簡談LTE-R網絡在鐵路無線通信系統的發展趨勢

趙 翔

(太原鐵路局電務處，太原 030013)

簡談LTE-R網絡在鐵路無線通信系統的發展趨勢

趙 翔

(太原鐵路局電務處，太原 030013)

隨著通信行業的不斷發展，LTE網絡已經步入到大眾的日常生活中，探討如何使LTE網絡在鐵路通信行業中得到更好的應用。從LTE-R網絡的技術原理入手，與現階段GSM-R網絡在網絡結構方面對二者進行比較，探討現階段實施網絡改造的可行性并闡述LTE-R網絡今后在鐵路通信專業的發展方向。

鐵路通信；LTE；發展

GSM-R系統在鐵路無線通信系統的成功應用，使得GSM-R系統成為鐵路無線通信專業中現階段主流的通信系統，承擔起各類無線語音、數據等業務的傳輸工作，并在普速、重載、高速鐵路中發揮著越來越重要的作用。但隨著無線通信技術的不斷發展，各類鐵路業務對于通信網絡的可靠性、傳輸速率等要求也在不斷提升，加之設備廠家對于GSM-R系統未來所能提供的備件設備、技術支持方面的限制，GSM-R系統已經顯示出諸多的局限性。鐵路的通信發展也迫切需要對新型的通信系統進行探索和研究。國際鐵路聯盟（UIC）認為，GSM-R通信系統向LTE（Long Term Evolution）通信系統的演進是鐵路通信發展的必然趨勢。因為LTE系統能夠提供高效、快捷、可靠、低時延的網絡，同時可以提供安全的話音和數據業務，所以國際鐵路聯盟已基本確認將LTE作為下一代鐵路無線通信技術。隨著LTE系統在國內幾大運營商的建設與普及，鐵路通信專業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展做好準備。結合中國鐵路實際，LTE-R系統已經開始走進中國鐵路通信從業者的視線。

1 LTE系統概述

長期演進LTE系統是由3GPP提出并且定義的一種新型通信標準。該系統采用新的網絡結構，相較2G的GSM系統以及3G的UMTS系統，LTE系統具有高速率、高頻譜效率、靈活的載波帶寬以及優良的系統兼容性等特點，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一，兩者之間的差異性主要體現在終端用戶上下行接入采取頻率還是時間進行區分，這兩種制式也是未來無線通信系統的發展趨勢。

2 LTE系統關鍵技術

LTE系統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，它把通信系統帶寬分成多個相互正交的子載波，業務數據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據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大大降低，符號持續時間大大加長，對因多徑效應產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性能。

2.2 MIMO技術

MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術是指利用多發射、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，大大提高整體容量。在數據傳輸的下行鏈路中，多天線的發送方式主要包括發送分集、波束賦形、空時預編碼以及多用戶MIMO等；而在數據傳輸的上行鏈路中，多用戶組成的虛擬MIMO技術也可以提高系統的上行容量。

1）下行MIMO

LTE系統下行支持MIMO技術將空間維度進行復用。空間復用支持單用戶模式或者多用戶模式。單用戶模式中，將空間復用后的數據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，將空間復用后的數據流分配給多個用戶，使得多個用戶可以共享同一時頻資源。

2）上行MIMO

在LTE系統中，MIMO技術的上行應用基本天線配置為1×2，即一根發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，即每個終端用戶均發送一個數據流，兩個及以上數量的數據流占用相同的時頻資源，這樣從接收機這一端來看，來自不同終端的數據流就可以看成是來自同一終端在不同天線上傳輸的數據流，從而構成一個MIMO系統。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傳輸的方式，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。本終端只要根據下行控制信令的指示，在所分配的時頻資源里發送導頻和數據信號。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送的信號。

2.3 小區干擾控制技術

現有的移動通信系統中所能提供的數據傳輸率的差異性主要體現在小區中心和小區邊緣處，不僅影響整個系統的容量，而且使用戶在不同位置的服務質量差異性很大。小區間干擾（Inter-Cell Interference，ICI）是移動通信系統中一個常見問題。LTE系統采用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分方式，比現有移動通信系統技術更好的解決小區內干擾問題。但隨之而來的問題是OFDM系統帶來的ICI可能比現有系統的干擾情況更為嚴重。對于身處小區邊緣的用戶，相鄰小區占用同樣頻率資源的用戶就對其產生較大干擾。加之該用戶本身距離服務基站較遠，其信噪比相對較小，導致雖然小區整體吞吐量較高，但是小區邊緣的用戶服務質量較差，吞吐量較低。因此，在LTE中，小區間干擾抑制技術非常重要。

3GPP提出多種解決小區間干擾的方案，主要是干擾隨機化、干擾消除和干擾協調技術。其中，干擾隨機化技術利用干擾的統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邊緣的系統性能，使用戶獲得較高的頻譜效率，系統實現卻比較復雜；干擾協調技術實現最為簡單，可以應用于各種帶寬的業務，能很好的抑制小區間干擾。

移動通信在網絡運用方面，克服網絡干擾一直是網絡優化工作的重點。對于LTE系統來講，系統中各小區采用相同頻率進行發送和接收是造成LTE系統小區干擾的主要原因。與GSM系統不同的是，合并不同小區的信號來降低鄰小區信號的影響是LTE系統無法做到的，因此就產生了小區間干擾，尤其是小區邊緣的干擾尤為嚴重。

基于LTE系統小區產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。

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

3 LTE-R系統與GSM-R系統對比

3.1 網絡架構方面

GSM-R系統分為3個主要部分，分別是核心網子系統（包括智能網）、無線子系統（包括基站控制器、基站）、終端子系統。其分別承載語音、實時性安全數據，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；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系統而言，省去了基站控制器，LTE-R系統分別承載語音、實時安全數據、非實時數據等業務。因為LTE系統完全是基于分組域進行架構的，為實現安全數據、語音等實時數據的傳輸可靠性，主要依靠各種網絡QoS策略保障。

3.2 網絡吞吐量方面

在GSM-R系統中，無論是電路域還是分組域，究其GSM-R系統本身就是窄帶系統的原因，其網絡的吞吐量都很小，單小區吞吐量只能到上行28.8 kbit/s，下行50.3 kbit/s。而LTE-R系統是基于LTE的架構，LTE理論吞吐在單小區上行50 Mbit/s，下行100 Mbit/s，網絡吞吐量較GSM-R系統來講得到大幅度提升。

3.3 頻點規劃方面

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務量以及線路數量大幅增加，頻點的規劃已經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，所有頻率的管理都可以由設備本身管理，采用LTE-R網絡系統可以有效緩解樞紐地區的頻率規劃問題。

3.4 容量管理

LTE系統中其覆蓋的最低電平值與系統容量成正比，工程建設完畢覆蓋電平值越高，系統提供的網絡帶寬也越大。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務，計算出各類業務所需要的網絡帶寬，然后根據該系統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系統演進探討

GSM-R系統如何向LTE-R系統平滑演進，應采取慎之又慎的態度，充分考慮網絡及終端設備的適應性，分階段實施。現階段GSM-R系統如何向LTE-R系統平滑過渡仍存在幾方面的問題。

4.1 行業標準方面

鐵路總公司對GSM-R網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范。但是LTE-R網絡暫時還沒有任何明確行業標準規范，會造成后期設計、施工、驗收以及運營維護無標準可依。

國家工業和信息化部對鐵路GSM-R網絡頻率使用范圍有明確的規定，但是對鐵路4G的頻率使用現無批復，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 網絡業務方面

由于4G（LTE-R）與GSM-R系統通信制式不同，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、機車信號遠程監測等信息的無線傳遞業務如何在LTE-R網絡中承載，以及該系統能否與列尾主機、LOCOTROL系統、STP系統、機車信號遠程監測系統等其他相關專業的設備互聯互通還需進行研究、試驗。

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

4.3 網絡設備方面

LTE-R屬于高頻段制式，而GSM-R網絡屬于低頻段制式，根據無線通訊標準特點，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有的G網基站數量上多出1倍，而且核心網絡設備也需同步新建。

現有GSM-R網絡與4G網絡使用的頻段完全不一樣，而且網絡制式不同，因此網絡終端設備（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，無法實現全路互通。

4.4 機車控制設備方面

由于LTE-R網絡制式的不同，機務LOCOTROL機車控制系統的消息傳遞方式需由電路域數據修改為分組域數據，所以在大秦線使用LTE-R網絡傳遞機車同步操控信息還需要對LOCOTROL機車控制系統的通信模塊進行改造。

因此，對于LTE-R系統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網絡系統能夠實現平滑過渡。

5 LTE-R系統的發展前景

中國鐵路運輸已經進入高速發展時代，隨著高速鐵路的不斷普及，鐵路運輸已經給人們帶來翻天覆地的變化。隨著鐵路運輸系統朝著高速化、密集化的發展趨勢，鐵路通信系統對現階段的GSM-R通信技術提出新的挑戰，同時GSM-R網絡系統隨著技術的發展也漸漸顯現出了更多問題。要滿足現代鐵路通信的新時期發展需求，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展方向，能夠實現很好的技術過渡，使鐵路通信系統由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據業務。

LTE-R系統作為LTE系統在鐵路無線通信系統中的應用，從網絡架構、帶寬需求以及業務拓展能力上都符合中國鐵路的發展需要。目前，朔黃鐵路已經進行LTE-R系統的升級改造，對于中國鐵路通信的發展來講，這次技術的革新意義重大，為我們提供大量可供借鑒的經驗。GSM-R向LTE-R的演化是一個必然的過程，但在現階段如果要實現兩個系統的過渡，就必須經歷兩系統并存的階段，LTE-R系統可以在先期承載非列控類業務，逐步實現對鐵路各類業務的承載，直至完成GSM-R向LTE-R系統的過渡。這個過程是一個長期的過程，需要大量的試驗數據作為基礎。

隨著LTE-R網絡在鐵路通信領域的推廣應用，對無線傳輸網絡的可靠性提出更高要求，如何提高無線傳輸系統的可靠性，如何解決由于LTE-R網絡小區邊緣網絡質量逐步下降，可能會影響數據傳輸速率的情況，也將是今后鐵路通信網絡發展中需重點關注的焦點。

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

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

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

With the development of the communications industry, LTE network has entered into the public's daily life. The paper introduces how to well use LTE network in the railway communication industry. And it starts from the technical principles of LTE-R network to compare LTE network with GSM-R network in network structures, discusses the feasibility of reconstructing the network, and expounds the developing trend of LTE-R network in the railway communication industry.

railway communication; LTE; development

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.010

2016-09-07）