鐵路無線通信工程中的LTE—R技術研究

黃勇

摘要：在鐵路交通的發(fā)展過程中，傳統(tǒng)GSM-R技術不能跟目前列車和乘客的數(shù)據(jù)需求相吻合。目前在火車上的乘客對移動寬帶的需求是比較旺盛的。使用筆記本、手機等移動設備開展商務工作或娛樂休閑活動，這已經(jīng)逐漸成為一種大趨勢。所以，對于LTE-R技術在鐵路無線通信工程中的應用具有較大的實際意義。

關鍵詞：鐵路無線通信工程；LTE-R技術

1.鐵路無線通信技術向LTE-R演進的必要性

1.1窄帶系統(tǒng)無法滿足寬帶業(yè)務需求

當前，鐵路通信系統(tǒng)可為GSM-R系統(tǒng)提供很多鐵路通信標準功能，可開展的業(yè)務有視頻監(jiān)控、信息共享及旅客的無線寬帶接入等。從通信制式方面看，GSM-R立足于二代窄帶技術，本身數(shù)據(jù)承載能力有限：電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務（CSD）速率低，為kb/s級別，僅能承載流量要求較小的專用列控數(shù)據(jù)；而通用分組無線服務（GPRS）可供使用的帶寬也有限，無法滿足日益增長的上層應用需求。通過實踐發(fā)現(xiàn)，車-地間人員通常只可使用語音相互溝通和交流，地面上的工作人員不能遠程掌握現(xiàn)場情況，難以采集到現(xiàn)場的準確信息。這種缺陷在重大事故出現(xiàn)的時候表現(xiàn)非常明顯。倘若車廂內(nèi)有無線寬帶通信服務，那么有關工作人員就可以通過無線通訊設備快速準確地傳遞現(xiàn)場視頻信息，通過這些信息使車-地工作人員快速協(xié)同合作完成救援任務。當遇到乘客產(chǎn)生糾紛時，可使用視頻監(jiān)控控制好事態(tài)的發(fā)展方向，同時，也可以在事故發(fā)生之后，找到事故發(fā)生的原因，從而為以后預防事故吸取經(jīng)驗教訓。除此之外，為了提供一些常規(guī)性的服務，車廂內(nèi)可配備車載信息系統(tǒng)，可及時向乘客提供列車運行時刻表和天氣預報等信息，大大提升乘客的出行便捷性。這些應用是在視頻傳輸?shù)幕A之上進行的。視頻交流對與傳輸速率的要求是比較高的。

1.2LTE系統(tǒng)可為旅客提供無線寬帶

在網(wǎng)絡的開放性角度看來，GSM-R是一種鐵路專網(wǎng)，公眾旅客通信服務難以實現(xiàn)。首先，為了顧及到系統(tǒng)的安全性，使用了封閉式的運營管理。其次，考慮到系統(tǒng)容量的限制性，由于業(yè)務接入量有上限，所以一般情況下會首先滿足鐵路運營人員的使用需求。但是，為了運輸更加便利化，實現(xiàn)高鐵跟旅客之間的通信連接，應實現(xiàn)對公務處理和網(wǎng)絡娛樂的遠程控制。當前，在途鐵路旅客的通信需求通常情況下只可通過公共通信網(wǎng)絡實現(xiàn)，在列車速度逐漸增加之后，公網(wǎng)通信的語音質(zhì)量可能會變差，難以為乘客提供高質(zhì)量的寬帶接入服務。如果能在鐵路沿線開通LTE網(wǎng)絡，不僅對鐵路員工開放，還可對乘客開放，那么就能為乘客提供更加友好的服務體驗。當然，在這個過程中，要保障鐵路運營的安全和高效性。

2.LTE系統(tǒng)的性能介紹

在GSM陣營中，LTE是其中比較前沿的網(wǎng)絡系統(tǒng)，在設計的過程中，應當考慮到該系統(tǒng)具有移動性和寬帶性。靈活信道帶寬要求對于LTE網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸能力提出了嚴峻的考驗?，F(xiàn)在看來，LTE在公網(wǎng)運營中已吸取了很多經(jīng)驗教訓，它在移動通信制式里面是比較成熟的。根據(jù)LTE的特點，可知該系統(tǒng)比較適合于鐵路通信。LTE系統(tǒng)采用的組網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是扁平化的結(jié)構(gòu)，不僅能使系統(tǒng)延時，還能改善系統(tǒng)的整體性能，提高用戶體驗度。在控制面，從空閑模式到激活模式，用時小于100ms；從休眠模式到激活模式，用時小于50ms。在用戶面，最小時延可達到5ms。在頻譜效率方面，采用正交頻分復用（OFDM）技術，下行20M頻譜帶寬內(nèi)，峰值速率為100Mb/s，頻譜效率達到5b/s/Hz。上行20M頻譜帶寬內(nèi)，峰值速率為50Mb/s，頻譜效率達到2.5b/WHz。

3.鐵路無線通信中的LTE-R技術的應用

3.1支撐新型鐵路業(yè)務的傳輸技術

在鐵路未來的發(fā)展過程中，通信業(yè)務仍然需要大量開發(fā)。其中視頻監(jiān)控與旅客多媒體服務就是兩項需要開發(fā)的通信業(yè)務，他們對LTE-R技術的應用提出了更高的要求。LTE-R技術對傳輸技術提出了一定的要求，按照相關的驗證結(jié)果，應當使用QoS指標來確保LTE-R技術的業(yè)務承載性能。從細節(jié)角度來講，可從下面三個方面來對傳輸技術進行改進。第一，對鐵路場景中的上下行配比進行優(yōu)化和改善。舊有的公網(wǎng)LTE技術一般情況是使用下行通道對承載業(yè)務進行傳輸。鐵路無線通信工程建設中的LTE-R技術對上行通信帶寬提出了一定的要求。2、上行鏈路自適應提升技術。LTE-R技術在上行吞吐率上的要求比較高，甚至會遠遠高出當前LTE中的上行業(yè)務，這時就可以使用鏈路自適應技術來提升上行傳輸能力。3、組織呼叫和廣播語音技術。在HSS網(wǎng)元中增設了組呼信息、廣播信息和呼叫控制功能，使之能像GSM-R系統(tǒng)一樣實現(xiàn)GLR功能。

3.2改進網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

LTE-R技術為了達到鐵路無線通信的技術標準，要對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行一定的研究。鐵路無線通信對組呼和電話調(diào)度等語音通信提出了較高的要求。這其中的原因是LTE技術中的核心網(wǎng)采用復用形式，可實現(xiàn)包交換，其難以實現(xiàn)電路交換下的語音業(yè)務。在實驗室中進行2G語音回落模塊和IMS等支持電路域交換的LTE網(wǎng)元測試

3.3改進型小區(qū)切換技術

根據(jù)在某LTE項目的實施經(jīng)驗，減小小區(qū)切換時延和切換重疊區(qū)，以適應鐵路應用要求。在鐵路應用中，切換重疊區(qū)的縮短便于開展頻率規(guī)劃，減小系統(tǒng)內(nèi)干擾。同時，在重載鐵路項目中，切換時間的減小有利于保證重載列車操控和列尾數(shù)據(jù)的完整、有效傳輸。

4.小結(jié)

在經(jīng)濟全球化的發(fā)展浪潮中，我國的經(jīng)濟建設也得到了飛速發(fā)展，鐵路通信信息化需求也更旺盛了。因此，從GSM-R向LTE-R的轉(zhuǎn)變是必然的。在GSM窄帶通信到LTE寬帶網(wǎng)絡過程中，信息傳遞變得更加便利化和更加安全。在鐵路領域中，無線通信技術得到了持續(xù)發(fā)展，如果能夠?qū)﹁F路運能實現(xiàn)改善，那么，這毫無疑問能促進我國經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展。