淺談鐵路無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)發(fā)展

柳小燕

摘 要：闡述了450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)及GSM-R系統(tǒng)構(gòu)成、功能、特點(diǎn)等。分析了當(dāng)前高速鐵路無(wú)線(xiàn)通信存在的主要問(wèn)題，即可用帶寬窄、傳輸速率低、糾錯(cuò)能力弱以及多普勒頻移的影響等，結(jié)合未來(lái)鐵路發(fā)展需求，分析了當(dāng)前需要做的一些關(guān)鍵技術(shù)研究方向，如寬帶信道建模、MIMO技術(shù)、高鐵場(chǎng)景無(wú)線(xiàn)資源管理優(yōu)化以及新的組網(wǎng)技術(shù)等。并結(jié)合這些技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析了鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的演進(jìn)方向和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鐵路；無(wú)線(xiàn)通信；發(fā)展

我國(guó)鐵路無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是從上世紀(jì)50年代開(kāi)始。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。從傳統(tǒng)的單信道模擬通信系統(tǒng)，到現(xiàn)在覆蓋全路的GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。

無(wú)線(xiàn)列車(chē)調(diào)度系統(tǒng)是從上個(gè)世紀(jì)50年代開(kāi)始的，頻率為150M和450M的單、雙工或單雙工兼容的通信系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)，450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)在原有的機(jī)車(chē)、車(chē)站電臺(tái)，調(diào)度所調(diào)度總機(jī)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了調(diào)度命令傳發(fā)器、無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)接收解碼以及編碼器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了TDCS、調(diào)度命令、無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)校核等功能。

我國(guó)于2000年確定采用GSM-R作為我國(guó)鐵路無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展方向，目前我國(guó)鐵路GSM-R系統(tǒng)已建成大約16個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，待建3個(gè)。但是另一方面，隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，GSM-R作為一種窄帶通信系統(tǒng)，無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)鐵路發(fā)展對(duì)寬帶通信的需求，例如列車(chē)診斷與維護(hù)、視頻監(jiān)控、旅客服務(wù)等業(yè)務(wù)，都需在高速列車(chē)與地面之間建立一條寬帶數(shù)據(jù)傳輸通道。

1 450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)及擴(kuò)展系統(tǒng)

1.1 450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)

無(wú)線(xiàn)列車(chē)調(diào)度系統(tǒng)由車(chē)站電臺(tái)、機(jī)車(chē)電臺(tái)、鐵路區(qū)間的弱場(chǎng)中繼設(shè)備（區(qū)間無(wú)線(xiàn)中繼器、光纖真放站、區(qū)間互控電臺(tái)、漏泄電纜等設(shè)備）、手持臺(tái)、調(diào)度總機(jī)和檢測(cè)監(jiān)視等設(shè)備構(gòu)成。

現(xiàn)有采用A、B、C三種制式，實(shí)現(xiàn)了鐵路行車(chē)指揮系統(tǒng)的“大三角”、“小三角”通信業(yè)務(wù)。

1.2 擴(kuò)展業(yè)務(wù)系統(tǒng)

450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)擴(kuò)展業(yè)務(wù)系統(tǒng)是在450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了TDCS機(jī)車(chē)編碼器以及調(diào)度命令接收裝置；地面接收解碼器以及調(diào)度命令無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)控制器。實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)以及調(diào)度命令的傳送。

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)在系統(tǒng)裝備、運(yùn)行等方面有設(shè)備簡(jiǎn)單、制造容易、成本低廉，目前裝備保有量大的特點(diǎn)。但在適應(yīng)鐵路數(shù)字化、智能化方面存在如下問(wèn)題：

設(shè)備型號(hào)、種類(lèi)繁多；頻率分散，制式不一；技術(shù)基礎(chǔ)特別是制式落后，功能擴(kuò)展十分困難；不能組成大網(wǎng)，功能孤立，通話(huà)范圍有限；大三角通信的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；數(shù)據(jù)傳輸可靠程度低。

2 GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)

2.1 GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)

GSM-R是在公網(wǎng)GSM之上，增加鐵路調(diào)度通信功能和高速環(huán)境要素而建立起來(lái)的技術(shù)體制。系統(tǒng)一般由交換子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運(yùn)行與維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）、終端子系統(tǒng)、移動(dòng)智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）、GPRS等組成。

GSM-R支持高級(jí)語(yǔ)音呼叫（ASCI），可以囊括目前各種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)。同時(shí)，可以提供貨運(yùn)信息、車(chē)載旅客信息服務(wù)和其它增值服務(wù)。特別是還滿(mǎn)足了列車(chē)高速運(yùn)行速度下的傳輸列控信息的任務(wù)。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

雖然GSM-R具有安全性與可靠性良好、尋址能力強(qiáng)、功能豐富等突出優(yōu)點(diǎn)。但屬于窄帶通信系統(tǒng)，可用帶寬只有4MHZ，只能提供9.6kbps的電路域數(shù)據(jù)傳輸或者幾十個(gè) kbps分組域數(shù)據(jù)傳輸。因此容量非常有限。

3 當(dāng)前鐵路無(wú)線(xiàn)通信存在的問(wèn)題及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 當(dāng)前鐵路存在的問(wèn)題

隨著高速鐵路的發(fā)展，對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的功能性要求提出了新的需求，首先是地面系統(tǒng)需及時(shí)獲取準(zhǔn)確的高速列車(chē)各類(lèi)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的視頻監(jiān)控、列車(chē)組織以及遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)等功能，其次車(chē)內(nèi)旅客對(duì)無(wú)線(xiàn)寬帶多媒體與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的需求迫切。因此需要建立一套傳輸速率高、時(shí)延低、可靠性高、安全性好的車(chē)地間無(wú)線(xiàn)寬帶接入網(wǎng)來(lái)承載這些業(yè)務(wù)。而鐵路現(xiàn)有的450M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)以及 GSM-R遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足未來(lái)鐵路的發(fā)展需求。

鐵路無(wú)線(xiàn)通信向?qū)拵Оl(fā)展是必然的趨勢(shì)。但GSM-R的應(yīng)用場(chǎng)景不同于公眾網(wǎng)，能夠成功應(yīng)用于公網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)應(yīng)用在高速鐵路環(huán)境時(shí)，會(huì)面臨許多不利因素。主要有以下幾點(diǎn)：

3.1.1 突發(fā)性干擾。寬帶通信可利用的頻譜較寬，獲得的傳輸速率高，受到干擾的可能性也增加。高速鐵路的電磁干擾較為復(fù)雜，電氣化設(shè)備繁多，由電氣設(shè)備產(chǎn)生的各種脈沖干擾和其它電磁干擾將嚴(yán)重影響無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)的性能。

3.1.2 小區(qū)切換。在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)處于通信狀態(tài)的移動(dòng)終端從一小區(qū)移到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，當(dāng)移動(dòng)終端的速度提高后，假設(shè)切換區(qū)大小不變，那么移動(dòng)速度越快則終端穿越切換區(qū)的時(shí)間越短，以至于穿越切換區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)處理切換的最小時(shí)延，則切換過(guò)程無(wú)法完成，導(dǎo)致掉話(huà)。

3.1.3 多普勒擴(kuò)展。較大的多普勒頻移會(huì)使接收端下變頻后的基帶信號(hào)產(chǎn)生頻偏，引起信號(hào)失真。繼而影響信道均衡與相關(guān)解調(diào)的性能，使通信質(zhì)量惡化，甚至掉話(huà)。多普勒頻移還會(huì)對(duì)移動(dòng)終端的小區(qū)切換產(chǎn)生影響，隨著頻偏增加導(dǎo)致移動(dòng)終端的鄰小區(qū)測(cè)量性能下降，當(dāng)頻偏增加到一定程度，移運(yùn)終端對(duì)鄰小區(qū)的測(cè)量出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，導(dǎo)致切換無(wú)法被觸發(fā)。嚴(yán)重的是，當(dāng)窄帶通信變?yōu)閷拵ㄐ藕螅涠鄰叫?yīng)會(huì)更加明顯，當(dāng)不同徑的信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的反射、折射或者散射路線(xiàn)到達(dá)接收端后，每條徑的多普勒頻移均不同，給信號(hào)檢測(cè)造成極大的困難。

3.1.4 無(wú)線(xiàn)信道加劇。在移運(yùn)臺(tái)高速移動(dòng)的情況下，由于移動(dòng)臺(tái)周?chē)姆瓷潴w和散射體快速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)信道時(shí)變加劇。對(duì)于高鐵這種信道時(shí)變特別快的應(yīng)用場(chǎng)景，目前公網(wǎng)普遍采用的基于閉環(huán)的技術(shù)均需對(duì)其算法加以改進(jìn)以適應(yīng)快速變化的信道環(huán)境才能獲得預(yù)期增益。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

為滿(mǎn)足高速鐵路的無(wú)線(xiàn)需求，應(yīng)開(kāi)展如下關(guān)鍵持術(shù)研究。

3.2.1 無(wú)線(xiàn)寬帶信道建模。研究高速鐵路應(yīng)用下的寬帶信道模型，通過(guò)理論分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析無(wú)線(xiàn)寬帶信號(hào)路徑損耗、大尺度衰落、多徑效應(yīng)的沖激響應(yīng)、多普勒擴(kuò)展等模型，以此確定高鐵環(huán)境下影響無(wú)線(xiàn)寬帶通信性能的主要因素，為選擇有效的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)提供依據(jù)。

3.2.2 多天線(xiàn)技術(shù)。公網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的多天線(xiàn)技術(shù)包括MIMO、智能天線(xiàn)等技術(shù)。MINO通過(guò)線(xiàn)性/非常線(xiàn)性預(yù)編碼可實(shí)現(xiàn)空間分集或空分復(fù)用，達(dá)到提高可靠性或提升容量的目的。智能天線(xiàn)則可以利用波束成形跟蹤指定用戶(hù)，減小干擾并增加系統(tǒng)容量。因此，有必要研究高速移動(dòng)環(huán)境下的多天線(xiàn)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)加以改進(jìn)，使其能夠在高速鐵路下仍能夠發(fā)揮其最優(yōu)性能。

3.2.3 無(wú)線(xiàn)資源管理優(yōu)化技術(shù)。高速移動(dòng)環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)資源管理優(yōu)化技術(shù)包括切換優(yōu)化、資源調(diào)度優(yōu)化，小區(qū)干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化等。未來(lái)列車(chē)的速度越來(lái)越快，穿越小區(qū)重疊的時(shí)間越來(lái)越短，因此需要優(yōu)化切換算法或組網(wǎng)覆蓋方案，保證切換成功，（下轉(zhuǎn)第134頁(yè)）此處，還需要優(yōu)化資源調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)等方案應(yīng)對(duì)高鐵通信特有的話(huà)務(wù)突發(fā)性，集中性及小區(qū)帶狀等特點(diǎn)。

3.2.4 組網(wǎng)技術(shù)。研究高速移動(dòng)環(huán)境下無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)路的組網(wǎng)技術(shù)，涉及車(chē)廂內(nèi)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)與地面骨干網(wǎng)絡(luò)的共同組網(wǎng)，建立端到端的可靠鏈路，降低用戶(hù)數(shù)據(jù)或控制信令在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延，并充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以減小成本。

4 未來(lái)鐵路無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展方向

鐵路無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)必然要向能夠在高移動(dòng)速度下提供高數(shù)據(jù)率的車(chē)地寬帶通信系統(tǒng)演進(jìn)。由于公網(wǎng)的寬帶通信系統(tǒng)已經(jīng)部署商用，因此鐵路無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)向?qū)拵У陌l(fā)展可以借鑒公網(wǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)。

目前，公網(wǎng)移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)路徑主要有三條：一是WCDMA和TD-SCDMA，均演進(jìn)到LTE；二是CDMA2000也通過(guò)一定方式演進(jìn)到LTE；三是802.16m的WiMAX路線(xiàn)，由WiMAX演進(jìn)到WiMAX II 。這其中LTE擁有最多的支持者（愛(ài)立信、諾基亞西門(mén)子、華為、阿爾卡特朗訊等主要電信設(shè)備商）。然而中興、華為已經(jīng)率先推出基于LTE的鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。

LTE采用了OFDM/FDMA、MIMO、智能天線(xiàn)、LDPC等先進(jìn)技術(shù)，可在20MHZ頻譜帶寬上提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速度，小區(qū)覆蓋半徑最大可達(dá)100Km， 特別是采用了扁平化的IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全部業(yè)務(wù)均在分組域?qū)崿F(xiàn)，并且將用戶(hù)面時(shí)延降低到5ms以下，控制面時(shí)延降低到100ms以下。LTE系統(tǒng)以其優(yōu)秀的性能可以滿(mǎn)足現(xiàn)有各種寬帶業(yè)務(wù)的需求。

現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)完全可以沿著公網(wǎng)的演進(jìn)路徑，從目前的窄帶通信系統(tǒng)演進(jìn)至LTE甚至是更為先進(jìn)的LTE-Advanced，但是考慮到鐵路無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，鐵路無(wú)線(xiàn)通信的演進(jìn)會(huì)跨過(guò)公網(wǎng)的3.5G、3.75G，而直接演進(jìn)到LTE。從國(guó)際聯(lián)盟（UIC）對(duì)鐵路無(wú)線(xiàn)通信的展望，可以看出，UIC計(jì)劃跨過(guò)3G的演進(jìn)階段，直接從GSM-R 演進(jìn)至LTE-R。當(dāng)然，由于鐵路無(wú)線(xiàn)通信面臨高移動(dòng)速度與復(fù)雜電磁環(huán)境的不利影響，會(huì)大幅降低LTE系統(tǒng)的性能，因此，當(dāng)把LTE系統(tǒng)應(yīng)用于高速鐵路環(huán)境中，必須對(duì)其加以改造，將LTE變?yōu)長(zhǎng)TE-R，保證在高速移動(dòng)速度與復(fù)雜電磁環(huán)境下仍然能提供較大的容量和穩(wěn)定的Qos.

5 結(jié)語(yǔ)

GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)在許多投入運(yùn)行的高速鐵路上，發(fā)揮了巨大的作用，但是新技術(shù)總是有其先進(jìn)性和優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)是必然，未來(lái)鐵路無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將向LTE-R方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐵道部，運(yùn)輸局.450MHz調(diào)度命令無(wú)線(xiàn)傳送系統(tǒng)主要條件（V.4）2005，4.

[2] 鐵道部.GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[3] 鐘章隊(duì)，黃吉瑩.我國(guó)鐵路GSM-R的發(fā)展研究[J].中國(guó)鐵路，2006，11.

[4] 沈嘉.LTE- Advanced關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)[J].移動(dòng)通信，2008.