我國高速鐵路通信系統(tǒng)更新的趨向

劉建強(qiáng)

Lanzhou Jiaotong University，Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control Ministry of Education ?Liu Jianqiang

【摘要】隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，原有的GSM-R鐵路專用通信系統(tǒng)在很多方面已經(jīng)無法滿足需求。本文從GSM-R的主要功能及面臨的問題出發(fā)，提出了對LTE-R的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展情況。

【關(guān)鍵詞】高鐵通信;GSM-R;LTE-R;趨向

Abstract：With the rapid development of China's high-speed rail，the original GSM-R railway communication system in many ways has been unable to meet the demand.In this paper，the problem of the main functions of GSM-R and faces，this paper presents the technical characteristics and the development of LTE-R's.

Keywords：High Speed;Rail Communications;GSM-R;LTE-R;Trend

1.引言

鐵道部在20世紀(jì)初將GSM-R系統(tǒng)作為我國發(fā)展鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要發(fā)展方向，到目前為止，它成為我國鐵路運(yùn)營商采用最廣泛的鐵路通信語言。

雖然，GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)在我國大面積普及，但是此系統(tǒng)帶寬太窄，頻譜利用較低，已經(jīng)無法滿足未來高速鐵路的通信需求。因此建立一個(gè)功能更加完善，技術(shù)構(gòu)成更加先進(jìn)的鐵路通信網(wǎng)被提上了議程。考慮到未來高速鐵路移動(dòng)通信的總體需求，國際鐵路聯(lián)盟（UIC）在2010年l2月召開的第七屆世界高速鐵路大會上，明確指出：高速鐵路移動(dòng)通信長期演進(jìn)采用鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)（LTE-R）技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略[1]。我國高速鐵路通信也將跟隨世界腳步，從2G的GSM-R直接跨越到4G的LTE—R通信。

2.GSM—R無線通信系統(tǒng)的主要功能及面臨的問題

2.1 GSM—R無線通信系統(tǒng)的主要功能

對于鐵路而言，可靠高效的鐵路專用通信系統(tǒng)是鐵路發(fā)展的前提，在分析了世界鐵路技術(shù)裝備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，且結(jié)合中國鐵路運(yùn)輸實(shí)際情況和需要的基礎(chǔ)上，鐵道部在20世紀(jì)初期確定了GSM-R系統(tǒng)作為我國發(fā)展鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要技術(shù)體制。

現(xiàn)有的GSM-R無線通信系統(tǒng)是傳統(tǒng)鐵路450MHz無線列調(diào)系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。GSM-R無線通信系統(tǒng)包含有調(diào)度通信、鐵路緊急救援移動(dòng)通信、高速數(shù)字通信、自動(dòng)列車控制（CTCS）、平面調(diào)車、遠(yuǎn)程控制、軌道維護(hù)移動(dòng)服務(wù)、尾部風(fēng)壓檢測、區(qū)間移動(dòng)通信、旅客列車綜合移動(dòng)信息服務(wù)等主要功能，它既能夠滿足調(diào)車編組作業(yè)、車地通信等語音通信的需求，也支持列車調(diào)度、列車控制等運(yùn)營作業(yè)，進(jìn)一步保障了鐵路的運(yùn)行安全。

2.2 GSM—R無線通信系統(tǒng)面臨的新問題

盡管GSM-R無線通信系統(tǒng)在國外被廣泛的應(yīng)用，然而在引進(jìn)我國之后就要面對我國鐵路速度快、密度高、電磁干擾嚴(yán)重以及列車運(yùn)行環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜等問題，而且GSM的無線通信容量小、帶寬窄以及技術(shù)制式自身的限制，使得GSM-R通信系統(tǒng)作為我國最主要鐵路通信系統(tǒng)面臨著很多的挑戰(zhàn)。

20世紀(jì)初到現(xiàn)在的研究以及在鐵路上的應(yīng)用情況表明，GSM-R通信系統(tǒng)存在以下幾方面的問題：

（1）系統(tǒng)對車地通信的適應(yīng)性的優(yōu)化不夠完善。GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)呈區(qū)域覆蓋包括大區(qū)制和小區(qū)制。大區(qū)制覆蓋容易受山丘、樹林和建筑物陰影影響;小區(qū)制存在同頻道干擾、越區(qū)切換難度大、建網(wǎng)成本高等缺點(diǎn)。當(dāng)列車高速通過大區(qū)制信號不好的范圍或在小區(qū)制進(jìn)行越區(qū)切換時(shí)，都容易造成通信中斷或通信質(zhì)量降低等不良后果。

（2）系統(tǒng)的抗干擾能力還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，在使用GSM-R無線通信系統(tǒng)的一些線路上，多趟列車因信號系統(tǒng)自動(dòng)防護(hù)功能作用而產(chǎn)生緊急制動(dòng)，列車再次起動(dòng)后只能維持低速運(yùn)行。造成此事件的原因是GSM-R無線通信信號受到來自外界不明因素的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生安全保護(hù)。經(jīng)證實(shí)廣播電臺、航空通信系統(tǒng)以及電磁波等都會對鐵路通信系統(tǒng)造成干擾。因此，必須通過技術(shù)的改進(jìn)來保證列車的高效、安全運(yùn)行。

（3）進(jìn)一步完善我國GSM-R標(biāo)準(zhǔn)體系。UIC制定的GSM-R技術(shù)規(guī)范分別從功能和性能角度規(guī)定了：綜述、網(wǎng)絡(luò)需求（業(yè)務(wù)）、網(wǎng)絡(luò)配置（覆蓋、網(wǎng)絡(luò)選擇、對呼叫建立時(shí)間的需求、廣播呼叫和組呼區(qū)域）、移動(dòng)設(shè)備核心規(guī)范、機(jī)車臺、通用電臺、運(yùn)營電臺、調(diào)度臺、值班員設(shè)備規(guī)范、編號方案、用戶管理、功能編號和與位置有關(guān)的尋址、文本消息、鐵路緊急呼叫、調(diào)車作業(yè)模式、直通模式15個(gè)方面的內(nèi)容[2]。但是，我國鐵路環(huán)境復(fù)雜、列車繁忙程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于世界水平以及GSM-R監(jiān)測系統(tǒng)很少，這些都要求我國的GSM-R技術(shù)規(guī)范要在UIC規(guī)定的規(guī)范的基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)以符合自身國情。

（4）系統(tǒng)的安全性應(yīng)進(jìn)一步提高。無線通信網(wǎng)絡(luò)中存在各種不安全因素，如無線竊聽、身份假冒、篡改數(shù)據(jù)和服務(wù)后抵賴等等[3]。GSM-R鐵路通信系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)絡(luò)的，因此也存在上述的不安全因素。GSM-R的關(guān)鍵設(shè)備包括MSC（移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心）、BSC （基站控制器）等，它的可靠性和安全性影響著整個(gè)鐵路運(yùn)輸。然而，目前國內(nèi)GSM-R無線通信系統(tǒng)基本都采用電路交換，MSC發(fā)生故障，會影響一個(gè)鐵路局的列車運(yùn)行，而BSC發(fā)生故障，則會影響范圍內(nèi)所有列車的運(yùn)行秩序。因此，要提高M(jìn)SC、BSC等關(guān)鍵設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠。

（5）提高系統(tǒng)運(yùn)營管理水平。雖然GSM-R在國外穩(wěn)定運(yùn)行很多年，但是引入我國的時(shí)間并不長，再加上我國復(fù)雜的鐵路運(yùn)營環(huán)境，對系統(tǒng)管理人員的能力提出了更高的要求。對此，在以后的鐵路運(yùn)營過程中，必須要根據(jù)我國鐵路的實(shí)時(shí)情況對管理人員提出不同的要求

（6）系統(tǒng)傳輸、交換視頻信息能力不足。GSM-R是基于2G標(biāo)準(zhǔn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，通信容量小，上下行頻段分別為885～889MHz、930～934MHz，同時(shí)帶寬窄僅為4MHz，無法滿足未來信息傳輸容量大、速度快等要求，用來傳輸鐵路上大量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)視頻略顯不足。

3.高速鐵路無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向

由于GSM-R無線通信系統(tǒng)不能完全滿足高速列車的運(yùn)行安全，世界各國都開始進(jìn)行下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究。將3G無線網(wǎng)引入高速鐵路的GSMR-C通信系統(tǒng)是下一代鐵路無線通信系統(tǒng)的規(guī)劃內(nèi)容之一。GSMR-C的軟切換等技術(shù)和原本的GSM-R系統(tǒng)互補(bǔ)，提高了切換速度，可以進(jìn)一步保障鐵路通信系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。但是，國際鐵路聯(lián)盟（UIC）已經(jīng)明確表示，GSM-R無線通信系統(tǒng)將直接過渡到大容量、高帶寬、多功能的LTE-R專用寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)。第七屆世界高速鐵路大會之后我國明確表示將直接升級到LTE-R專用寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)。

4.LTE—R鐵路專用通信系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

（1）以O(shè)FDM和MIMO為技術(shù)核心，提高了通信速率和頻譜效率，在20MHz帶寬內(nèi)能達(dá)到的上下行峰值速率分別為100Mbit/s和50Mbit/s，對應(yīng)的上下行頻譜效率分別為5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz。

（2）系統(tǒng)部署靈活，可支持成對或非成對頻譜，在1.25MHz和20MHz的帶寬內(nèi)，提供多種配置。

（3）降低了系統(tǒng)延遲，用戶平面時(shí)延低于5ms，控制平面時(shí)延低于100ms。

（4）能改善小區(qū)邊緣用戶性能，提高小區(qū)容量，可支持半徑100km的小區(qū)覆蓋。

（5）很好的向下兼容性，能與2G、3G體系協(xié)同運(yùn)作。

5.LTE—R移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展

2009年3月，LTE進(jìn)入了研發(fā)的實(shí)質(zhì)性階段，其標(biāo)志是R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的確定。這個(gè)版本的LTE是一種“準(zhǔn)4G”標(biāo)準(zhǔn)，它以O(shè)FDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）、MIMO（多入多出技術(shù)）等先進(jìn)的基于物理層的技術(shù)為核心，對3G標(biāo)準(zhǔn)的接口技術(shù)和傳輸技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和增強(qiáng)，其下行速率最高可達(dá)326Mbit/s;它支持頻分復(fù)用技術(shù)（FDD）和時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDD），支持速度最高可達(dá)500km/h。近期，很多國家開始推行R10版本的LTE標(biāo)準(zhǔn)，R10是R8的增強(qiáng)版，理論上峰值速度分別為上行500Mbit/s、下行1Gbit/s，因此，人們叫它LTE-A（LTE-Advanced），也就是所謂的4G技術(shù)。

2010年12月，在第七屆世界高速鐵路大會上，我國明確提出從GSM-R直接過渡到LTE-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，2011年6月，“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(yàn)證”的國家科技重大專項(xiàng)得到了國家的批準(zhǔn)并由中國鐵路通信信號集團(tuán)公司（簡稱中國通號）承擔(dān)。該項(xiàng)目將通過LTE-R寬帶通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)出可實(shí)施的具體方案，以滿足高鐵旅客在數(shù)據(jù)通信和視頻通信方面的要求，比如語音和數(shù)字業(yè)務(wù)、WIFI上網(wǎng)、視頻通信等。

我國針對鐵路通信系統(tǒng)更新的需求，提出了LTE-MAR（Multi-Access system for Railway）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更安全的視頻監(jiān)控、列車高速運(yùn)行時(shí)更好的通信質(zhì)量、高鐵內(nèi)可以無線上網(wǎng)，滿足我國鐵路無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

6.結(jié)束語

在我國高鐵快速發(fā)展的背景下，本文通過分析GSM-R無線通信系統(tǒng)的主要功能和面臨的問題，結(jié)合世界鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展，提出了適合我國高速鐵路通信的LTE-R無線通信系統(tǒng)，明確了它的技術(shù)特點(diǎn)。

但是，本文提到的技術(shù)特點(diǎn)都基于當(dāng)前的研究成果，今后還要結(jié)合我國的具體國情，形成我們真正適合我們自己的鐵路移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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