，非常適用作為下一代鐵路無線通信網的技術體制。UIC明確表示3G技術不適用于鐵路。因此，未來GSM-R跨過3G直接過渡到“準4G”的LTE-R（LTE for Railway）。GSM-R與LTE-R性能比較如表1所示。

表1 GSM-R與LTE-R性能的比較

從2008年開始，LTE加快了標準制定和產業化工作，并得到設備商和運營商的廣泛支持，2009年起，LTE走向高速發展時期，截止目前，全球已經有20多個運營商部署LTE網絡或分配LTE頻段，分布在歐、美、亞、大洋洲。LTE產業的不斷成熟也推進了鐵路無線通信網從GSM-R向LTE-R系統的過渡。隨著LTE產業的不斷成熟，基于寬帶、低時延的新型公網應用，如視頻電話、手機電視、移動廣播等業務也發展迅速，預示著在LTE-R系統中也可以引入豐富的鐵路無線通信網應用，市場前景廣闊。

LTE-R標準可借鑒LTE系統標準，保證了LTE-R系統的技術成熟度，縮短了LTE-R系統的研發周期。但是高速鐵路環境相比于傳統的公網通信環境有著顯著差異，為了適配高速鐵路的線狀覆蓋、用戶位置集中、終端移動速度快、車廂穿透損耗大等問題，需要在已有LTE系統的基礎上，在高速環境傳輸技術、網絡集成與部署技術、網絡結構、附屬適配設備等方面為鐵路無線通信網進行專項研究，從技術層面支撐未來LTE-R鐵路無線通信網系統的研制。

2 未來鐵路寬帶應用

GSM-R系統通過對GSM系統適當的修改，使得其更適應鐵路的應用特性。GSM-R系統在GSM的基礎上提供語音調度業務(ASCI)，包含增強的多優先級預占和強拆(eMLPP)、語音組呼(VGCS)和語音廣播(VBS)，并提供鐵路特有的調度業務，包括功能尋址、功能號表示、接入矩陣和基于位置的尋址。

隨著鐵路運輸系統的不斷演進，鐵路速度的不斷提高，未來發展400 km/h的高速列車，需要數據率更高、端對端時延更小、時延抖動更小、錯誤概率更低的地面-車廂傳輸通道。而為旅客提供多媒體、全方位、智能化服務的業務，要求使用帶寬更大、傳輸可靠性更高的車地通信系統。

未來的LTE-R系統使用更為扁平的網絡結構、頻帶更寬的寬波束天線和高效的OFDM-MIMO傳輸技術。除了滿足當前GSM-R系統承載的業務外，還可以承載更高速度下的列控業務，承載各種潛在的鐵路無線通信業務，包括列車綜合監控、列車智能感知、車內旅客服務、公網旅客服務等[2]，如圖1所示。

2.1 列控業務

LTE-R系統完全可以滿足現有的包括CTCS-3列控、無線列調、編組調車通信、應急通信、養護維修組通信、列車診斷數據傳輸等功能的需求。在此基礎上，可以嘗試打破基于RBC中心式的列車控制體系，相鄰車輛通過LTE-R網絡完成信息（速度、級別等）交互，達到自治式的列車追蹤、速度控制等功能，降低RBC設備的處理壓力。提供下行ATP數據傳輸和監測日志通道，實現ATP軟件的遠程升級。

2.2 列車綜合監控業務

利用LTE-R系統的高數據率的特性，將視頻、音頻、傳感等多種媒介的列車監控數據上傳給地面端，完成對列車更為智能的控制。

1）傳遞ATP設備視頻信息，一方面進行設備故障監控，防止災害，另一方面可以遠程指導維修。

2）傳遞輪軌狀態、設備電流、風壓、鋼軌應力、牽引供電系統狀態、變電所綜合自動化信息、SCADA信息、供電設備自診斷信息、高速接觸網檢測信息，實現列車運行狀態的監控。信息由裝置在設備上的感應獲取，通過車內分布式無線覆蓋網絡傳輸數據信息，機車司機隨時可以查詢、反饋設備工作狀態。同時將監控信息實時回傳給地面，地面端的監控中心通過實時分析、處理列車監控數據，分析列車運行狀態，進行列車控制判決。

3）在車廂安置煙霧、燈光、聲音等傳感器，監控車廂環境狀態，保證旅客安全。

4）傳遞司機的音頻或指紋信息，實現司機資格認證。

5）通過傳感器回傳數據實現物流監控服務。

2.3 車內旅客服務

借助LTE-R系統的寬帶特性，車內分布覆蓋系統，為車內旅客提供信息推送服務，包括車內多媒體娛樂、遠程點餐、乘務員呼叫、遠程購票等服務，提升鐵路系統的總體服務質量。

2.4 公網用戶服務

利用LTE-R系統在鐵路專用業務以外的富余無線帶寬，為車內2G、3G和LTE用戶提供無線覆蓋，提升車內公網旅客的服務質量，節省公網系統在鐵路沿線的覆蓋成本。

公網用戶的服務可以通過在車廂內建立公共通信網絡的車載分布覆蓋系統實現。該架構需要引入車載路由器與地面網關單元兩個通信實體，建立2G、3G、WIFI等無線系統的透明傳輸通道。高速列車的穿透損耗決定了需要使用車內分布覆蓋系統實現旅客的端對端服務，而LTE-R系統作為車內分布覆蓋系統的回傳通道保證了旅客服務的需求。

3 LTE技術研究現狀

LTE系統已經在公網上有了近10年的深入研究與4年的應用部署，因此已經具備大量的技術與應用基礎，可以保障基于LTE-R系統的商用進程。

3.1 LTE標準的制定

LTE技術是改進并增強了3G的空中接入技術，具有100 Mbit/s的數據下載能力，被視作從3G向4G演進的主流技術。早在2004年，3GPP組織已經發起歐洲地面無線區域網絡（UTRAN）的LTE技術的研究。2008年底形成第一個可以商用的LTE系統release 8版本，支持在靜態環境下下行傳輸100 Mbit/s、上行50 Mbit/s速率的數據業務傳輸。2009年底，第二個商用版本release 9凍結，靜態下支持速率進一步提升至下行300 Mbit/s。LTE標準規范，對系統網元組成與功能、主要參數指標、系統內部與外部接口、測試方法等內容做出了較為詳細的規定。LTE的標準化為未來LTE系統的規范化、設備互聯互通奠定基礎，也促進了未來LTE-R的發展。

3.2 LTE系統研發

LTE標準按照系統雙工模式不同可以分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種制式。從全球范圍看，FDD制式發展更快，在2008年已經有R8版本的設備商用，目前設備已經支持R11版本。

TDD制式由于其靈活的上下行帶寬調整能力，非常適用于在鐵路上下行業務量變化大的應用場景。我國TDD制式的LTE系統發展勢頭明顯高于FDD制式。到2010年底，基于R8和R9版本的TD-LTE基站設備與核心網設備研發基本完成。包括華為、中興、愛立信、諾西等廠商的設備都完成了概念驗證、實驗室測試與外場測試，目前在全國9個城市組網測試及試商用。TD-LTE終端發展略微滯后，當前僅有R8版本的測試終端芯片，但預計滿足商業要求的TD-LTE終端能夠在2013年實現量產。

3.3 LTE系統測試工具與技術

由于LTE技術發展迅速，也加速了設備與系統性能測試技術成熟。到目前為止，羅德施瓦茨、安利、安捷倫等公司都已經開發了LTE一致性測試系統，保證了開發系統符合LTE標準規范，設備性能滿足公網場景要求，保證多家廠商系統之間的互聯互通。

4 LTE-R關鍵技術研究

由于LTE-R鐵路無線通信網承載的業務與LTE公網存在差異，其網絡部署與規劃的方法需要考慮到鐵路業務的安全性。未來LTE-R系統結構如圖2所示。在車頂部署LTE終端，在車廂內是各種制式的無線系統微基站，通過LTE網絡將車廂內各種制式的業務回傳。該架構的優勢：只需要在LTE系統上使用鐵路專有的傳輸技術來提升傳輸速率，而其他制式網絡仍然可以沿用公網設備。

4.1 支撐新型鐵路業務的傳輸技術

未來鐵路有大量潛在通信業務需要開展，如視頻監控、旅客多媒體服務，因此對LTE-R系統的性能提出了很高的要求。比如視頻傳輸，一路H.264視頻需要至少128 kbit/s帶寬。LTE-R系統需要提出支撐鐵路業務的傳輸技術，并根據驗證結果規范鐵路應用業務的QoS指標，保證LTE-R系統承載業務的性能。具體而言，在LTE-R需要對如下幾個傳輸技術進行改進。

1）更適用鐵路場景的上下行配比設置。在公網LTE系統中，承載業務絕大部分在下行信道傳輸。在LTE-R鐵路無線通信網中，列車綜合監測和列車智能感知等數據需要占用大量上行信道帶寬。要求LTE-R系統具有更為靈活的上下行信道帶寬分配（上下行配比）機制，滿足上行傳輸的需求。

2）上行鏈路自適應提升技術。LTE-R系統對上行吞吐率的需求遠高于現有LTE系統中的上行業務，需要考慮使用更為有效的鏈路自適應技術，提升上行傳輸能力。

3）鐵路業務的復用與解復用技術。為了支持各種無線業務的傳輸，需要在LTE項目研發的車內分布式覆蓋系統的基礎上，為車載路由器增加對鐵路專用業務的復用功能，回傳給地面LTE-R地面網關設備進行解復用。同時在車載路由器中植入支持各類鐵路業務QoS需求的調度算法。

4）鐵路業務QoS等級差分技術。在鐵路上，公網LTE系統通常只需要支持旅客的語音、視頻、數據等多媒體業務，QoS級別較少，對時延等QoS指標的需求較為接近，接入控制、QoS差分等資源分配算法相對簡單。在LTE-R體制下，鐵路業務QoS需求存在巨大差異，如列控業務相比公網業務的QoS需求更加苛刻，調度電話等業務相比普通電話呼叫需要有更高的優先級。因此LTE-R系統需要提出與承載業務相應的QoS差分機制與資源分配算法，保證各種復用情況下各類業務的QoS性能。

5）組呼與語音廣播技術。在HSS網元中添加組呼的組信息與廣播信息與呼叫控制功能，實現類似GSM-R系統的GLR功能。

4.2 網絡結構的改進

在網絡結構方面，LTE-R系統需要在以下幾個方向進行研究，以適應鐵路無線通信網需求。

1）在鐵路無線通信網中有調度電話、組呼等語音通信的需求，由于LTE系統的核心網采用包交換復用方式，無法提供在電路交換的支持語音業務能力，需要將2G語音回落模塊、IMS等支持電路域交換的LTE網元（在移動的LTE測試中均未使用）引入實驗室測試環境。

2）需考慮與GSM-R的連接。為了完成和GSM-R系統之間的過渡，需要添加SGSN網關設備，實現GSM-R與LTE-R系統間的切換。

3）RRU網元設備的架設方案的研究。由于LTE系統分配的頻點明顯高于GSM-R系統，信號的車體穿透特性顯著降低，同時高階調制編碼傳輸的信干比要求顯著增高。為實現車內用戶的覆蓋，必須綜合選擇RRU網元的級聯部署與星形部署方案，保證系統的平滑切換。

4.3 GSM-R網絡向LTE-R平滑過渡

LTE-R完全取代現有GSM-R系統有較長的過渡時期。LTE與GSM系統均由3GPP組織提出，在制定標準時已經充分考慮了兩者的互聯互通特性。在過渡時期，LTE-R系統需要與GSM-R進行互聯互通，保證網絡用戶的冗余覆蓋。同時，應研究LTE-R系統作為GSM-R的備份通道，后備GSM-R承載列控業務的方案，以此提升在GSM-R系統向LTE-R系統過渡時的承載列控業務的可靠性。

5 結論

本文介紹了鐵路無線通信網中潛在的車地、地地寬帶通信業務，闡述了未來建立LTE制式的寬帶無線鐵路無線通信網的必要性。同時提出建立寬帶鐵路無線通信網需要解決的技術問題，為LTE-R制式寬帶鐵路上的構建提出技術演進的建議。希望通過本文介紹的LTE-R系統應用場景與關鍵技術，為未來LTE-R設備研發，以及我國LTE-R系統標準化、商用化起到一定的指導意義。

[1]杜燕．談現代鐵路通信發展趨勢[J]．科技創新與應用，2012(3):52.

[2]胡厚偉．鐵路移動通信發展戰略探討[J]．科技資訊，2006（35）:154-156.

[3]劉彥彬．引領中國鐵路通信發展的明燈——第四代無線通信技術(4G)[J].科技風，2010(13):255.