基于LTE制式的鐵路寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)研究

葛淑云 華 堯

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

我國當(dāng)前高速鐵路的發(fā)展超過了國外的發(fā)展速度，目前我國的高速鐵路里程已經(jīng)居世界首位，鐵路無線網(wǎng)用戶規(guī)模也非常龐大，因此需要我國引領(lǐng)高速鐵路無線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展方向和標準規(guī)范，帶動世界寬帶鐵路業(yè)務(wù)的發(fā)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(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及樣車研制》、《企業(yè)客專列控系統(tǒng)綜合監(jiān)測體系》、《車載記錄自動收發(fā)器》等鐵道部科研項目都對高速鐵路的寬帶移動通信系統(tǒng)提出新的要求，在政策上為寬帶鐵路無線通信網(wǎng)的建設(shè)起到了重要的支撐作用。

未來高速鐵路專有業(yè)務(wù)有著巨大的潛在需求，為滿足鐵路應(yīng)用需求的增長，同時鐵路業(yè)務(wù)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(wǎng)，而不是使用公網(wǎng)承載鐵路業(yè)務(wù)[1]。當(dāng)前使用的GSM-R鐵路專用通信系統(tǒng)的帶寬有限，僅能為單用戶提供4.8 kbit/s的數(shù)據(jù)率。受限于無線鏈路速率，車載設(shè)備與地面設(shè)備之間缺乏有效的數(shù)據(jù)溝通媒介，一些車地之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)難以開展。因此需要部署先進的鐵路無線通信網(wǎng)，提供車載與地面端的可靠寬帶通信通道。

長期演進LTE系統(tǒng)相比現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)，具有寬帶、低時延、全IP架構(gòu)等顯著優(yōu)勢，非常適用作為下一代鐵路無線通信網(wǎng)的技術(shù)體制。UIC明確表示3G技術(shù)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(chǎn)業(yè)化工作，并得到設(shè)備商和運營商的廣泛支持，2009年起，LTE走向高速發(fā)展時期，截止目前，全球已經(jīng)有20多個運營商部署LTE網(wǎng)絡(luò)或分配LTE頻段，分布在歐、美、亞、大洋洲。LTE產(chǎn)業(yè)的不斷成熟也推進了鐵路無線通信網(wǎng)從GSM-R向LTE-R系統(tǒng)的過渡。隨著LTE產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，基于寬帶、低時延的新型公網(wǎng)應(yīng)用，如視頻電話、手機電視、移動廣播等業(yè)務(wù)也發(fā)展迅速，預(yù)示著在LTE-R系統(tǒng)中也可以引入豐富的鐵路無線通信網(wǎng)應(yīng)用，市場前景廣闊。

LTE-R標準可借鑒LTE系統(tǒng)標準，保證了LTE-R系統(tǒng)的技術(shù)成熟度，縮短了LTE-R系統(tǒng)的研發(fā)周期。但是高速鐵路環(huán)境相比于傳統(tǒng)的公網(wǎng)通信環(huán)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(tǒng)的基礎(chǔ)上，在高速環(huán)境傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)集成與部署技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、附屬適配設(shè)備等方面為鐵路無線通信網(wǎng)進行專項研究，從技術(shù)層面支撐未來LTE-R鐵路無線通信網(wǎng)系統(tǒng)的研制。

2 未來鐵路寬帶應(yīng)用

GSM-R系統(tǒng)通過對GSM系統(tǒng)適當(dāng)?shù)男薷?，使得其更適應(yīng)鐵路的應(yīng)用特性。GSM-R系統(tǒng)在GSM的基礎(chǔ)上提供語音調(diào)度業(yè)務(wù)(ASCI)，包含增強的多優(yōu)先級預(yù)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(diào)度業(yè)務(wù)，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(tǒng)的不斷演進，鐵路速度的不斷提高，未來發(fā)展400 km/h的高速列車，需要數(shù)據(jù)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(wù)的業(yè)務(wù)，要求使用帶寬更大、傳輸可靠性更高的車地通信系統(tǒng)。

未來的LTE-R系統(tǒng)使用更為扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、頻帶更寬的寬波束天線和高效的OFDM-MIMO傳輸技術(shù)。除了滿足當(dāng)前GSM-R系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)外，還可以承載更高速度下的列控業(yè)務(wù)，承載各種潛在的鐵路無線通信業(yè)務(wù)，包括列車綜合監(jiān)控、列車智能感知、車內(nèi)旅客服務(wù)、公網(wǎng)旅客服務(wù)等[2]，如圖1所示。

2.1 列控業(yè)務(wù)

LTE-R系統(tǒng)完全可以滿足現(xiàn)有的包括CTCS-3列控、無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護維修組通信、列車診斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿男枨?。在此基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)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(shè)備的處理壓力。提供下行ATP數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測日志通道，實現(xiàn)ATP軟件的遠程升級。

2.2 列車綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)

利用LTE-R系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)率的特性，將視頻、音頻、傳感等多種媒介的列車監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳給地面端，完成對列車更為智能的控制。

1）傳遞ATP設(shè)備視頻信息，一方面進行設(shè)備故障監(jiān)控，防止災(zāi)害，另一方面可以遠程指導(dǎo)維修。

2）傳遞輪軌狀態(tài)、設(shè)備電流、風(fēng)壓、鋼軌應(yīng)力、牽引供電系統(tǒng)狀態(tài)、變電所綜合自動化信息、SCADA信息、供電設(shè)備自診斷信息、高速接觸網(wǎng)檢測信息，實現(xiàn)列車運行狀態(tài)的監(jiān)控。信息由裝置在設(shè)備上的感應(yīng)獲取，通過車內(nèi)分布式無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息，機車司機隨時可以查詢、反饋設(shè)備工作狀態(tài)。同時將監(jiān)控信息實時回傳給地面，地面端的監(jiān)控中心通過實時分析、處理列車監(jiān)控數(shù)據(jù)，分析列車運行狀態(tài)，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(jiān)控車廂環(huán)境狀態(tài)，保證旅客安全。

4）傳遞司機的音頻或指紋信息，實現(xiàn)司機資格認證。

5）通過傳感器回傳數(shù)據(jù)實現(xiàn)物流監(jiān)控服務(wù)。

2.3 車內(nèi)旅客服務(wù)

借助LTE-R系統(tǒng)的寬帶特性，車內(nèi)分布覆蓋系統(tǒng)，為車內(nèi)旅客提供信息推送服務(wù)，包括車內(nèi)多媒體娛樂、遠程點餐、乘務(wù)員呼叫、遠程購票等服務(wù)，提升鐵路系統(tǒng)的總體服務(wù)質(zhì)量。

2.4 公網(wǎng)用戶服務(wù)

利用LTE-R系統(tǒng)在鐵路專用業(yè)務(wù)以外的富余無線帶寬，為車內(nèi)2G、3G和LTE用戶提供無線覆蓋，提升車內(nèi)公網(wǎng)旅客的服務(wù)質(zhì)量，節(jié)省公網(wǎng)系統(tǒng)在鐵路沿線的覆蓋成本。

公網(wǎng)用戶的服務(wù)可以通過在車廂內(nèi)建立公共通信網(wǎng)絡(luò)的車載分布覆蓋系統(tǒng)實現(xiàn)。該架構(gòu)需要引入車載路由器與地面網(wǎng)關(guān)單元兩個通信實體，建立2G、3G、WIFI等無線系統(tǒng)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(nèi)分布覆蓋系統(tǒng)實現(xiàn)旅客的端對端服務(wù)，而LTE-R系統(tǒng)作為車內(nèi)分布覆蓋系統(tǒng)的回傳通道保證了旅客服務(wù)的需求。

3 LTE技術(shù)研究現(xiàn)狀

LTE系統(tǒng)已經(jīng)在公網(wǎng)上有了近10年的深入研究與4年的應(yīng)用部署，因此已經(jīng)具備大量的技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)，可以保障基于LTE-R系統(tǒng)的商用進程。

3.1 LTE標準的制定

LTE技術(shù)是改進并增強了3G的空中接入技術(shù)，具有100 Mbit/s的數(shù)據(jù)下載能力，被視作從3G向4G演進的主流技術(shù)。早在2004年，3GPP組織已經(jīng)發(fā)起歐洲地面無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（UTRAN）的LTE技術(shù)的研究。2008年底形成第一個可以商用的LTE系統(tǒng)release 8版本，支持在靜態(tài)環(huán)境下下行傳輸100 Mbit/s、上行50 Mbit/s速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。2009年底，第二個商用版本release 9凍結(jié)，靜態(tài)下支持速率進一步提升至下行300 Mbit/s。LTE標準規(guī)范，對系統(tǒng)網(wǎng)元組成與功能、主要參數(shù)指標、系統(tǒng)內(nèi)部與外部接口、測試方法等內(nèi)容做出了較為詳細的規(guī)定。LTE的標準化為未來LTE系統(tǒng)的規(guī)范化、設(shè)備互聯(lián)互通奠定基礎(chǔ)，也促進了未來LTE-R的發(fā)展。

3.2 LTE系統(tǒng)研發(fā)

LTE標準按照系統(tǒng)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，F(xiàn)DD制式發(fā)展更快，在2008年已經(jīng)有R8版本的設(shè)備商用，目前設(shè)備已經(jīng)支持R11版本。

TDD制式由于其靈活的上下行帶寬調(diào)整能力，非常適用于在鐵路上下行業(yè)務(wù)量變化大的應(yīng)用場景。我國TDD制式的LTE系統(tǒng)發(fā)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(shè)備與核心網(wǎng)設(shè)備研發(fā)基本完成。包括華為、中興、愛立信、諾西等廠商的設(shè)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(wǎng)測試及試商用。TD-LTE終端發(fā)展略微滯后，當(dāng)前僅有R8版本的測試終端芯片，但預(yù)計滿足商業(yè)要求的TD-LTE終端能夠在2013年實現(xiàn)量產(chǎn)。

3.3 LTE系統(tǒng)測試工具與技術(shù)

由于LTE技術(shù)發(fā)展迅速，也加速了設(shè)備與系統(tǒng)性能測試技術(shù)成熟。到目前為止，羅德施瓦茨、安利、安捷倫等公司都已經(jīng)開發(fā)了LTE一致性測試系統(tǒng)，保證了開發(fā)系統(tǒng)符合LTE標準規(guī)范，設(shè)備性能滿足公網(wǎng)場景要求，保證多家廠商系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

4 LTE-R關(guān)鍵技術(shù)研究

由于LTE-R鐵路無線通信網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)與LTE公網(wǎng)存在差異，其網(wǎng)絡(luò)部署與規(guī)劃的方法需要考慮到鐵路業(yè)務(wù)的安全性。未來LTE-R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在車頂部署LTE終端，在車廂內(nèi)是各種制式的無線系統(tǒng)微基站，通過LTE網(wǎng)絡(luò)將車廂內(nèi)各種制式的業(yè)務(wù)回傳。該架構(gòu)的優(yōu)勢：只需要在LTE系統(tǒng)上使用鐵路專有的傳輸技術(shù)來提升傳輸速率，而其他制式網(wǎng)絡(luò)仍然可以沿用公網(wǎng)設(shè)備。

4.1 支撐新型鐵路業(yè)務(wù)的傳輸技術(shù)

未來鐵路有大量潛在通信業(yè)務(wù)需要開展，如視頻監(jiān)控、旅客多媒體服務(wù)，因此對LTE-R系統(tǒng)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(tǒng)需要提出支撐鐵路業(yè)務(wù)的傳輸技術(shù)，并根據(jù)驗證結(jié)果規(guī)范鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的QoS指標，保證LTE-R系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的性能。具體而言，在LTE-R需要對如下幾個傳輸技術(shù)進行改進。

1）更適用鐵路場景的上下行配比設(shè)置。在公網(wǎng)LTE系統(tǒng)中，承載業(yè)務(wù)絕大部分在下行信道傳輸。在LTE-R鐵路無線通信網(wǎng)中，列車綜合監(jiān)測和列車智能感知等數(shù)據(jù)需要占用大量上行信道帶寬。要求LTE-R系統(tǒng)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?shù)男枨蟆?/p>

2）上行鏈路自適應(yīng)提升技術(shù)。LTE-R系統(tǒng)對上行吞吐率的需求遠高于現(xiàn)有LTE系統(tǒng)中的上行業(yè)務(wù)，需要考慮使用更為有效的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，提升上行傳輸能力。

3）鐵路業(yè)務(wù)的復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)。為了支持各種無線業(yè)務(wù)的傳輸，需要在LTE項目研發(fā)的車內(nèi)分布式覆蓋系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為車載路由器增加對鐵路專用業(yè)務(wù)的復(fù)用功能，回傳給地面LTE-R地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行解復(fù)用。同時在車載路由器中植入支持各類鐵路業(yè)務(wù)QoS需求的調(diào)度算法。

4）鐵路業(yè)務(wù)QoS等級差分技術(shù)。在鐵路上，公網(wǎng)LTE系統(tǒng)通常只需要支持旅客的語音、視頻、數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務(wù)，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(yè)務(wù)QoS需求存在巨大差異，如列控業(yè)務(wù)相比公網(wǎng)業(yè)務(wù)的QoS需求更加苛刻，調(diào)度電話等業(yè)務(wù)相比普通電話呼叫需要有更高的優(yōu)先級。因此LTE-R系統(tǒng)需要提出與承載業(yè)務(wù)相應(yīng)的QoS差分機制與資源分配算法，保證各種復(fù)用情況下各類業(yè)務(wù)的QoS性能。

5）組呼與語音廣播技術(shù)。在HSS網(wǎng)元中添加組呼的組信息與廣播信息與呼叫控制功能，實現(xiàn)類似GSM-R系統(tǒng)的GLR功能。

4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，LTE-R系統(tǒng)需要在以下幾個方向進行研究，以適應(yīng)鐵路無線通信網(wǎng)需求。

1）在鐵路無線通信網(wǎng)中有調(diào)度電話、組呼等語音通信的需求，由于LTE系統(tǒng)的核心網(wǎng)采用包交換復(fù)用方式，無法提供在電路交換的支持語音業(yè)務(wù)能力，需要將2G語音回落模塊、IMS等支持電路域交換的LTE網(wǎng)元（在移動的LTE測試中均未使用）引入實驗室測試環(huán)境。

2）需考慮與GSM-R的連接。為了完成和GSM-R系統(tǒng)之間的過渡，需要添加SGSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)GSM-R與LTE-R系統(tǒng)間的切換。

3）RRU網(wǎng)元設(shè)備的架設(shè)方案的研究。由于LTE系統(tǒng)分配的頻點明顯高于GSM-R系統(tǒng)，信號的車體穿透特性顯著降低，同時高階調(diào)制編碼傳輸?shù)男鸥杀纫箫@著增高。為實現(xiàn)車內(nèi)用戶的覆蓋，必須綜合選擇RRU網(wǎng)元的級聯(lián)部署與星形部署方案，保證系統(tǒng)的平滑切換。

4.3 GSM-R網(wǎng)絡(luò)向LTE-R平滑過渡

LTE-R完全取代現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)有較長的過渡時期。LTE與GSM系統(tǒng)均由3GPP組織提出，在制定標準時已經(jīng)充分考慮了兩者的互聯(lián)互通特性。在過渡時期，LTE-R系統(tǒng)需要與GSM-R進行互聯(lián)互通，保證網(wǎng)絡(luò)用戶的冗余覆蓋。同時，應(yīng)研究LTE-R系統(tǒng)作為GSM-R的備份通道，后備GSM-R承載列控業(yè)務(wù)的方案，以此提升在GSM-R系統(tǒng)向LTE-R系統(tǒng)過渡時的承載列控業(yè)務(wù)的可靠性。

5 結(jié)論

本文介紹了鐵路無線通信網(wǎng)中潛在的車地、地地寬帶通信業(yè)務(wù)，闡述了未來建立LTE制式的寬帶無線鐵路無線通信網(wǎng)的必要性。同時提出建立寬帶鐵路無線通信網(wǎng)需要解決的技術(shù)問題，為LTE-R制式寬帶鐵路上的構(gòu)建提出技術(shù)演進的建議。希望通過本文介紹的LTE-R系統(tǒng)應(yīng)用場景與關(guān)鍵技術(shù)，為未來LTE-R設(shè)備研發(fā)，以及我國LTE-R系統(tǒng)標準化、商用化起到一定的指導(dǎo)意義。

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

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