鐵路下一代移動通信系統(tǒng)（LTE-R）技術(shù)指標(biāo)體系研究

李 莉（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

近十年來，隨著我國鐵路的快速發(fā)展，GSM-R系統(tǒng)在青藏高原鐵路、大秦重載鐵路、京滬高速鐵路、鄭西客運專線等線路上得到廣泛應(yīng)用。然而，伴隨著眾多鐵路新業(yè)務(wù)需求的涌現(xiàn)，比如：列車視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、列車實時監(jiān)控業(yè)務(wù)等，對鐵路移動通信系統(tǒng)提出更高的要求，需要其能夠提供更大的帶寬、更低的時延。

GSM-R作為第二代移動通信技術(shù)，屬于窄帶通信系統(tǒng)，頻譜利用率較低，主要承載話音業(yè)務(wù)和少量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)速率較低，一般僅為2 400～9 600 bit/s，即使采用GPRS技術(shù)，數(shù)據(jù)速率也僅能達(dá)到一百多kbit/s。這使得在現(xiàn)有GSM-R平臺上開拓各種新業(yè)務(wù)，特別是對帶寬需求較高的業(yè)務(wù)，難度非常大。

另一方面，隨著公眾移動通信網(wǎng)從2G向3G、4G方向發(fā)展，GSM市場正在逐步萎縮。GSM-R設(shè)備生產(chǎn)商已經(jīng)紛紛表示將在2025年左右停止相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，GSM-R向鐵路下一代移動通信系統(tǒng)演進已成大勢所趨。國際鐵路聯(lián)盟（U IC）也已經(jīng)著手進行鐵路下一代通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

正是在這樣的形勢和背景下，鐵道部組織開展了“鐵路下一代移動通信系統(tǒng)總體技術(shù)研究”科研項目，開啟對鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的研究工作。

李莉，女,碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，工程師。主要研究方向包括LTE系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用、GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計集成等，曾參與《基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用驗證》、《鐵路下一代移動通信總體技術(shù)研究》、《CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范》、武廣客專、京滬客專等項目。

2 鐵路下一代移動通信系統(tǒng)制式選擇

目前公眾移動通信和一些發(fā)達(dá)國家鐵路主要采用的移動通信制式包括：第三代移動通信技術(shù)（3G）、W i-Fi技術(shù)、W iM AX技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和LTE技術(shù)。

3G系統(tǒng)是相對于第一代（1G）與第二代（2G）移動通信系統(tǒng)而言的寬帶移動通信系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸速率上有了很大的提升，最高可以支持2 M b it/s的速率，而3.5G技術(shù)—高速分組接入技術(shù)最高達(dá)到5.76 Mbit/s速率。

W i-F i是一種無線局域網(wǎng)技術(shù)，主要為個人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機）等提供無線寬帶連接。W i-F i傳輸速率最高可達(dá)54 M b it/s、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低；然而由于使用免授權(quán)頻段，W i-F i容易受到其他系統(tǒng)的干擾，通信質(zhì)量難以保證，對移動性支持較差 、安全性較差。

W iM A X是一種寬帶無線城域網(wǎng)技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。W iM A X具有高Qo S保障、傳輸速率高（最高可達(dá)70 M b it/s）、傳輸距離遠(yuǎn)（最高可達(dá)50 km）等優(yōu)點。然而W iMAX對移動性支持較差，主要針對游牧或低速移動狀態(tài)下的數(shù)據(jù)接入，解決熱點覆蓋。

衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼，將地面上無線通信站發(fā)來的信號經(jīng)過放大、移頻后轉(zhuǎn)發(fā)給地面無線通信站，從而實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信。衛(wèi)星通信具有通信范圍大、傳輸頻帶寬，通信容量大、通信穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、組網(wǎng)方便等優(yōu)點。然而衛(wèi)星通信也存在傳輸時延大、終端體積較大，通信成本高等缺點。

LTE技術(shù)是3GPP組織為應(yīng)對新業(yè)務(wù)的需求，以及W iM AX等無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn)而提出的新一代寬帶移動通信技術(shù)。與3G相比，LTE更具有技術(shù)優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為頻譜利用率高、數(shù)據(jù)速率高、載波帶寬靈活可變、覆蓋范圍廣和業(yè)務(wù)實時性好。目前，LTE系統(tǒng)已在全球范圍內(nèi)展開商用和試驗。據(jù)全球移動設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會統(tǒng)計，截至2012年6月4日，已經(jīng)推出LTE商用服務(wù)的運營商有80家。國內(nèi)也已開展TD-LTE系統(tǒng)的試驗和驗證工作，大致分為概念驗證、外場技術(shù)研發(fā)試驗、外場規(guī)模試驗等幾個階段。

相比于其他4種備選技術(shù)，LTE作為當(dāng)前移動通信發(fā)展方向，采用了大量最新的研究成果，在對高速率、低時延、高速移動、安全性等方面的支持都較為符合鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的需求。就產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，LTE作為公眾移動通信的發(fā)展方向已成為共識，得到了國家以及各大運營商和設(shè)備制造商的支持，具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈。采用LTE技術(shù)作為鐵路下一代移動通信系統(tǒng)，風(fēng)險較小。而且U IC已經(jīng)確定鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的演進路線將跨越3G技術(shù)，直接由GSM-R技術(shù)向LTE發(fā)展。

綜合技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和國際發(fā)展趨勢，選擇LTE技術(shù)作為我國鐵路下一代移動通信系統(tǒng)發(fā)展方向是合理的選擇。為簡化表示，鐵路下一代移動通信系統(tǒng)以LTE-R代替。

3 LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)研究

通過對3GPP標(biāo)準(zhǔn)的研究及國內(nèi)外測試工作的總結(jié)，本文將LT E-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)劃分為3類，即系統(tǒng)指標(biāo)、業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)。分別從系統(tǒng)設(shè)計角度、業(yè)務(wù)角度、網(wǎng)絡(luò)角度提出技術(shù)指標(biāo)。LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)指標(biāo)

3.1.1 系統(tǒng)帶寬

LTE系統(tǒng)支持1.4、3、5、10、15 MH z和20 MH z帶寬，同時支持在成對和非成對頻段上部署。根據(jù)對未來鐵路業(yè)務(wù)的初步估計，高速鐵路近期（2025年以前）主要滿足鐵路運營需要，帶寬需求至少為15 M H z（TDD）、上下行各6 M H z（FDD）。

3.1.2 頻段

關(guān)于LTE-R頻段方面，結(jié)合3GPP對E-UTRA頻段的建議和我國無線電管理委員會整體的頻率規(guī)劃，研究E-U TRA頻段中我國的規(guī)劃及目前開展的業(yè)務(wù)，為LTE-R系統(tǒng)選擇合適的頻段。

表1 針對E-UTRA建議頻段我國規(guī)劃和使用情況

結(jié)合表1的分析，未來我國LTE-R系統(tǒng)若采用TDD制式，可能會遵從產(chǎn)業(yè)化的需要，室外選擇2.6 GH z頻段或1.9 GH z頻段，室內(nèi)選擇2.3 GH z頻段，也有可能申請更低的頻段，但受制于政策及廠家的支持度。LTE-R系統(tǒng)若采用FDD制式，3GPP建議的700 MH z頻段目前為廣電使用，800 M H z頻段主要為CDM A、GSM使用，但尚存在一些空閑頻段，故可能選擇的頻段是800 M H z或1.4 GH z附近頻段或1.7 GH z附近頻段。若從國家對專網(wǎng)的一些頻段劃分傾向來看，LTE-R系統(tǒng)可能選擇1.4 GH z（1 447 ～ 1 467 MH z）或 1.8 GH z（1 785 ～1 805 MHz）頻段。

總之，建議LTE-R系統(tǒng)在我國可用頻段上盡量爭取低頻段資源，如800 M H z頻段或1.4 GH z頻段。

3.1.3 峰值傳輸速率和峰值頻譜效率

LTE系統(tǒng)對峰值傳輸速率和峰值頻譜效率的性能要求如下。

下行峰值傳輸速率應(yīng)>100 M b it/s（FDD，在20 MHz帶寬，2×2空分復(fù)用條件下）。

下行峰值頻譜效率>5 b it/s/H z（FDD，在20 MHz帶寬，2×2空分復(fù)用條件下）。

上行峰值傳輸速率應(yīng)>50 M b it/s（FDD，在20 MH z帶寬，單天線傳輸條件下）。

上行峰值頻譜效率>2.5 b it/s/H z（FDD，在20 MHz帶寬，單天線傳輸條件下）。

上述是針對上行、下行各采用20 M H z帶寬情況下性能指標(biāo)的要求，在TDD模式下，上、下行共享20 M H z帶寬，不必同時達(dá)到上述上、下行的要求。

LTE-R系統(tǒng)對此指標(biāo)的要求與LTE系統(tǒng)相同。

3.1.4 移動性

LTE-R系統(tǒng)要求在低速場景（0～15 km/h）系統(tǒng)性能非常好，在較高速場景（15～120 km/h）能實現(xiàn)較好性能，能支持在350 km/h，甚至500 km/h時速下的通信。

3.2 業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)

LTE系統(tǒng)中業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)包括服務(wù)質(zhì)量等級指示（QC I）、分配與保持優(yōu)先級（ARP）、保證比特速率（GBR）、最大比特速率（M BR）和聚合最大比特速率（AM BR）。其中，QC I是最重要的參數(shù)，LTE標(biāo)準(zhǔn)中將QCI劃分為9個等級，每種等級定義如表2所示。根據(jù)鐵路業(yè)務(wù)特點，確定每種鐵路業(yè)務(wù)的QCI，如表2所示。

表2 QCI屬性

3.3 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)

3.3.1 覆蓋

實際組網(wǎng)時，覆蓋范圍主要取決于邊緣用戶速率的大小需求，如500 kbit/s、1 Mbit/s、2 Mbit/s等，不同的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率的解調(diào)門限不同，導(dǎo)致覆蓋半徑也不同，因此確定合理的目標(biāo)速率后，才能得到準(zhǔn)確的覆蓋。LTE系統(tǒng)中覆蓋指標(biāo)主要包含RSRP和RS-SINR。

1）RSRP

RSRP表示接收信號強度的絕對值，一定程度上可反映移動臺距離基站的遠(yuǎn)近，因此這個值可以用來度量小區(qū)覆蓋范圍大小。RSRP是承載小區(qū)參考信號RE上的線性平均功率。

2）RS-SINR

RS-SINR指UE在RS信道上測量的信噪比，是指示信道質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。RS-SINR在終端定義為RS有用信號與干擾（或噪聲或干擾加噪聲）相比強度，由UE測量得到。

參考國內(nèi)TD-LTE試驗網(wǎng)的測試情況，建議LTE-R系統(tǒng)覆蓋指標(biāo)要求如下。

RSRP： RSRP>-110 dBm的面積占90%以上。

空載條件下RS-SINR：大于5 d B的面積占90%以上。

滿載條件下RS-SINR：大于-3 d B的面積占90%以上。

3.3.2 容量

1）小區(qū)平均吞吐量

小區(qū)平均吞吐量是以小區(qū)為單位統(tǒng)計的吞吐量。結(jié)合未來鐵路業(yè)務(wù)需求及LTE系統(tǒng)測試情況，LTE-R系統(tǒng)容量要求如下。

在0～120 km/h場景、20 MH z帶寬條件下，小區(qū)上下行平均吞吐量要達(dá)到60 Mbit/s。

在120～350 km/h場景、20 M H z帶寬條件下，小區(qū)上下行平均吞吐量要達(dá)到40 Mbit/s。

2）邊緣用戶吞吐量

結(jié)合未來鐵路業(yè)務(wù)需求及LTE系統(tǒng)測試結(jié)果，LTE-R系統(tǒng)上下行邊緣用戶吞吐量的目標(biāo)是1 Mbit/s。

3）VoIP用戶數(shù)

Vo IP用戶數(shù)表示系統(tǒng)對語音業(yè)務(wù)的支持能力。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)在20 MH z帶寬，每扇區(qū)VoIP的最大用戶數(shù)應(yīng)達(dá)到400個。

4）同時在線并發(fā)（激活）用戶數(shù)

同時在線并發(fā)（激活）用戶數(shù)取決于LTE協(xié)議字段的設(shè)計和設(shè)備能力。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)在20 M H z帶寬內(nèi)，單小區(qū)應(yīng)能提供超過1 200個“最大同時在線用戶數(shù)”的能力。

5）同時調(diào)度的用戶數(shù)

同時調(diào)度的用戶數(shù)指的是一個TT I內(nèi)可以同時得到調(diào)度，傳輸數(shù)據(jù)的用戶數(shù)。該指標(biāo)受限于上下行控制信道的配置。采用動態(tài)調(diào)度時，一個TT I能同時調(diào)度的用戶數(shù)約70個。

3.3.3 其他指標(biāo)

1）附著成功率

終端附著到網(wǎng)絡(luò)需經(jīng)歷以下幾個步驟：開機后小區(qū)搜索、隨機接入、RRC連接建立以及附著與EPS默認(rèn)承載建立，這些步驟后能傳送用戶數(shù)據(jù)，則附著才算成功。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的附著成功率要求≥99%。

2）RRC連接建立成功率

RRC連接建立成功率指終端發(fā)起RRC連接建立請求并成功建立連接的次數(shù)與終端發(fā)起RRC連接建立請求總次數(shù)之比，RRC連接成功后，U E從IDLE狀態(tài)轉(zhuǎn)為CONNECTED狀態(tài)。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的RRC連接建立成功率要求≥99%。

3）尋呼成功率

尋呼成功率等于尋呼成功次數(shù)與EPC發(fā)起尋呼請求總次數(shù)比值。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的尋呼成功率要求≥99%。

4）RRC連接異常掉線率

對處于RRC連接狀態(tài)的用戶，存在由于eNB異常釋放U E RRC連接的情況，這種概率表示基站RRC連接保持性能，一定程度上反映用戶對網(wǎng)絡(luò)的感受。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的RRC連接異常掉線率要求≤5%。

5）切換成功率

切換成功率包括eNodeB內(nèi)切換成功率、X 2口切換成功率、S1口切換成功率。

切換成功率等于切換成功次數(shù)與切換嘗試次數(shù)的比值。高速鐵路移動通信對切換成功率要求較高，LTE-R系統(tǒng)各種切換成功率均應(yīng)≥99.5%。

6）控制面時延

LTE系統(tǒng)主要有兩種狀態(tài)，即“RRC_IDLE”（空閑狀態(tài)）和“RRC_CONNECT”（激活狀態(tài)），從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間應(yīng)小于100 m s。LTE-R系統(tǒng)要求與LTE系統(tǒng)相同。

7）用戶面時延

用戶平面時延指U E（或RAN邊緣節(jié)點）發(fā)送IP層數(shù)據(jù)到RAN邊緣節(jié)點（或U E）的單向傳輸時延。在無負(fù)載的小IP包（僅有IP包頭，無負(fù)載）情況下，時延應(yīng)小于5 m s。LTE-R系統(tǒng)要求與LTE系統(tǒng)相同。

4 結(jié)論

在下一代移動通信系統(tǒng)研究的背景下，本文對比分析得出鐵路下一代移動通信系統(tǒng)適宜采用的制式，即LTE，在此制式下，結(jié)合公網(wǎng)LTE系統(tǒng)應(yīng)用情況及鐵路特殊業(yè)務(wù)和環(huán)境需求，明確了LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系，包括3大類，即系統(tǒng)指標(biāo)、業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)體系的建立為我國LTE-R系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)等工作提供了一定的參考作用，其中的帶寬需求和頻段建議為盡早開展鐵路下一代移動通信系統(tǒng)頻率申請工作提供了依據(jù)。

但應(yīng)注意到，文中提出的指標(biāo)建議僅基于目前的研究成果，今后還要結(jié)合LTE關(guān)鍵技術(shù)在鐵路的適用性、下一代鐵路的業(yè)務(wù)需求對技術(shù)指標(biāo)展開深入研究；另一方面，要通過搭建LTE-R試驗網(wǎng)，獲得真實鐵路環(huán)境下LTE-R系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

[1] 3GPP TR 25.913 V9.0.0 Requirements for Evolved UTRA（E-UTRA） and Evolved UTRAN（E-UTRAN）[S].

[2] UIC LTE/SAE-The Future Railway Mobile Radio System Technical Report[R].2009.

[3] TD-SCDMA研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目專家組TD-LTE工作組.TD-LTE研究開發(fā)技術(shù)試驗—外場關(guān)鍵技術(shù)測試規(guī)范（V2.0）.

[4] GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)總體技術(shù)要求.