我國高速鐵路通信系統更新的趨向

劉建強

Lanzhou Jiaotong University，Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control Ministry of Education ?Liu Jianqiang

【摘要】隨著我國高速鐵路的快速發展，原有的GSM-R鐵路專用通信系統在很多方面已經無法滿足需求。本文從GSM-R的主要功能及面臨的問題出發，提出了對LTE-R的技術特點及發展情況。

【關鍵詞】高鐵通信;GSM-R;LTE-R;趨向

Abstract：With the rapid development of China's high-speed rail，the original GSM-R railway communication system in many ways has been unable to meet the demand.In this paper，the problem of the main functions of GSM-R and faces，this paper presents the technical characteristics and the development of LTE-R's.

Keywords：High Speed;Rail Communications;GSM-R;LTE-R;Trend

1.引言

鐵道部在20世紀初將GSM-R系統作為我國發展鐵路移動通信網絡的一個主要發展方向，到目前為止，它成為我國鐵路運營商采用最廣泛的鐵路通信語言。

雖然，GSM-R移動通信系統在我國大面積普及，但是此系統帶寬太窄，頻譜利用較低，已經無法滿足未來高速鐵路的通信需求。因此建立一個功能更加完善，技術構成更加先進的鐵路通信網被提上了議程。考慮到未來高速鐵路移動通信的總體需求，國際鐵路聯盟（UIC）在2010年l2月召開的第七屆世界高速鐵路大會上，明確指出：高速鐵路移動通信長期演進采用鐵路寬帶移動通信系統（LTE-R）技術發展戰略[1]。我國高速鐵路通信也將跟隨世界腳步，從2G的GSM-R直接跨越到4G的LTE—R通信。

2.GSM—R無線通信系統的主要功能及面臨的問題

2.1 GSM—R無線通信系統的主要功能

對于鐵路而言，可靠高效的鐵路專用通信系統是鐵路發展的前提，在分析了世界鐵路技術裝備現狀和發展趨勢，且結合中國鐵路運輸實際情況和需要的基礎上，鐵道部在20世紀初期確定了GSM-R系統作為我國發展鐵路綜合數字移動通信網絡的一個主要技術體制。

現有的GSM-R無線通信系統是傳統鐵路450MHz無線列調系統的更新換代產品。GSM-R無線通信系統包含有調度通信、鐵路緊急救援移動通信、高速數字通信、自動列車控制（CTCS）、平面調車、遠程控制、軌道維護移動服務、尾部風壓檢測、區間移動通信、旅客列車綜合移動信息服務等主要功能，它既能夠滿足調車編組作業、車地通信等語音通信的需求，也支持列車調度、列車控制等運營作業，進一步保障了鐵路的運行安全。

2.2 GSM—R無線通信系統面臨的新問題

盡管GSM-R無線通信系統在國外被廣泛的應用，然而在引進我國之后就要面對我國鐵路速度快、密度高、電磁干擾嚴重以及列車運行環境錯綜復雜等問題，而且GSM的無線通信容量小、帶寬窄以及技術制式自身的限制，使得GSM-R通信系統作為我國最主要鐵路通信系統面臨著很多的挑戰。

20世紀初到現在的研究以及在鐵路上的應用情況表明，GSM-R通信系統存在以下幾方面的問題：

（1）系統對車地通信的適應性的優化不夠完善。GSM-R無線通信網絡呈區域覆蓋包括大區制和小區制。大區制覆蓋容易受山丘、樹林和建筑物陰影影響;小區制存在同頻道干擾、越區切換難度大、建網成本高等缺點。當列車高速通過大區制信號不好的范圍或在小區制進行越區切換時，都容易造成通信中斷或通信質量降低等不良后果。

（2）系統的抗干擾能力還需要進一步加強。有關統計顯示，在使用GSM-R無線通信系統的一些線路上，多趟列車因信號系統自動防護功能作用而產生緊急制動，列車再次起動后只能維持低速運行。造成此事件的原因是GSM-R無線通信信號受到來自外界不明因素的干擾，導致系統自動產生安全保護。經證實廣播電臺、航空通信系統以及電磁波等都會對鐵路通信系統造成干擾。因此，必須通過技術的改進來保證列車的高效、安全運行。

（3）進一步完善我國GSM-R標準體系。UIC制定的GSM-R技術規范分別從功能和性能角度規定了：綜述、網絡需求（業務）、網絡配置（覆蓋、網絡選擇、對呼叫建立時間的需求、廣播呼叫和組呼區域）、移動設備核心規范、機車臺、通用電臺、運營電臺、調度臺、值班員設備規范、編號方案、用戶管理、功能編號和與位置有關的尋址、文本消息、鐵路緊急呼叫、調車作業模式、直通模式15個方面的內容[2]。但是，我國鐵路環境復雜、列車繁忙程度遠遠大于世界水平以及GSM-R監測系統很少，這些都要求我國的GSM-R技術規范要在UIC規定的規范的基礎進行改進以符合自身國情。

（4）系統的安全性應進一步提高。無線通信網絡中存在各種不安全因素，如無線竊聽、身份假冒、篡改數據和服務后抵賴等等[3]。GSM-R鐵路通信系統是基于無線網絡的，因此也存在上述的不安全因素。GSM-R的關鍵設備包括MSC（移動業務交換中心）、BSC （基站控制器）等，它的可靠性和安全性影響著整個鐵路運輸。然而，目前國內GSM-R無線通信系統基本都采用電路交換，MSC發生故障，會影響一個鐵路局的列車運行，而BSC發生故障，則會影響范圍內所有列車的運行秩序。因此，要提高MSC、BSC等關鍵設備的安全性和穩定性，以保證整個系統的安全可靠。

（5）提高系統運營管理水平。雖然GSM-R在國外穩定運行很多年，但是引入我國的時間并不長，再加上我國復雜的鐵路運營環境，對系統管理人員的能力提出了更高的要求。對此，在以后的鐵路運營過程中，必須要根據我國鐵路的實時情況對管理人員提出不同的要求

（6）系統傳輸、交換視頻信息能力不足。GSM-R是基于2G標準的無線通信網絡，通信容量小，上下行頻段分別為885～889MHz、930～934MHz，同時帶寬窄僅為4MHz，無法滿足未來信息傳輸容量大、速度快等要求，用來傳輸鐵路上大量的動態實時視頻略顯不足。

3.高速鐵路無線通信系統的發展方向

由于GSM-R無線通信系統不能完全滿足高速列車的運行安全，世界各國都開始進行下一代無線通信網絡的研究。將3G無線網引入高速鐵路的GSMR-C通信系統是下一代鐵路無線通信系統的規劃內容之一。GSMR-C的軟切換等技術和原本的GSM-R系統互補，提高了切換速度，可以進一步保障鐵路通信系統安全可靠的運行。但是，國際鐵路聯盟（UIC）已經明確表示，GSM-R無線通信系統將直接過渡到大容量、高帶寬、多功能的LTE-R專用寬帶移動通信系統。第七屆世界高速鐵路大會之后我國明確表示將直接升級到LTE-R專用寬帶移動通信系統。

4.LTE—R鐵路專用通信系統的技術特點

（1）以OFDM和MIMO為技術核心，提高了通信速率和頻譜效率，在20MHz帶寬內能達到的上下行峰值速率分別為100Mbit/s和50Mbit/s，對應的上下行頻譜效率分別為5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz。

（2）系統部署靈活，可支持成對或非成對頻譜，在1.25MHz和20MHz的帶寬內，提供多種配置。

（3）降低了系統延遲，用戶平面時延低于5ms，控制平面時延低于100ms。

（4）能改善小區邊緣用戶性能，提高小區容量，可支持半徑100km的小區覆蓋。

（5）很好的向下兼容性，能與2G、3G體系協同運作。

5.LTE—R移動通信系統的發展

2009年3月，LTE進入了研發的實質性階段，其標志是R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE兩個標準的確定。這個版本的LTE是一種“準4G”標準，它以OFDM（正交頻分復用技術）、MIMO（多入多出技術）等先進的基于物理層的技術為核心，對3G標準的接口技術和傳輸技術進行了改進和增強，其下行速率最高可達326Mbit/s;它支持頻分復用技術（FDD）和時分復用技術（TDD），支持速度最高可達500km/h。近期，很多國家開始推行R10版本的LTE標準，R10是R8的增強版，理論上峰值速度分別為上行500Mbit/s、下行1Gbit/s，因此，人們叫它LTE-A（LTE-Advanced），也就是所謂的4G技術。

2010年12月，在第七屆世界高速鐵路大會上，我國明確提出從GSM-R直接過渡到LTE-R鐵路移動通信系統，2011年6月，“基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信的關鍵技術研究與應用驗證”的國家科技重大專項得到了國家的批準并由中國鐵路通信信號集團公司（簡稱中國通號）承擔。該項目將通過LTE-R寬帶通信系統的關鍵技術的研究，設計出可實施的具體方案，以滿足高鐵旅客在數據通信和視頻通信方面的要求，比如語音和數字業務、WIFI上網、視頻通信等。

我國針對鐵路通信系統更新的需求，提出了LTE-MAR（Multi-Access system for Railway）系統，實現更安全的視頻監控、列車高速運行時更好的通信質量、高鐵內可以無線上網，滿足我國鐵路無線通信系統的設計要求。

6.結束語

在我國高鐵快速發展的背景下，本文通過分析GSM-R無線通信系統的主要功能和面臨的問題，結合世界鐵路通信系統的發展，提出了適合我國高速鐵路通信的LTE-R無線通信系統，明確了它的技術特點。

但是，本文提到的技術特點都基于當前的研究成果，今后還要結合我國的具體國情，形成我們真正適合我們自己的鐵路移動通信標準。

參考文獻

[1]卜愛琴.鐵路下一代移動通信技術LTE-R應用的探討[J].信息通信，2014（2）.

[2]石波.適合我國鐵路應用的GSM-R技術規范體系[J].GSM-R專欄，2007.

[3]徐勝波，馬文平，王新梅.無線通信網中的安全技術[M].人民郵電出版社，2003.