TD—LTE4G技術在高鐵通信系統中的展望

摘 要：隨著通信技術的發展，傳統的GSM-R鐵路通信系統越來越不能滿足當代高速鐵路的通信需求。GSM-R系統正面臨著信號穩定性差，抗干擾能力弱以及數據傳輸安全性的問題。本文通過探討TD-LTE 制式下的4G技術特點，并分析相關參數，對4G技術運用在高鐵通信系統作可行性展望。

關鍵詞：GSM-R系統；高速鐵路；4G技術；鐵路移動通信

一、引言

GSM-R系統是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統。屬于專用移動通信的一種，專用于鐵路的日常運營管理。它在高級語音呼叫功能和強拆業務的基礎上，加入了基于位置尋址和功能尋址等功能，適用于鐵路通信特別是鐵路專用調度通信的需要。

然而，在經過了全國鐵路大提速之后，GSM-R的通信問題開始暴露。特別是當列車時速超過140 km/h后采用GSM信號，會降低通信質量，提高誤碼率。甚至當服務質量達到最低閾值時，有關的數據將被中斷，從而導致列車不必要的停車或減速。

（一）GSM-R通信系統簡介

GSM-R采用900MHz工作頻段，885MHz～889MHz（移動臺發，基站收）、930MHz～934MHz（基站發，移動臺收）；共4MHz頻率帶寬；雙工收發頻率間隔45MHz，相鄰頻道間隔為200kHz。共有21個載頻。實際可用頻道19個。

GSM-R系統包括網絡子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、運行和業務支撐子系統（OSS/BSS）和終端設備等四個部分。其中，網絡子系統包括移動交換子系統（SSS）、移動智能網（IN）子系統和通用分組無線業務（GPRS）子系統。GSM-R通信系統結構如圖1所示。

圖1GSM-R通信系統結構圖

（二）GSM-R技術與GSM的區別

在網絡設計方面，GSM公眾移動通信網的建網目的是在保證用戶滿意度的前提下，節省網絡投資。而專用移動通信網絡是保證行業生產的安全可靠性，網絡設計不僅要考慮經濟效益，還要注重網絡安全性、可靠性。

GSM-R與GSM總的區別沒有多大，但有一點要明確的是，GSM-R是鐵路通信專網，對于安全有很高的要求。而GSM是公網，主要是解決容量和覆蓋質量問題。

（三）GSM-R系統的缺點

由于GSM-R采取了和GSM相似的制式，所以存在以下缺陷。

1、系統容量有限。不能從根本上解決目前用戶數量急增與頻率資源有限之間的矛盾。

2、編碼質量不夠高。GSM-R系統的編碼速度為13 kb/s，這種質量很難達到有線電話的質量水平。

3、終端接入速率有限。GSM-R系統的業務綜合能力較高， 能進行數據和話音的綜合， 但終端接入速率有限。

4、切換功能較差。GSM-R系統軟切換功能較差，因而容易掉話，影響服務質量。

5、漫游能力有限。GSM-R系統還不能實現真正的國際漫游功能。

二、4G技術在高鐵通信中的應用

（一）高鐵通信面臨的挑戰

根據未來高鐵的發展趨勢，高鐵覆蓋方案應該能滿足350km/h以上速度。根據建成后的京津高鐵GSM-R專用通信網推斷，高鐵覆蓋方案在最短發車間隔狀態下應該滿足300名左右旅客的話務量需求，網絡接通率超過95%，覆蓋率為99.5%。因此高速列車場景的網絡覆蓋面臨以下挑戰。

1、車體穿透損耗大。高速列車采用密閉式廂體設計，增大了車體損耗。

2、多普勒頻偏。高速覆蓋場景對FDD LTE系統性能影響最大的是多普勒效應。

3、高速影響性能。在UE（用戶設備）高速場景下，對切換的性能會有較大的影響。會造成用戶的QoS下降甚至掉話。

4、公網和高鐵覆蓋專網相互影響。專網和公網之間應避免形成空洞和過度重疊覆蓋，特別要避免大網站點越過高鐵軌道進行覆蓋。

（二）4G技術簡介

4G指的是第四代移動通信技術，該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。4G是集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸數據、高質量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbps以上的速度下載并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。

不同覆蓋面積移動性與速率對比如圖2所示。

圖2 2g，3g，4g覆蓋面積移動性與速率對比

（三）4G技術特點

1、多網絡融合。多種無線通信技術系統共存。可以采用多種無線接入方式，比如IEEE802.11，WCDMA， Bluetooth，HyperLAN等。

2、用戶容量更大。容量至少為3G系統的10倍。4G系統的頻譜效率應當為3G系統的5到10倍。

3、無縫的全球覆蓋。用戶可在任何時間、任何地點使用無線網絡。4G系統應能實現全球范圍內多個移動網絡和無線網絡間的無縫漫游，并實現高速移動中系統間切換和網絡互聯。

4、帶寬更寬。更高的單位信道帶寬和頻譜傳輸效率。

5、智能靈活性。用戶的無線網絡可以通過其他網絡擴展其應用業務，自適應地變換不同信道。

6、兼容性。兼容多種制式的通訊協議和終端應用環境，及各種終端硬件設備。4G系統兼容性如圖3所示。

圖3 4G兼容性示意圖

三、LTE高鐵覆蓋解決方案

針對高鐵覆蓋所面臨的大頻偏、頻繁切換等技術難點，中興通訊提供專業的LTE高鐵覆蓋方案。

1、自適應頻偏校正算法。對于列車時速高達300km/h的場景而言，如果頻偏跟蹤速度太慢，會導致性能嚴重惡化。自適應頻偏校正算法能在基帶層面實時檢測出當前子幀頻率偏移的相關信息，對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正，提升基帶性能解調。

2、單小區多RRU級聯技術。首創的SDR平臺，設備體積小、重量輕，功耗低，環境適應能力強。BBU+RRU技術，可以將多個RRU 組網，利用基帶合并技術組合到一個小區內，有利于增加覆蓋信號強度。

3、公網和專網的切換原則。要重點考慮公網和專網的切換原則和對應關系，保證公網用戶順利切入高鐵專網，并保證離開站臺時，避免發生乒乓位置更新。

4G技術運用于高鐵通訊系統的模擬圖如圖4所示。

圖4 4G運用于高鐵通信系統的模擬圖

四、結束語

使用全新的4G技術替代GSM-R可以提供多運營商接入，減少建站成本。鐵路沿線部署一套TD-LTE無線回傳網絡，減少站點投資，同時現低成本快速建網。領先的SDR基站系列產品，支持上行30Mbps和下行100Mbps的傳輸速率，覆蓋廣，保障回傳網的低成本建網和運營。良好的車內無線通信環境，通信質量得到大幅提升。利用車載臺和外置車載天線進行發射和接收，保證了車廂內部信號強度，改善無線通信環境。車廂內部采用泄露線纜進行分布式覆蓋，保證無線信號覆蓋均勻、穩定。先進的頻偏補償算法支持速度不小于350km/h的頻率偏差，能克服大于2000Hz的頻偏。優化小區切換、重選參數，簡化呼叫、切換流程，優化鄰區配置，實現網絡的無縫覆蓋，保障切換成功率。本文在重點探討了4G技術的特點和性能后發現，4G通信系統應用于高速鐵路通信系統存在理論上的可行性。

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