淺談鐵路無線通信的技術發展

柳小燕

摘 要：闡述了450M無線列調系統及GSM-R系統構成、功能、特點等。分析了當前高速鐵路無線通信存在的主要問題，即可用帶寬窄、傳輸速率低、糾錯能力弱以及多普勒頻移的影響等，結合未來鐵路發展需求，分析了當前需要做的一些關鍵技術研究方向，如寬帶信道建模、MIMO技術、高鐵場景無線資源管理優化以及新的組網技術等。并結合這些技術發展趨勢分析了鐵路無線通信系統的演進方向和趨勢。

關鍵詞：鐵路；無線通信；發展

我國鐵路無線通信技術是從上世紀50年代開始。經過幾十年的發展，取得了舉世矚目的成就。從傳統的單信道模擬通信系統，到現在覆蓋全路的GSM-R數字移動通信系統。

無線列車調度系統是從上個世紀50年代開始的，頻率為150M和450M的單、雙工或單雙工兼容的通信系統。進入21世紀，450M無線列調系統在原有的機車、車站電臺，調度所調度總機的基礎上，開發了調度命令傳發器、無線車次號接收解碼以及編碼器設備，實現了TDCS、調度命令、無線車次號校核等功能。

我國于2000年確定采用GSM-R作為我國鐵路無線通信的發展方向，目前我國鐵路GSM-R系統已建成大約16個核心網節點，待建3個。但是另一方面，隨著高速鐵路的不斷發展，GSM-R作為一種窄帶通信系統，無法滿足未來鐵路發展對寬帶通信的需求，例如列車診斷與維護、視頻監控、旅客服務等業務，都需在高速列車與地面之間建立一條寬帶數據傳輸通道。

1 450M無線列調系統及擴展系統

1.1 450M無線列調系統

無線列車調度系統由車站電臺、機車電臺、鐵路區間的弱場中繼設備（區間無線中繼器、光纖真放站、區間互控電臺、漏泄電纜等設備）、手持臺、調度總機和檢測監視等設備構成。

現有采用A、B、C三種制式，實現了鐵路行車指揮系統的“大三角”、“小三角”通信業務。

1.2 擴展業務系統

450M無線列調擴展業務系統是在450M無線列調系統的基礎上擴展了TDCS機車編碼器以及調度命令接收裝置；地面接收解碼器以及調度命令無線轉發控制器。實現了無線車次號以及調度命令的傳送。

1.3 系統特點

450M無線列調系統在系統裝備、運行等方面有設備簡單、制造容易、成本低廉，目前裝備保有量大的特點。但在適應鐵路數字化、智能化方面存在如下問題：

設備型號、種類繁多；頻率分散，制式不一；技術基礎特別是制式落后，功能擴展十分困難；不能組成大網，功能孤立，通話范圍有限；大三角通信的實現復雜；數據傳輸可靠程度低。

2 GSM-R鐵路數字移動通信系統

2.1 GSM-R鐵路數字移動通信系統

GSM-R是在公網GSM之上，增加鐵路調度通信功能和高速環境要素而建立起來的技術體制。系統一般由交換子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、運行與維護子系統（OMC）、終端子系統、移動智能網子系統（IN）、GPRS等組成。

GSM-R支持高級語音呼叫（ASCI），可以囊括目前各種無線通信系統業務。同時，可以提供貨運信息、車載旅客信息服務和其它增值服務。特別是還滿足了列車高速運行速度下的傳輸列控信息的任務。

2.2 系統特點

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

3 當前鐵路無線通信存在的問題及相關關鍵技術研究

3.1 當前鐵路存在的問題

隨著高速鐵路的發展，對無線通信的功能性要求提出了新的需求，首先是地面系統需及時獲取準確的高速列車各類動態數據，實現對列車的視頻監控、列車組織以及遠程故障診斷與維護等功能，其次車內旅客對無線寬帶多媒體與移動互聯網的需求迫切。因此需要建立一套傳輸速率高、時延低、可靠性高、安全性好的車地間無線寬帶接入網來承載這些業務。而鐵路現有的450M無線列調系統以及 GSM-R遠不能滿足未來鐵路的發展需求。

鐵路無線通信向寬帶發展是必然的趨勢。但GSM-R的應用場景不同于公眾網，能夠成功應用于公網的無線寬帶通信系統應用在高速鐵路環境時，會面臨許多不利因素。主要有以下幾點：

3.1.1 突發性干擾。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雜，電氣化設備繁多，由電氣設備產生的各種脈沖干擾和其它電磁干擾將嚴重影響無線寬帶通信系統的性能。

3.1.2 小區切換。在蜂窩移動通信系統中，當處于通信狀態的移動終端從一小區移到另一個小區時，當移動終端的速度提高后，假設切換區大小不變，那么移動速度越快則終端穿越切換區的時間越短，以至于穿越切換區的時間小于系統處理切換的最小時延，則切換過程無法完成，導致掉話。

3.1.3 多普勒擴展。較大的多普勒頻移會使接收端下變頻后的基帶信號產生頻偏，引起信號失真。繼而影響信道均衡與相關解調的性能，使通信質量惡化，甚至掉話。多普勒頻移還會對移動終端的小區切換產生影響，隨著頻偏增加導致移動終端的鄰小區測量性能下降，當頻偏增加到一定程度，移運終端對鄰小區的測量出現嚴重偏差，導致切換無法被觸發。嚴重的是，當窄帶通信變為寬帶通信后，其多徑效應會更加明顯，當不同徑的信號經過不同的反射、折射或者散射路線到達接收端后，每條徑的多普勒頻移均不同，給信號檢測造成極大的困難。

3.1.4 無線信道加劇。在移運臺高速移動的情況下，由于移動臺周圍的反射體和散射體快速相對運動，導致無線信道時變加劇。對于高鐵這種信道時變特別快的應用場景，目前公網普遍采用的基于閉環的技術均需對其算法加以改進以適應快速變化的信道環境才能獲得預期增益。

3.2 關鍵技術研究

為滿足高速鐵路的無線需求，應開展如下關鍵持術研究。

3.2.1 無線寬帶信道建模。研究高速鐵路應用下的寬帶信道模型，通過理論分析與實測數據，分析無線寬帶信號路徑損耗、大尺度衰落、多徑效應的沖激響應、多普勒擴展等模型，以此確定高鐵環境下影響無線寬帶通信性能的主要因素，為選擇有效的無線通信技術提供依據。

3.2.2 多天線技術。公網中廣泛應用的多天線技術包括MIMO、智能天線等技術。MINO通過線性/非常線性預編碼可實現空間分集或空分復用，達到提高可靠性或提升容量的目的。智能天線則可以利用波束成形跟蹤指定用戶，減小干擾并增加系統容量。因此，有必要研究高速移動環境下的多天線技術，對現有技術加以改進，使其能夠在高速鐵路下仍能夠發揮其最優性能。

3.2.3 無線資源管理優化技術。高速移動環境下的無線資源管理優化技術包括切換優化、資源調度優化，小區干擾協調優化等。未來列車的速度越來越快，穿越小區重疊的時間越來越短，因此需要優化切換算法或組網覆蓋方案，保證切換成功，（下轉第134頁）此處，還需要優化資源調度、干擾協調等方案應對高鐵通信特有的話務突發性，集中性及小區帶狀等特點。

3.2.4 組網技術。研究高速移動環境下無線寬帶網路的組網技術，涉及車廂內無線局域網、地面蜂窩網絡與地面骨干網絡的共同組網，建立端到端的可靠鏈路，降低用戶數據或控制信令在網絡中的傳輸時延，并充分利用現有網絡基礎設施以減小成本。

4 未來鐵路無線通信的發展方向

鐵路無線通信技術必然要向能夠在高移動速度下提供高數據率的車地寬帶通信系統演進。由于公網的寬帶通信系統已經部署商用，因此鐵路無線通信技術向寬帶的發展可以借鑒公網的成功經驗。

目前，公網移動通信技術的演進路徑主要有三條：一是WCDMA和TD-SCDMA，均演進到LTE；二是CDMA2000也通過一定方式演進到LTE；三是802.16m的WiMAX路線，由WiMAX演進到WiMAX II 。這其中LTE擁有最多的支持者（愛立信、諾基亞西門子、華為、阿爾卡特朗訊等主要電信設備商）。然而中興、華為已經率先推出基于LTE的鐵路無線通信系統。

LTE采用了OFDM/FDMA、MIMO、智能天線、LDPC等先進技術，可在20MHZ頻譜帶寬上提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速度，小區覆蓋半徑最大可達100Km， 特別是采用了扁平化的IP網絡結構，全部業務均在分組域實現，并且將用戶面時延降低到5ms以下，控制面時延降低到100ms以下。LTE系統以其優秀的性能可以滿足現有各種寬帶業務的需求。

現有的GSM-R系統完全可以沿著公網的演進路徑，從目前的窄帶通信系統演進至LTE甚至是更為先進的LTE-Advanced，但是考慮到鐵路無線通信應用場景的特殊性，鐵路無線通信的演進會跨過公網的3.5G、3.75G，而直接演進到LTE。從國際聯盟（UIC）對鐵路無線通信的展望，可以看出，UIC計劃跨過3G的演進階段，直接從GSM-R 演進至LTE-R。當然，由于鐵路無線通信面臨高移動速度與復雜電磁環境的不利影響，會大幅降低LTE系統的性能，因此，當把LTE系統應用于高速鐵路環境中，必須對其加以改造，將LTE變為LTE-R，保證在高速移動速度與復雜電磁環境下仍然能提供較大的容量和穩定的Qos.

5 結語

GSM-R數字移動通信系統在許多投入運行的高速鐵路上，發揮了巨大的作用，但是新技術總是有其先進性和優勢，網絡演進是必然，未來鐵路無線通信技術將向LTE-R方向發展。

參考文獻

[1] 鐵道部，運輸局.450MHz調度命令無線傳送系統主要條件（V.4）2005，4.

[2] 鐵道部.GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[3] 鐘章隊，黃吉瑩.我國鐵路GSM-R的發展研究[J].中國鐵路，2006，11.

[4] 沈嘉.LTE- Advanced關鍵技術演進趨勢[J].移動通信，2008.