鐵路移動通信的發展及演進方向

白 莉

（北京中鐵建電氣化設計研究院，北京 100043）

白 莉

（北京中鐵建電氣化設計研究院，北京 100043）

分析目前鐵路移動通信的發展現狀以及未來鐵路發展GSM-R存在的主要瓶頸，針對鐵路未來發展對鐵路車地寬帶通信的需求，探討鐵路移動通信的發展及演進方向，從業務及平臺演進兩方面提出了GSM-R向LTE-R演進的技術方案。研究表明，未來鐵路GSM-R網絡向LTE-R的方向演進是合理、可行的。

鐵路移動通信；發展；演進；技術方案

我國鐵路移動通信從20世紀60年代開始發展至今，經歷了從單信道模擬通信系統，集群移動通信系統到現在的GSM-R數字移動通信系統的發展過程。

從過去的模擬通信系統到現在的GSM-R數字移動通信系統完成的列車無線調度通信，區間、站場、公務移動通信，應急語音通信，機車監測等業務,尤其是基于GSM-R數字移動通信系統完成的CTCS-3級列控系統功能，實現武廣、鄭西、京滬高速鐵路的成功開通、運營，鐵路移動通信在鐵路運輸中發揮著越來越重要的作用。但是隨著鐵路運輸的發展及高速鐵路的大規模建設，對車地寬帶通信也提出更高的要求，而GSM-R作為一種窄帶移動通信，無法滿足鐵路未來發展對鐵路車地寬帶通信的需求，因此，現在的鐵路移動通信還需要發展及演進。

本文分析了目前鐵路移動通信的發展現狀以及未來鐵路發展GSM-R存在的主要瓶頸，針對鐵路運輸未來發展需要，探討了鐵路移動通信的發展及演進方向，從業務及平臺演進兩方面提出了GSM-R向LTE-R演進的技術方案。

1 GSM-R網絡的發展現狀

鐵路數字移動通信系統（GSM-R，GSM for Railways），是在目前世界上最通用、最成熟的GSM平臺上專門為滿足鐵路應用而開發的數字式無線通信系統，是針對鐵路通信列車調度、控制、支持高速等特點，為鐵路運營增加附加功能的一種經濟高效的綜合無線通信系統。

GSM-R的發展大致分為3個階段：標準制定階段、系統試驗階段、工程實施階段。從1993年國際電信聯盟（UIC）與歐洲電信標準組織（EISI）提出了歐洲各國鐵路下一代無線通信以GSM-R Phase 2+為標準的GSM-R技術，到1999年第一個GSM-R網絡在連接瑞典到丹麥的Oresund大橋鐵路線建成并投入運營，GSM-R網絡成功地運用到鐵路運輸生產中。

歐洲GSM-R/ETCS的成功運用，為我國鐵路

通信信號技術發展提供了良好的技術借鑒，我國從1994年就開始對專用移動通信技術跟蹤研究，2000年，我國經過全面深入的考察和廣泛的論證，認為GSM-R技術符合中國鐵路的要求，決定全面引入GSM-R技術進行組網建設。青藏線、大秦線和膠濟線的成功建設和運營證明GSM-R在我國鐵路大規模應用的可行性，利用GSM-R網絡承載的鐵路專用語音呼叫和其他應用業務擁有以往模擬通信無法比擬的優勢，全國既有線路的信息化改造也在新技術的推動下加快了步伐。

GSM-R系統構成如圖1所示。

高速鐵路和客運專線的大規模建設使GSM-R網絡技術迎來新的機遇和挑戰，能否滿足高速情況下列控數據安全傳輸的疑問隨著武廣和鄭西高鐵的相繼開通而打破，基于GSM-R無線通信系統的CTCS-3列控系統能夠保證列車在350 km/h的高速下安全、平穩的運行，這也標志著鐵路通信信號一體化達到一個更高的結合點。

GSM-R網絡建設引起鐵路部門高度重視，網絡建設規劃有3個同步，第一，與鐵路信息化建設同步，提供綜合移動信息傳輸平臺；第二，與鐵路CTC、CTCS建設同步，提供綜合移動話音通信業務，提供通用數據列控數據傳輸通道；第三，與新建鐵路同步，不再重復投資建設區間通信電纜、無線列調、站場無線通信等系統。

GSM-R網絡中長期建設規劃在既有干線與CTC同步建設，與鐵路中長期路網新線同步建設，并逐步擴大無線覆蓋范圍，建成中國鐵路GSM-R網絡。

2 鐵路移動通信的演進需求及GSM-R網絡的主要瓶頸

2.1 鐵路移動通信的演進需求

GSM-R網目前提供的業務包括：語音業務、數據業務、與呼叫相關的業務和鐵路特定業務，并可在上述業務的基礎上擴展新的應用。

隨著全球高速鐵路的大規模建設，GSM-R也迎來一個蓬勃發展的時期，同時也對鐵路移動通信系統提出更高的要求。

1）列車控制和調度的需求

列車控制的發展趨勢：從P2P電話調度指揮向M2M全自動數控調度指揮，從基本的起停向提高全網絡運行效率發展，從單向指令的開環控制向雙向指令的閉環控制發展，從單純的控制系統向全面的維護操作系統發展，從核心的控制信息流向信息量很大的安監和操作維護信息流擴展。

2）安全監控的發展需求

為了保證鐵路的安全可靠運行，安全監控的發展趨勢包括從依賴人在現場監控向遠程自動監控發展，從對危機的事后感知和反應向實時預警式監控發展，從防范機器造成的危機向防范人為危機發展。

3）乘客服務系統的需求

為提供更高質量的服務，今后將需要在列車上建立多媒體服務系統，向乘客提供音視頻點播和在線游戲服務，列車狀態和旅行信息的廣播式服務，自助式換乘和購買機票的服務。

4）乘客個人需求

隨著寬帶無線接入的出現，接入移動化、寬帶化的需求越來越旺盛，用戶對移動通信網絡的速率要求越來越高，Internet已經成為人們生活和工作不可或缺的一部分。對于商務人士，高效的視頻電話、Email、電子理財、大文件和批量文件交互、商務信息瀏覽、交互式地理多媒體信息廣播等業務會成為其每天離不開的左右手；對于年輕用戶，移動博客、播客、交互式高質量多媒體、大量多媒體文件下載、實時游戲業務等非常符合其溝通、交流、交友、娛樂和自我表現的需求；對于其他大眾用戶，在多媒體無線寬帶業務多發區域，自由暢通地享受高質量的語音服務是其追求并且依賴移動運營服務的必要前提。因此，在高速運行的列車上人們同樣希望能夠享受高速的寬帶服務，Internet網絡服務將成為除運輸效率外，鐵路相對于航空最大的競爭優勢。

2.2 GSM-R網絡演進存在的主要瓶頸

面對日益增長的鐵路運輸需要及乘客服務系統和乘客個人需求，鐵路移動通信需要建立一套傳輸速率高、時延低、可靠性高、安全性好的車地間寬帶數據連接，在支持鐵路更高等級安全監控需求的同時，在車內為擁有不同制式終端的用戶提供各種語音和數據業務。但是鐵路現有的GSM-R屬于窄帶通信系統，GSM-R系統的工作頻段為上行：885～889 MHz；下行：930～934 MHz，可供使用的頻段只有4 MHz,只能提供最高9.6 kbit/s的電路域數據傳輸或幾十kbit/s的分組域數據傳輸，并且高速移動、列車車體屏蔽效應使所有基于PLMN覆蓋的寬帶數據方案都有嚴重問題。

3 鐵路移動通信網絡的演進方向

3.1 鐵路移動通信網絡的演進方向分析

目前2.5G/3G手機移動數據業務和寬帶無線接入業務是兩個不同的市場段。寬帶無線接入業務采用WiMAX（IEEE 802.16 d/e）固定/移動寬帶無線城域網技術，核心網是標準的IP網，其無線鏈路的物理層和MAC層的設計考慮了突發型的分組數據業務的要求，能夠自適應無線信道環境，速率可達幾百kbit/s甚至幾十Mbit/s。手機數據業務基本是一個蜂窩移動通信網，下載速率在100 kbit/s以下。

作為手機數據業務的3G系統在支持IP數據業務時頻譜效率低，其面向連接固定帶寬的結構不適應突發式IP數據業務的需求。為此，3G標準化組織（3GPP）和第三代合作伙伴計劃2（3GPP2）都認識到目前的系統提供互聯網接入業務的局限性，試圖在原來的體系框架內，在下行鏈路中采用分組接入技術，大幅度提高IP數據下載和流媒體速率。3GPP在R5系統中增加了高速下行分組接入（HSDPA）（被稱為3.5G），速率達到10 Mbit/s以上。隨后進一步在R6中增加高速上行分組接入（HSUPA），將解決上行鏈路分組化問題，提高上行速率，進一步引入自適應波束成形和MIMO等天線陣處理技術，可將下行峰值速率提高到30 Mbit/s左右，核心網也在向全IP網演化。

HSDPA和HSUPA被稱為3.5G技術，屬于中期演化技術，受原體制束縛較大，性能不夠理想。3GPP發現在HSDPA和國際電信聯盟（ITU）部署的B3G之間存在一個空檔，這正是WiMAX的目標。在一段時間內的寬帶無線接入市場上，HSDPA、HSUPA對WiMAX的競爭將處于劣勢。

3.2 鐵路移動通信向LTE-R的方向演進

為了提高3G在新興的寬帶無線接入市場的競爭力，同時也為了避開Qualcomm的CDMA專利授權問題，3G標準化組織3GPP在2004年12月3GPP雅典會議決定由3GPP RAN工作組負責開展LTE（long term evolution）研究，LTE于2007年6月推出。截至2011年底，全球87個國家的248家運營商在投資LTE網絡，到2012年底，全球至少有103個LTE網絡將投入商用。顯而易見，LTE已經成為移動網絡未來演進的必然方向，LTE全球網絡發展大勢已定。按照通信產業目前的發展速度，業界普遍預測，2015年全球將大規模部署LTE網絡。目前，公網的寬帶通信已經部署商用。

長期演進計劃（LTE）是3G和4G之間的過渡，又稱3.9G或準4G，LTE的關鍵技術是OFDM（正交頻分復用）和MIMO（智能天線技術），3GPP啟動的LTE項目是基于3GPP的R8標準，簡單來說，與2G的GSM、3G的UMTS相比，有以下主要特點。

1）更高速率、更高的頻譜效率：其瞬時下載峰值速率在20 MHz載頻帶寬下可達100 Mbit/s，是R6標準HSDPA的3～4倍，頻譜效率為5 bit/s/Hz；上行速率可達50 Mbit/s，是R6 HSUPA的2～3倍，頻譜效率2.5 bit/s/Hz。

2）系統部署靈活，能夠支持1.25～20 MHz間多種系統帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配。保證了將來在系統部署上的靈活性。

3）以分組域業務為目標，系統在整體架構上將基于分組交換。

4）QoS保證：通過系統設計和嚴格的QoS機制，保證實時業務（如VoIP）的服務質量。

5）降低無線網絡時延：子幀長度0.5 ms和0.675 ms，解決向下兼容的問題并降低了網絡時延，時延可達U-plan＜5 ms，C-plan＜100 ms。

6）增加了小區邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下，增加小區邊界。

7）強調向下兼容，支持已有的3G和3GPP規范系統的協同運作。

概括來說，與3G相比，LTE更具有技術優勢，具體表現為高數據速率、低延遲、載波帶寬靈活可變、分組傳送、廣域覆蓋和向下兼容。

鑒于3G技術使用的頻點太高，不滿足鐵路部門希望經濟、實惠地實現網絡在廣泛地域內的覆蓋目標，而且在語音業務上3G技術與2G技術并沒有本質區別等諸多因素，國際鐵路聯盟（UIC）明確表示3G技術不適用于鐵路。因此，未來鐵路移動通信會跨過公網的3.5、3.75G，而直接演進到“準4G”的LTE-R技術。

UIC對鐵路無線通信的展望如圖2所示，可以看出UIC計劃跨過3G的演進階段，直接從GSM-R演進到LTE-R。

4 GSM-R向LTE-R演進的技術方案

4.1 GSM-R向LTE-R的業務演進方案

GSM-R向LTE-R的業務演進分兩部走，第一步，GSM-R與LTE-R網絡并存，在高速鐵路、業務繁忙線路及樞紐車站，可率先建立LTE-R網絡，并與GSM-R網絡并存，大容量非安全數據業務可先過渡到LTE-R網絡，安全數據業務保留在成熟的GSM-R網絡中。在普速非業務繁忙線路，可以充分利用既有GSM-R網絡，以節省投資。第二步，由GSM-R與LTE-R網絡并存逐步過渡到LTE-R網絡。GSM-R向LTE-R業務演進如圖3所示。

4.2 GSM-R向LTE-R的平臺演進方案

GSM-R向LTE-R的平臺演進主要分為兩部分：核心網部分和無線部分，其中核心網部分為采用MSC Pool組網，MSC Pool技術既適用于分層網絡結構WCDMA系統（MSC Server）,也適用于非分層結構GSM系統（傳統MSC）,MSC POOL技術在優化網絡資源，合理分配話務，提高網絡性能、抗沖擊能力和提高投資利用率等方面具有許多優勢，使這種組網方式成為未來移動通信網絡發展的重要趨勢之一。

無線部分的發展趨勢為GSM-R和LTE-R共用基站控制器（BSC），基站設備（BTS）由共用機柜到共用模塊，以節省投資。GSM-R向LTE-R的平臺演進如圖4所示。

5 結束語

我國高速鐵路和客運專線進入了大規模建設時期。武廣、鄭西、京滬高速鐵路的相繼開通，標志著GSM-R網絡的服務質量滿足CTCS-3級列車控制的需求，鐵路利用GSM規模經濟的優點構建GSM-R網絡。同樣的機會也將在LTE中出現，LTE是簡單、高效、低時延、低造價的全IP網絡，同時提供安全的話音和數據，允許為通信和鐵路運營商開發統一的車-地通信，并可實現已部署的站點和設備的重復利用，因此，未來鐵路GSM-R網絡向LTE-R的方向演進是合理、可行的。

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