GSM-R系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)發(fā)展方向

■ 蔣笑冰

1 概述

隨著移動通信技術(shù)發(fā)展和第三代移動通信協(xié)議（3GPP）版本的不斷升級，以及各大設(shè)備供應(yīng)商產(chǎn)品的更新?lián)Q代，GSM-R系統(tǒng)設(shè)備可能面臨技術(shù)支持停止的難題。因此，國際鐵路聯(lián)盟（UIC）已著手開展未來寬帶移動通信系統(tǒng)在鐵路應(yīng)用的研究工作，并對鐵路長期演進(jìn)（LTE，Long Term Evolution）系統(tǒng)的需求進(jìn)行深入分析。

2010年11月30日，UIC召開會議公布了2010年在未來鐵路移動通信系統(tǒng)方面的研究成果。公眾移動通信技術(shù)將演進(jìn)到LTE，即第四代移動通信技術(shù)將影響第二代移動通信技術(shù)（GSM），當(dāng)GSM到達(dá)生命周期末端時，GSM-R生存也將是個問題。LTE當(dāng)前處于成熟期，主要應(yīng)用業(yè)務(wù)仍為語音通信，預(yù)計(jì)選擇LTE技術(shù)可能會在未來幾年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。UIC正在進(jìn)行GSM-R技術(shù)演進(jìn)到LTE的研究和有關(guān)試驗(yàn)。

2 業(yè)務(wù)需求分析

2.1 GSM-R承載業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

GSM-R系統(tǒng)被確定為我國鐵路移動通信系統(tǒng)的技術(shù)體制后，承載了大量移動通信業(yè)務(wù)（見表1）。

鐵路快速發(fā)展對移動通信提出越來越多的需求，除傳統(tǒng)話音通信外，移動至固定、移動至移動的數(shù)據(jù)通信需求呈不斷上升趨勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，新一代通信技術(shù)比GSM-R具有更高的通信業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS），可實(shí)時可靠地傳遞列車控制信息。隨著業(yè)務(wù)需求的不斷擴(kuò)展，視頻監(jiān)控、電視會議等寬帶業(yè)務(wù)移動接入的需求不斷增加，GSM-R系統(tǒng)將難以作為統(tǒng)一的平臺承載寬帶業(yè)務(wù)。

表1 GSM-R系統(tǒng)承載的鐵路通信業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

2.2 未來鐵路移動通信承載業(yè)務(wù)需求

（1）未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)并提高QoS，并且能夠支持實(shí)時應(yīng)用（如列車控制運(yùn)行類業(yè)務(wù)等）。從鐵路應(yīng)用基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式可以看出，對實(shí)時性、可靠性要求較高的鐵路應(yīng)用（如列車運(yùn)行控制），一般采用電路域數(shù)據(jù)通信方式。此方式下，為每個用戶分配一個固定信道，保證其無線通信資源。電路域數(shù)據(jù)通信在網(wǎng)絡(luò)側(cè)由M SC負(fù)責(zé)處理，隨著大量待建和正在建設(shè)的鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)投入使用，資源占用將越來越多，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求越來越高，對其可靠性和安全性也提出了更高的要求。

（2）未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)基于全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)將簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，降低運(yùn)營維護(hù)成本，基于標(biāo)準(zhǔn)接口，將增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)組成部分之間的互通。靈活建立核心網(wǎng)、無線網(wǎng)冗余備份機(jī)制，形成一個完全互通、安全可靠的鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)，使其更好地滿足鐵路移動信息化和列車自動控制需要，滿足高速及貨運(yùn)重載列車不間斷運(yùn)行的高可靠要求。

（3）未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)為語音、視頻、多媒體和數(shù)據(jù)提供（寬帶）基于IP的業(yè)務(wù)?？梢灶A(yù)知，鐵路對移動通信業(yè)務(wù)的需求將朝著寬帶數(shù)據(jù)通信發(fā)展。提供列車運(yùn)行安全監(jiān)控類，如綜合視頻監(jiān)控、貨車運(yùn)行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TFDS）、貨車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）等信息的傳遞。在歐洲鐵路道口試驗(yàn)中，一旦列車經(jīng)過應(yīng)答器，來自道口的實(shí)時圖像就會發(fā)送給列車司機(jī)，使其了解當(dāng)?shù)厍闆r并作出決定。

（4）未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足列車在低速（低至0 km/h）和高速（高達(dá)500 km/h）運(yùn)行情況下的工作。已經(jīng)證明GSM-R可以在500 km/h的高速情況下工作，任一未來技術(shù)在鐵路上應(yīng)用至少都應(yīng)該與前一技術(shù)有相同的表現(xiàn)，并且滿足UIC提出的鐵路專用通信需求。

（5）未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與不同的移動通信技術(shù)互通，包括2G（如GSM-R），3G，LTE，微波存取全球互通技術(shù)（W iM AX，IEEE802.16）及無線本地局域網(wǎng)（W LAN，IEEE802.11）等。技術(shù)互通支持向未來鐵路移動通信系統(tǒng)過渡。通過這種方式，當(dāng)支持舊（傳統(tǒng)）技術(shù)和新技術(shù)的新移動臺可以在新舊2種網(wǎng)絡(luò)下工作時，互通可以更加靈活地鋪設(shè)未來網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)中使用不同的無線接入技術(shù)，引進(jìn)專為特定移動通信技術(shù)設(shè)計(jì)的新應(yīng)用。例如，全球貨運(yùn)已使用不同的運(yùn)輸工具（如火車、卡車、集裝箱船和飛機(jī)），鐵路移動通信系統(tǒng)（包括其移動臺）支持使用各種不同的運(yùn)輸系統(tǒng)，并且與其所使用的移動通信系統(tǒng)互通，如在港口和機(jī)場（使用W LAN或W iM AX）所有鋼軌可以接到相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域。

3 LTE技術(shù)分析

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

LTE由演進(jìn)型分組核心網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)架向扁平化發(fā)展（見圖1）。無線網(wǎng)絡(luò)由eNodeB（eNB）組成，無線射頻及無線管理功能全部集中于該節(jié)點(diǎn)上。eNB之間通過X2接口互連，eNB與演進(jìn)型分組核心網(wǎng)之間通過S1接口互連。演進(jìn)型分組核心網(wǎng)絡(luò)由移動性管理實(shí)體（MM E）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）組成，eNB與演進(jìn)型分組核心網(wǎng)絡(luò)之間S1接口的用戶面終止在S-GW上，控制面終止在MME上。

與GSM，CDM A和UM TS技術(shù)比較，LTE/SAE（系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)）架構(gòu)的用戶面上只有2個節(jié)點(diǎn)：LTE的“基站”（eNB）和服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-WG）（見圖2）。在LTE/SAE系統(tǒng)中，不論是基站控制器（BSC）還是無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC)都不再需要。扁平結(jié)構(gòu)減少了節(jié)點(diǎn)數(shù)量及多界面引起的信號和路徑選擇的復(fù)雜度，提高了實(shí)時性。隨著BSC和RNC的功能都并入增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)B（eNB），切換將由eNB之間直接進(jìn)行協(xié)商和管理。

圖1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2 GSM-R與LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 SC-FDMA技術(shù)

單載波頻分復(fù)用技術(shù)（SC-FDM A）是基于單載波頻域均衡技術(shù)和基于離散傅立葉變換的預(yù)編碼，不僅可以有效對抗信道的頻率選擇性衰落，而且能取得較低的峰值平均功率比，是目前LTE空中接口在上行鏈路采用的無線傳輸技術(shù)。它的實(shí)現(xiàn)比正交頻分復(fù)用/正交頻分多址（OFDM/OFDM A）簡單，但性能遜于OFDM／OFDM A。相對于OFDM/OFDM A，SC-FDM A具有較低的峰值平均功率比（PAPR）。發(fā)射機(jī)效率較高，能提高小區(qū)邊緣的網(wǎng)絡(luò)性能。最大好處是降低了發(fā)射終端的峰均功率比、減小了終端的體積和成本，這是選擇SC-FDM A作為LTE上行信號接入方式的一個主要原因。其特點(diǎn)還包括頻譜帶寬分配靈活、子載波序列固定、采用循環(huán)前綴對抗多徑衰落和可變的傳輸時間間隔等。

3.2.2 OFDM技術(shù)

OFDM的基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號速率大大降低，符號持續(xù)時間大大加長，因而對時延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減小了符號間干擾的影響。通常在OFDM符號前加入保護(hù)間隔，只要保護(hù)間隔大于信道的時延擴(kuò)展則可以完全消除符號間干擾ISI。

OFDM參數(shù)設(shè)定對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生決定性影響，如循環(huán)前綴（CP）。它主要用于有效地消除符號間干擾，其長度決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利于克服多徑干擾、支持大范圍覆蓋，但系統(tǒng)開銷也會相應(yīng)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。為了達(dá)到小區(qū)半徑100 km的覆蓋要求，LTE系統(tǒng)采用長短2套循環(huán)前綴方案，根據(jù)具體場景進(jìn)行選擇：短CP方案為基本選項(xiàng)，長CP方案用于支持LTE大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。

3.2.3 MIMO技術(shù)

多輸入多輸出（M IMO）作為提高系統(tǒng)傳輸率的最主要手段，受到廣泛關(guān)注。由于OFDM的子載波衰落情況相對平坦，十分適合與M IMO技術(shù)相結(jié)合，提高系統(tǒng)性能。M IM O系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣判天線）和多通道。多天線接收機(jī)利用空時編碼處理能夠分開并解碼數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳處理。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)速率必然可以提高。M IMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率，這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。當(dāng)功率和帶寬固定時，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。

LTE的基本M IM O模型是下行2×2，上行1×2個天線，但同時也正在考慮更多的天線配置（最多4×4）。LTE在上行還采用虛擬M IMO以增大容量，被考慮的技術(shù)還包括空間復(fù)用、空分多址、預(yù)編碼、秩自適應(yīng)及開環(huán)發(fā)射分集等。

3.2.4 高階調(diào)制技術(shù)

LTE在下行方向采用四相相移鍵控（Q PSK）、16QAM（正交幅度調(diào)制）和64QAM，在上行方向采用QPSK和16QAM。高峰值傳送速率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下行100 M b/s峰值速率的目標(biāo)，在3G原有的QPSK，16QAM基礎(chǔ)上，LTE系統(tǒng)增加了64QAM高階調(diào)制。64QAM的頻譜利用率高，但是其歸一化比特信噪比與QPSK相比降低了很多，即頻譜利用率的提高是在犧牲信噪比和可靠性的前提下獲得的。采用64QAM從信道利用率的角度看，可以將信道利用率提高60％，在以高速數(shù)據(jù)傳輸為主要目的LTE中，是一個很好的解決方案。不過，64QAM頻譜利用率的提高勢必要損失一些抗干擾能力，為達(dá)到相同的誤碼性能，需要增加歸一化信噪比，設(shè)備復(fù)雜性和設(shè)備成本有所增加。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢

基于新的多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)及天線技術(shù)，LTE系統(tǒng)具有更高吞吐量、更小傳輸時延及更高頻譜利用率。同時，LTE系統(tǒng)采用扁平化全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單。LTE系統(tǒng)的優(yōu)勢主要包括以下幾方面：

（1）帶寬選擇靈活，包括1.4 M H z，3 M H z，5 MHz，10 MHz，15 MHz和20 MHz。

（2）扁平的基于IP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，內(nèi)置IP骨干傳輸。

（3）更好的無線數(shù)據(jù)通信帶寬和質(zhì)量?；谛录夹g(shù)的LTE系統(tǒng)可以對變化的電波傳播環(huán)境迅速作出反應(yīng)。最小傳輸時間間隔（TTI）規(guī)定只有1 m s?；诘蚑TI值，新的移動通信技術(shù)支持非?？斓恼{(diào)制適應(yīng)性及短的往返時間（RTT），短RTT在實(shí)時業(yè)務(wù)中是必須的。

（4）LTE提供自配置和自優(yōu)化，減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。

（5）新技術(shù)將提供軟件無線電（SDR）功能。SDR很靈活，無線參數(shù)可以根據(jù)當(dāng)前采用的無線技術(shù)而改變、修正、適應(yīng)和優(yōu)化。

（6）支持多種網(wǎng)絡(luò)接入，包括2G，3G，W iM ax，W iFi等。

可以看出，LTE技術(shù)基本滿足未來鐵路移動通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

4 GSM-R向LTE/SAE演進(jìn)

4.1 演進(jìn)路線

由于LTE采用的關(guān)鍵技術(shù)與2G，3G系統(tǒng)差別較大，系統(tǒng)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、設(shè)備功能等方面有了很大的改進(jìn)，因此后向兼容性較差。2G，3G系統(tǒng)向LTE過渡時，除機(jī)房、鐵塔、電源、傳輸?shù)扰涮自O(shè)備可重復(fù)利用外，系統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)行大規(guī)模軟硬件更新改造。

（1）核心網(wǎng)側(cè)：可以對現(xiàn)有GPRS系統(tǒng)的SGSN，GGSN進(jìn)行軟硬件升級改造，向LTE核心網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。

（2）無線網(wǎng)側(cè)：需要對現(xiàn)有無線設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模軟硬件升級改造。

4.2 演進(jìn)過程

GSM-R向LTE過渡是一個長期演進(jìn)的過程。根據(jù)UIC對LTE-R系統(tǒng)的演進(jìn)計(jì)劃（見圖3），到2016年LTE/SAE系統(tǒng)將應(yīng)用于鐵路移動通信。

結(jié)合目前我國GSM-R發(fā)展前景、現(xiàn)階段各類業(yè)務(wù)需求劃分，以及UIC對LTE項(xiàng)目的部署，我國鐵路移動通信由GSM-R系統(tǒng)向LTE的演變可劃分為以下3個階段（見圖4）。

（1）階段一：規(guī)劃期內(nèi)，隨著我國高速鐵路建設(shè)及既有線改造，GSM-R系統(tǒng)仍然是鐵路移動通信業(yè)務(wù)的承載平臺，為鐵路話音通信、列控業(yè)務(wù)以及小容量非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的承載平臺。應(yīng)密切關(guān)注UIC對LTE/SAE系統(tǒng)的研究、試驗(yàn)及應(yīng)用情況。

（2）階段二：隨著鐵路車-地寬帶移動通信及站場、樞紐地區(qū)寬帶無線通信需求的不斷增長，可采用LTE/SAE承載大容量、非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。鐵路話音通信及列控類業(yè)務(wù)可仍由GSM-R系統(tǒng)承載，LTE/SAE與GSM-R系統(tǒng)融合發(fā)展。

（3）階段三：LTE/SAE可逐步通過Vo IP（IP電話）方式提供鐵路話音通信業(yè)務(wù)，隨著LTE/SAE QoS不斷優(yōu)化，可逐步試驗(yàn)并承載列控類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。LTE/SAE取代GSM-R系統(tǒng)，成為鐵路未來寬帶移動通信的承載平臺。

圖3 UIC對LTE項(xiàng)目工作計(jì)劃

圖4 GSM-R向LTE/SAE的演進(jìn)階段圖

5 結(jié)束語

為使我國鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、均衡、有序、高效發(fā)展，需要進(jìn)一步跟蹤UIC研究成果，實(shí)時結(jié)合我國GSM-R的發(fā)展情況和業(yè)務(wù)需求，不斷調(diào)整我國GSM-R向LTE技術(shù)演進(jìn)過程，以保證鐵路運(yùn)輸安全可靠，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

[1] 鐘章隊(duì). 鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）應(yīng)用基礎(chǔ)理論[M].北京：中國鐵道出版社，2009

[2] 周興圍， 趙紹剛，李岳夢，等. UMTS LTE/SAE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2009