鐵路下一代移動通信系統（LTE-R）技術指標體系研究

李 莉（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

近十年來，隨著我國鐵路的快速發展，GSM-R系統在青藏高原鐵路、大秦重載鐵路、京滬高速鐵路、鄭西客運專線等線路上得到廣泛應用。然而，伴隨著眾多鐵路新業務需求的涌現，比如：列車視頻監控業務、列車實時監控業務等，對鐵路移動通信系統提出更高的要求，需要其能夠提供更大的帶寬、更低的時延。

GSM-R作為第二代移動通信技術，屬于窄帶通信系統，頻譜利用率較低，主要承載話音業務和少量數據業務，數據速率較低，一般僅為2 400～9 600 bit/s，即使采用GPRS技術，數據速率也僅能達到一百多kbit/s。這使得在現有GSM-R平臺上開拓各種新業務，特別是對帶寬需求較高的業務，難度非常大。

另一方面，隨著公眾移動通信網從2G向3G、4G方向發展，GSM市場正在逐步萎縮。GSM-R設備生產商已經紛紛表示將在2025年左右停止相關產品的生產，GSM-R向鐵路下一代移動通信系統演進已成大勢所趨。國際鐵路聯盟（U IC）也已經著手進行鐵路下一代通信系統標準的制定。

正是在這樣的形勢和背景下，鐵道部組織開展了“鐵路下一代移動通信系統總體技術研究”科研項目，開啟對鐵路下一代移動通信系統的研究工作。

李莉，女,碩士畢業于北京交通大學，工程師。主要研究方向包括LTE系統在鐵路上的應用、GSM-R網絡設計集成等，曾參與《基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信的關鍵技術研究與應用驗證》、《鐵路下一代移動通信總體技術研究》、《CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范》、武廣客專、京滬客專等項目。

2 鐵路下一代移動通信系統制式選擇

目前公眾移動通信和一些發達國家鐵路主要采用的移動通信制式包括：第三代移動通信技術（3G）、W i-Fi技術、W iM AX技術、衛星通信技術和LTE技術。

3G系統是相對于第一代（1G）與第二代（2G）移動通信系統而言的寬帶移動通信系統，在數據傳輸速率上有了很大的提升，最高可以支持2 M b it/s的速率，而3.5G技術—高速分組接入技術最高達到5.76 Mbit/s速率。

W i-F i是一種無線局域網技術，主要為個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等提供無線寬帶連接。W i-F i傳輸速率最高可達54 M b it/s、網絡結構簡單、網絡建設成本低；然而由于使用免授權頻段，W i-F i容易受到其他系統的干擾，通信質量難以保證，對移動性支持較差 、安全性較差。

W iM A X是一種寬帶無線城域網技術，能提供面向互聯網的高速連接。W iM A X具有高Qo S保障、傳輸速率高（最高可達70 M b it/s）、傳輸距離遠（最高可達50 km）等優點。然而W iMAX對移動性支持較差，主要針對游牧或低速移動狀態下的數據接入，解決熱點覆蓋。

衛星通信是利用通信衛星作為中繼，將地面上無線通信站發來的信號經過放大、移頻后轉發給地面無線通信站，從而實現兩個或多個地球站之間的通信。衛星通信具有通信范圍大、傳輸頻帶寬，通信容量大、通信穩定性好、質量高、組網方便等優點。然而衛星通信也存在傳輸時延大、終端體積較大，通信成本高等缺點。

LTE技術是3GPP組織為應對新業務的需求，以及W iM AX等無線互聯網技術的挑戰而提出的新一代寬帶移動通信技術。與3G相比，LTE更具有技術優勢，具體表現為頻譜利用率高、數據速率高、載波帶寬靈活可變、覆蓋范圍廣和業務實時性好。目前，LTE系統已在全球范圍內展開商用和試驗。據全球移動設備供應商協會統計，截至2012年6月4日，已經推出LTE商用服務的運營商有80家。國內也已開展TD-LTE系統的試驗和驗證工作，大致分為概念驗證、外場技術研發試驗、外場規模試驗等幾個階段。

相比于其他4種備選技術，LTE作為當前移動通信發展方向，采用了大量最新的研究成果，在對高速率、低時延、高速移動、安全性等方面的支持都較為符合鐵路下一代移動通信系統的需求。就產業發展而言，LTE作為公眾移動通信的發展方向已成為共識，得到了國家以及各大運營商和設備制造商的支持，具有完整的產業鏈。采用LTE技術作為鐵路下一代移動通信系統，風險較小。而且U IC已經確定鐵路下一代移動通信系統的演進路線將跨越3G技術，直接由GSM-R技術向LTE發展。

綜合技術、產業和國際發展趨勢，選擇LTE技術作為我國鐵路下一代移動通信系統發展方向是合理的選擇。為簡化表示，鐵路下一代移動通信系統以LTE-R代替。

3 LTE-R系統技術指標研究

通過對3GPP標準的研究及國內外測試工作的總結，本文將LT E-R系統技術指標劃分為3類，即系統指標、業務質量指標與網絡質量指標。分別從系統設計角度、業務角度、網絡角度提出技術指標。LTE-R系統技術指標體系如圖1所示。

3.1 系統指標

3.1.1 系統帶寬

LTE系統支持1.4、3、5、10、15 MH z和20 MH z帶寬，同時支持在成對和非成對頻段上部署。根據對未來鐵路業務的初步估計，高速鐵路近期（2025年以前）主要滿足鐵路運營需要，帶寬需求至少為15 M H z（TDD）、上下行各6 M H z（FDD）。

3.1.2 頻段

關于LTE-R頻段方面，結合3GPP對E-UTRA頻段的建議和我國無線電管理委員會整體的頻率規劃，研究E-U TRA頻段中我國的規劃及目前開展的業務，為LTE-R系統選擇合適的頻段。

表1 針對E-UTRA建議頻段我國規劃和使用情況

結合表1的分析，未來我國LTE-R系統若采用TDD制式，可能會遵從產業化的需要，室外選擇2.6 GH z頻段或1.9 GH z頻段，室內選擇2.3 GH z頻段，也有可能申請更低的頻段，但受制于政策及廠家的支持度。LTE-R系統若采用FDD制式，3GPP建議的700 MH z頻段目前為廣電使用，800 M H z頻段主要為CDM A、GSM使用，但尚存在一些空閑頻段，故可能選擇的頻段是800 M H z或1.4 GH z附近頻段或1.7 GH z附近頻段。若從國家對專網的一些頻段劃分傾向來看，LTE-R系統可能選擇1.4 GH z（1 447 ～ 1 467 MH z）或 1.8 GH z（1 785 ～1 805 MHz）頻段。

總之，建議LTE-R系統在我國可用頻段上盡量爭取低頻段資源，如800 M H z頻段或1.4 GH z頻段。

3.1.3 峰值傳輸速率和峰值頻譜效率

LTE系統對峰值傳輸速率和峰值頻譜效率的性能要求如下。

下行峰值傳輸速率應>100 M b it/s（FDD，在20 MHz帶寬，2×2空分復用條件下）。

下行峰值頻譜效率>5 b it/s/H z（FDD，在20 MHz帶寬，2×2空分復用條件下）。

上行峰值傳輸速率應>50 M b it/s（FDD，在20 MH z帶寬，單天線傳輸條件下）。

上行峰值頻譜效率>2.5 b it/s/H z（FDD，在20 MHz帶寬，單天線傳輸條件下）。

上述是針對上行、下行各采用20 M H z帶寬情況下性能指標的要求，在TDD模式下，上、下行共享20 M H z帶寬，不必同時達到上述上、下行的要求。

LTE-R系統對此指標的要求與LTE系統相同。

3.1.4 移動性

LTE-R系統要求在低速場景（0～15 km/h）系統性能非常好，在較高速場景（15～120 km/h）能實現較好性能，能支持在350 km/h，甚至500 km/h時速下的通信。

3.2 業務質量指標

LTE系統中業務質量指標包括服務質量等級指示（QC I）、分配與保持優先級（ARP）、保證比特速率（GBR）、最大比特速率（M BR）和聚合最大比特速率（AM BR）。其中，QC I是最重要的參數，LTE標準中將QCI劃分為9個等級，每種等級定義如表2所示。根據鐵路業務特點，確定每種鐵路業務的QCI，如表2所示。

表2 QCI屬性

3.3 網絡質量指標

3.3.1 覆蓋

實際組網時，覆蓋范圍主要取決于邊緣用戶速率的大小需求，如500 kbit/s、1 Mbit/s、2 Mbit/s等，不同的目標數據速率的解調門限不同，導致覆蓋半徑也不同，因此確定合理的目標速率后，才能得到準確的覆蓋。LTE系統中覆蓋指標主要包含RSRP和RS-SINR。

1）RSRP

RSRP表示接收信號強度的絕對值，一定程度上可反映移動臺距離基站的遠近，因此這個值可以用來度量小區覆蓋范圍大小。RSRP是承載小區參考信號RE上的線性平均功率。

2）RS-SINR

RS-SINR指UE在RS信道上測量的信噪比，是指示信道質量的關鍵指標之一。RS-SINR在終端定義為RS有用信號與干擾（或噪聲或干擾加噪聲）相比強度，由UE測量得到。

參考國內TD-LTE試驗網的測試情況，建議LTE-R系統覆蓋指標要求如下。

RSRP： RSRP>-110 dBm的面積占90%以上。

空載條件下RS-SINR：大于5 d B的面積占90%以上。

滿載條件下RS-SINR：大于-3 d B的面積占90%以上。

3.3.2 容量

1）小區平均吞吐量

小區平均吞吐量是以小區為單位統計的吞吐量。結合未來鐵路業務需求及LTE系統測試情況，LTE-R系統容量要求如下。

在0～120 km/h場景、20 MH z帶寬條件下，小區上下行平均吞吐量要達到60 Mbit/s。

在120～350 km/h場景、20 M H z帶寬條件下，小區上下行平均吞吐量要達到40 Mbit/s。

2）邊緣用戶吞吐量

結合未來鐵路業務需求及LTE系統測試結果，LTE-R系統上下行邊緣用戶吞吐量的目標是1 Mbit/s。

3）VoIP用戶數

Vo IP用戶數表示系統對語音業務的支持能力。結合國內測試情況，LTE-R系統在20 MH z帶寬，每扇區VoIP的最大用戶數應達到400個。

4）同時在線并發（激活）用戶數

同時在線并發（激活）用戶數取決于LTE協議字段的設計和設備能力。結合國內測試情況，LTE-R系統在20 M H z帶寬內，單小區應能提供超過1 200個“最大同時在線用戶數”的能力。

5）同時調度的用戶數

同時調度的用戶數指的是一個TT I內可以同時得到調度，傳輸數據的用戶數。該指標受限于上下行控制信道的配置。采用動態調度時，一個TT I能同時調度的用戶數約70個。

3.3.3 其他指標

1）附著成功率

終端附著到網絡需經歷以下幾個步驟：開機后小區搜索、隨機接入、RRC連接建立以及附著與EPS默認承載建立，這些步驟后能傳送用戶數據，則附著才算成功。結合國內測試情況，LTE-R系統的附著成功率要求≥99%。

2）RRC連接建立成功率

RRC連接建立成功率指終端發起RRC連接建立請求并成功建立連接的次數與終端發起RRC連接建立請求總次數之比，RRC連接成功后，U E從IDLE狀態轉為CONNECTED狀態。結合國內測試情況，LTE-R系統的RRC連接建立成功率要求≥99%。

3）尋呼成功率

尋呼成功率等于尋呼成功次數與EPC發起尋呼請求總次數比值。結合國內測試情況，LTE-R系統的尋呼成功率要求≥99%。

4）RRC連接異常掉線率

對處于RRC連接狀態的用戶，存在由于eNB異常釋放U E RRC連接的情況，這種概率表示基站RRC連接保持性能，一定程度上反映用戶對網絡的感受。結合國內測試情況，LTE-R系統的RRC連接異常掉線率要求≤5%。

5）切換成功率

切換成功率包括eNodeB內切換成功率、X 2口切換成功率、S1口切換成功率。

切換成功率等于切換成功次數與切換嘗試次數的比值。高速鐵路移動通信對切換成功率要求較高，LTE-R系統各種切換成功率均應≥99.5%。

6）控制面時延

LTE系統主要有兩種狀態，即“RRC_IDLE”（空閑狀態）和“RRC_CONNECT”（激活狀態），從空閑狀態到激活狀態的轉換時間應小于100 m s。LTE-R系統要求與LTE系統相同。

7）用戶面時延

用戶平面時延指U E（或RAN邊緣節點）發送IP層數據到RAN邊緣節點（或U E）的單向傳輸時延。在無負載的小IP包（僅有IP包頭，無負載）情況下，時延應小于5 m s。LTE-R系統要求與LTE系統相同。

4 結論

在下一代移動通信系統研究的背景下，本文對比分析得出鐵路下一代移動通信系統適宜采用的制式，即LTE，在此制式下，結合公網LTE系統應用情況及鐵路特殊業務和環境需求，明確了LTE-R系統技術指標體系，包括3大類，即系統指標、業務質量指標和網絡質量指標。系統技術指標體系的建立為我國LTE-R系統的設計、研發等工作提供了一定的參考作用，其中的帶寬需求和頻段建議為盡早開展鐵路下一代移動通信系統頻率申請工作提供了依據。

但應注意到，文中提出的指標建議僅基于目前的研究成果，今后還要結合LTE關鍵技術在鐵路的適用性、下一代鐵路的業務需求對技術指標展開深入研究；另一方面，要通過搭建LTE-R試驗網，獲得真實鐵路環境下LTE-R系統的技術指標。

[1] 3GPP TR 25.913 V9.0.0 Requirements for Evolved UTRA（E-UTRA） and Evolved UTRAN（E-UTRAN）[S].

[2] UIC LTE/SAE-The Future Railway Mobile Radio System Technical Report[R].2009.

[3] TD-SCDMA研究開發和產業化項目專家組TD-LTE工作組.TD-LTE研究開發技術試驗—外場關鍵技術測試規范（V2.0）.

[4] GSM-R數字移動通信系統總體技術要求.