基于LTE的鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)（LTE-R）應(yīng)用探討

衛(wèi)小明

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）指出，基于LTE的鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)（LTE-R）以其低時(shí)延、可靠、快捷、高效的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，以及更為安全的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)，成為了未來(lái)鐵路通訊發(fā)展的大勢(shì)所趨。隨著LTE系統(tǒng)的建立以及不斷普及，鐵路通信領(lǐng)域也進(jìn)一步加深了對(duì)其的研究，以便為以后更加靈活的運(yùn)用該項(xiàng)新技術(shù)做好準(zhǔn)備。

1 LTE-R的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 OFDMA技術(shù)

正交頻分多址接入技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)OFDMA技術(shù)，該技術(shù)具有靈活的帶寬擴(kuò)展、高頻譜效率等突出特點(diǎn)，能夠?qū)⑼ㄐ畔到y(tǒng)分為若干個(gè)子載波，使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并行傳輸在多個(gè)相互正交的子載波上。OFDMA技術(shù)的實(shí)質(zhì)是頻分多址接入和時(shí)分多址接入的有機(jī)結(jié)合，主要思路就是分散高速數(shù)據(jù)流，并將其通過(guò)若干個(gè)子載波進(jìn)行分散傳輸，從而達(dá)到降低符號(hào)速率、延長(zhǎng)符號(hào)持續(xù)時(shí)間的目的，有效抵抗時(shí)延擴(kuò)展，降低符號(hào)之間的互相干擾，此外OFDMA技術(shù)還能夠與智能天線(xiàn)技術(shù)、信道間干擾抑制以及分集技術(shù)相結(jié)合，使系統(tǒng)性能獲得最大限度的提升[1]。

1.2 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)指的是通過(guò)多接收、多發(fā)射天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)空間分集的技術(shù)。立式多天線(xiàn)是該技術(shù)所主要采用的，分解通信鏈路為眾多的子信道，使整體容量得到了很大的提升。在下行鏈路中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，多天線(xiàn)主要的發(fā)送方式有空時(shí)預(yù)編碼、波束賦形、發(fā)送分集以及多用戶(hù)MIMO等。而在上行鏈路中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，MIMO技術(shù)也能夠使系統(tǒng)的上行容量得到大幅提升。下行MIMO技術(shù)可復(fù)用空間維度，空間維度復(fù)用對(duì)多用戶(hù)以及單用戶(hù)模式都可提供支持，通過(guò)空間復(fù)用并分配數(shù)據(jù)流給單獨(dú)用戶(hù)，能夠使頻率效率以及傳輸速率得到穩(wěn)步提升。而空間復(fù)用并分配數(shù)據(jù)流給多個(gè)用戶(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)同一時(shí)頻資源的多用戶(hù)共享。上行MIMO技術(shù)是通過(guò)虛擬的MIMO系統(tǒng)發(fā)送兩個(gè)及以上數(shù)量的數(shù)據(jù)流，從接收機(jī)角度看，終端各異的數(shù)據(jù)流就能夠視為在不同天線(xiàn)上傳輸同一終端的數(shù)據(jù)流。虛擬MIMO系統(tǒng)是通過(guò)終端不同的多個(gè)天線(xiàn)使空間自由度得到有效提升，將潛在的信道容量充分的利用起來(lái)。

1.3 高階數(shù)字調(diào)制技術(shù)

為了使頻帶利用率得到有效提高，LTE應(yīng)用了高階數(shù)字調(diào)制技術(shù)。上行主要使用了16QAM十六進(jìn)制的正交幅度調(diào)制和QPSK 四相相移鍵控。下行主要使用了16QAM、64QAM及QPSK。相較于上行調(diào)制方式，LTE在下行相應(yīng)增添了64QAM，以保證系統(tǒng)下行的峰值速率能夠達(dá)到100Mb/s。由于是以抗干擾能力降低為代價(jià)而提高的系統(tǒng)頻譜利用率，因此為了實(shí)現(xiàn)誤碼性能的一致，需將歸一化信噪比增入其中，設(shè)備成本以及復(fù)雜性相應(yīng)的都會(huì)有所增加[2]。

2 LTE-R系統(tǒng)的具體應(yīng)用

2.1 為GSM-R系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)

作為GSM-R項(xiàng)目的長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)，LTE-R除了能夠提供GSM-R系統(tǒng)諸如列控信息、調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)、機(jī)車(chē)同步操作控制信息、列尾信息、調(diào)度指揮信息、應(yīng)急指揮信息、區(qū)間移動(dòng)工務(wù)信息等之外，LTE-R以其低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上提高了傳送列控信息的實(shí)時(shí)性，使列車(chē)的運(yùn)行安全得到了進(jìn)一步的保障。同時(shí)，LTE-R系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)圖像傳輸以及調(diào)度語(yǔ)音通信的多媒體調(diào)度通信。

2.2 列車(chē)視頻監(jiān)控

LTE-R系統(tǒng)不僅能夠傳送本地之間的數(shù)據(jù)以及語(yǔ)音信息，同時(shí)還能夠傳送視頻監(jiān)控信息。保證列車(chē)安全管理的重要方式之一就是列車(chē)視頻監(jiān)控信息，通過(guò)傳輸?shù)囊曨l，LTE-R系統(tǒng)能夠監(jiān)控列車(chē)的重點(diǎn)區(qū)域，并快速將監(jiān)控視頻傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，使工作人員對(duì)車(chē)廂狀況以及列車(chē)運(yùn)行狀況有一個(gè)全面的了解和把控。與此同時(shí)，還可以為列車(chē)司機(jī)提供鐵路道口以及沿線(xiàn)設(shè)施的監(jiān)控視頻，輔助其做出相應(yīng)的決斷，以促使安全性的提高。

2.3 監(jiān)控列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)

保證列車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵措施之一是對(duì)其運(yùn)行安全進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。LTE-R系統(tǒng)能夠在列車(chē)上布設(shè)各類(lèi)傳感器，對(duì)列車(chē)的電源、空調(diào)、供電系統(tǒng)、軸溫、車(chē)門(mén)、轉(zhuǎn)向架以及制動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)提供保證，為列車(chē)的高效檢修提供必要的技術(shù)支持。

2.4 旅客移動(dòng)信息服務(wù)

隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)列車(chē)上的無(wú)線(xiàn)通訊服務(wù)提出了更高的要求。而GSM-R 系統(tǒng)還無(wú)法有效滿(mǎn)足旅客的這一需求。列車(chē)上公用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)通信，在列車(chē)高速運(yùn)行的過(guò)程中很難保證服務(wù)質(zhì)量。而基于高移動(dòng)性、低時(shí)延以及高傳輸速率等優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上的LTE-R系統(tǒng)，能夠?yàn)槁每吞峁╇S時(shí)隨地的寬帶接入服務(wù)，如在線(xiàn)電影、網(wǎng)上聊天以及網(wǎng)絡(luò)游戲等，滿(mǎn)足旅客即時(shí)通信、VoIP話(huà)音通信、視頻通話(huà)以及各種網(wǎng)上沖浪等需求，為旅客提供更加舒適、愉悅的乘車(chē)體驗(yàn)[3]。此外，還能夠?yàn)槁每吞峁╄F路相關(guān)信息的時(shí)刻查詢(xún)服務(wù)以及移動(dòng)售票服務(wù)等，從而使整體服務(wù)質(zhì)量得到了大幅的提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高鐵行業(yè)的迅猛發(fā)展，以及公網(wǎng)移動(dòng)通信方式的不斷更迭優(yōu)化，GSM技術(shù)將會(huì)被逐漸淘汰，而LTE-R會(huì)將其逐漸的取而代之，這也是鐵路寬帶移動(dòng)通信發(fā)展的必然趨勢(shì)，當(dāng)前時(shí)期GSM-R系統(tǒng)依然是主要的承載平臺(tái)，而LTE-R系統(tǒng)則正處于試行以及完善階段。目前神華集團(tuán)朔黃鐵路已全線(xiàn)開(kāi)始應(yīng)用LTE-R系統(tǒng)，在未來(lái)的3-4年時(shí)間里，將會(huì)出現(xiàn)GSM-R與LTE-R并存狀況，列控業(yè)務(wù)將主要會(huì)由GSM-R系統(tǒng)負(fù)責(zé)，而非安全的數(shù)據(jù)傳遞將由LTE-R系統(tǒng)負(fù)責(zé)。LTE-R系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)幾年的大力發(fā)展后會(huì)承載更多、更加全面的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，最后直到承載全部業(yè)務(wù)，達(dá)到GSM-R系統(tǒng)向LTE-R系統(tǒng)完全演進(jìn)的目的。