鐵路無線通信業務應用場景分析

宋承愷

摘 要：伴隨著通信技術日新月異的發展變化，我國鐵路現有的以無線列調為主的無線通信技術正在經歷著或孕育著巨大的變革，根據我國高鐵無線通信場景的特點及鐵路寬帶無線通信的業務需求，對高鐵場景下的傳輸性能進行探討和分析。

關鍵詞：無線信道;傳輸性能;仿真

隨著無線通信和我國高速鐵路的蓬勃發展，“互聯網+高鐵”將成為中國經濟提質增效升級的“新引擎”。未來無線通信向著更高頻率和更大帶寬的方向發展，高鐵乘客對傳輸速率和傳輸質量提出了更高的要求。

一、鐵路無線通信的特點

1.覆蓋范圍廣。中國地域廣闊，共有3 1個省市自治區，部分省市之間相距幾千多公里，并且列車在運行過程中要通過多個鐵路局及集團公司的管轄區域，每個單位均有調度指揮及為車輛服務的部門及人員，所以通話對象不固定，這就需要一個統一的呼叫方式及規則，由聯合控制中心根據列車運行區間及位置確定呼叫路由及地址。這也是符合我國鐵路特得點的獨特通信方式。

2.需要具備數據的傳輸功能。列車無線電臺設備不僅需要語音傳送，還需要有傳輸數據的能力，應具備多功能的數據接口，可以傳輸列車運行所需的各種數據，交換信息，確保列車通信及監控的實時性和有效性。

3.綜合性要求強。鐵路運營所需支撐體系龐大，車務、機務、工務、電務、車輛等單位各司其職，對通信的需求也存在差異，這就要求無線通信設備具備很好的適應性，結合各部門需要開發相應功能。

二、寬帶無線網絡傳輸性能仿真

1.仿真系統總體架構及性能指標。搭建高速鐵路寬帶無線網絡系統半實物仿真環境，模擬高速鐵路環境下不同列車運行速度，研究不同傳播環境（市區、高架橋）、不同列車速度影響下的傳輸性能。高鐵場景下寬帶無線網絡傳輸性能仿真系統架構。

無線網絡傳輸性能仿真環境基本配置：中心頻率1.9GHz（TD-LTE）、2.1GHz（FDD-LTE）;信道沖激響應數106;帶寬20MHz;調制方式下行/上行16QAM;信道場景，城市宏蜂窩模型（C2）LoS（視距）、城市宏蜂窩模型（C2）NLoS（非視距）、移動網絡（D2a）LoS、郊區宏蜂窩（C1）LoS、郊區宏蜂窩（C1）NLoS。無線網絡傳輸性能仿真指標，包括移動端性能指標（吞吐量、誤塊率），鏈路層性能指標（矢量幅度誤差、鄰道泄漏比、占用帶寬）。（1）吞吐量（Throughput）。系統吞吐量是指單位時間之內系統從信源到信宿成功傳輸的數據量。它是衡量通信系統無線網絡性能的重要指標，可以給用戶帶來穩定可靠的業務感知。在LTE系統中，系統吞吐量與系統帶寬、上下行子幀配比和特殊子幀配比均有關。（2）誤塊率（BLER）。誤塊率是在通信中傳輸塊經過CRC校驗后的錯誤概率，是有差錯的傳輸塊與系統接收的總塊數之比，用來反映無線鏈路控制層對差錯重傳的要求。BLER不但測量解碼后數據塊的錯誤率，而且還檢查CRC校驗的錯誤。BLER的測量可以采用回環測試的方法，需要經過解交織、速度匹配等一系列信道解碼過程。

（3）鄰道泄漏比（ACLR），是主信道功率與鄰道（鄰道1和鄰道2）功率的差值。（4）占用帶寬（OBW）。指被測終端99%的總發射功率所占用的帶寬。對于所有的帶寬配置，終端的占用帶寬都需要小于系統的信道帶寬。

2.仿真結果。（1）移動終端傳輸性能。吞吐量是衡量LTE網絡無線性能的基本指標，不同信道模型和不同速度下，移動端吞吐量性能見表1。誤塊率是衡量系統鏈路性能可靠性的指標，不同信道模型和不同速度下，移動端BLER性能見表2。

由表1可知，在高鐵場景下的各種無線信道中，隨移動速度的增加，吞吐量都在逐漸減小，3種信道的變化趨勢是類似的。在速度較低時，對吞吐量不會有太大影響，但當達到一個臨界值時（對于每一種信道不一樣），速度變化會明顯影響吞吐量，而且3種信道模型性能變化從好到差的順序為：城市宏蜂窩模型（C2）NLoS、城市宏蜂窩模型（C2）LoS、移動網絡（D2a）。由表2可知，在接收功率足夠強的情況下，覆蓋場強不會對BLER造成影響，而在高鐵場景下的各種無線信道中，隨移動速度的增加BLER都在逐漸減大，幾種信道的變化趨勢是類似的。從測試結果中也能看到BLER與吞吐量的對應關系，而且BLER的變化比吞吐量變化要明顯，從BLER的變化也能夠推斷吞吐量的變化趨勢。（2）傳輸鏈路性能。不同速度（120，250，350，500km/h）、不同信道環境（城區、高架橋）下，速度對鄰道泄漏比（ACLR）以及占用帶寬（OBW）的影響不大，例如在高架橋場景下，ACLR在不同速度下的測量值為-48～-47dB，OBW的值一直在12MHz左右。而速度對BLER和EVM的影響較大，例如在高架橋場景下，EVM在低速（120km/h）時為9.87%，而在高速（350km/h）時為22.11%;BLER在低速（120km/h）時為0.83%，而在高速時（350km/h）為1.96%。（3）仿真分析。不同信道不同速度時，LTE系統BLER和EVM指標的變化關系。BLER的測試值隨著速度增高而變大，其變化范圍在0.001～0.02之間。而對于類似于高速鐵路高架橋場景的D2a模型，這個臨界速度是310km/h。值得一提的是移動速度≤180km/h時，BLER變化不明顯;而超過這個速度后BLER會較為迅速的增長。

研究發現高鐵場景下的無線信道傳輸性能與理論指標差距很大，需要對高鐵場景下無線信道對寬帶無線網絡傳輸性能進行定量分析和研究，解決高鐵場景下高速移動和線性帶狀覆蓋特征情況下的系統設計及關鍵技術問題，便于指導高鐵場景下寬帶無線通信網絡規劃設計、工程優化。

參考文獻

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[2]馬瑞.21世紀通信新技術[M].北京：中國鐵道出版社，2017：512-515.