TD—LTE無線通信系統在鐵路上的應用研究

劉金成

摘 要：TD-LTE無線通信技術作為國內自主知識產權新型無線通信系統標準，當前已被應用在我國鐵路系統當中。論文介紹了TD-LTE無線通信技術的發展背景，提出了其發展方向，對TD-LTE無線通信技術從網絡架構、關鍵技術、信道估計技術幾個方面進行了詳細的描述，最后對其應用進行了探討。

關鍵詞：TD-LTE技術；無線通信；鐵路；關鍵技術

中圖分類號：U284 文獻標識碼：A

從2003年起，我國的鐵路專用通信網絡大多采用GSM-R技術，并且在實際應用中取得了較大的成功。當前我國的青藏線、大秦線、膠濟線等鐵路都采用GSM-R通信技術。隨著我國鐵路運營系統的高速化和現代化發展，現今的GSM-R技術已經難以滿足其各方面的業務需求。因此，鐵路通信系統需要在原有的技術上進行技術和結構升級以適應鐵路移動通信的高傳輸率、高傳輸量、高帶寬承載能力、高可靠度、短時延的發展趨勢。

1 TD-LTE無線通信技術的發展背景

現存的GSM-R通信技術在引入了GSMS網絡技術之后，其通信系統在構建方式和數據承載能力上都得到了一定程度的完善，但是從其技術本質上來講，它仍然屬于第二代移動通信技術。目前的GSM-R鐵路移動通信技術在業務開展能力上已經難以滿足現代鐵路通信系統的需求，其業務處理能力必須得到改善和提升。因此，鐵路通信系統必須找到新的發展出路，結合我國鐵路的運營現狀和未來發展動態構建符合新時期發展的鐵路通信系統。結合用戶對移動通信的未來需求以及國際鐵路的無線通信發展趨勢。根據我國的鐵路通信工程發展現狀，采用與國際接軌的無線通信技術方案，以解決我國在無線通信技術領域相對薄弱的技術水平和建設實踐經驗，通過直接分享國際已有的研究成果，來降低研發成本，降低制式選擇所帶來的風險性。在此大背景下，選擇TD-LTE無線通信技術成為我為鐵路通信發展的新方向是準確的，符合我國當前的實際情況的。

2 TD-LTE無線通信技術

LTE是2008年由3GPP在Release 8標準中提出并定義的一種新型的無線空中接口標準。LTE技術是以移動通信技術山3G過渡到4G的銜接性標準，LTE是移動通信3G到4G技術的過渡標準，它是基于CMTS/HSPA和GSM/EDGE并在這兩種技術上，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡通信體系構建與演進的唯一標準。在通信結構制式上，LTE主要分為兩種：一是LTE-FDD、二是TD-LTE。其中TD-LTE技術是我國通信企業普遍采用的一種LTE標準。TD-LTE與LTE-FDD兩種制式在設計主架構和技術標準上是基本統一的，尤其是在高層協議方面。兩者之間的差異性主要體現在物理層上。這兩種制式是未來移動通信的未來發展趨勢。當前在我國的鐵路通信系統當中主要是采用TD-LTE制式，本論文部分也主要是講TD-LTE制式的應用。

3 高速鐵路TD-LTE無線通信系統

3.1 網絡架構

下一代鐵路通信系統的TD-LTE結構與LTE/SAE技術存在著相同與相似性。與現有的GSM-R通信系統網絡架構相比較，兩者之間的差異性主要表現在接入網技術和核心網組建技術上。就核心網技術而言，TD-LTE網絡結構與GSM-R的最大不同是前者采用全IP網絡。其采用HSS歸屬用戶服務器作為本地用戶服務器，主要負責對用戶的注冊性資料信息進行統一管理。另一方面，TD-LTE采用IP多媒體子系統為系統提供IP多媒體服務，能夠實現數據傳輸包的有效傳輸，通過會話初始化協議實現可以互操作的IP協議服務。與GSM-R網絡架構相比較，TD-LTE的網絡架構相對扁平和簡潔，突出了系統的本質作用性和實效性，從而極大的減少了設備和網絡節點維護成本，為網絡部署提供了更高的便利性，節省了運營商的開發成本的運營成本，同時采用基站與核心網直接相連的關鍵性技術，能夠大大減少信令的交換，提高了系統運行的整體效率。

3.2 關鍵技術

（1）調制和信道編碼技術

下一代鐵路通信LTF制式可采用的調制編碼技術可以參考地而電信通信系統。其下行鏈路，PDSCH物理下行共享通道和PMCH物理多播信道可采用16QAM、64QAM和QPSK技術；PBCH物理廣播信道和物理控制格式指示信道可以采用QPSK技術；PCFICH物理控制格式指示信道可以采用QPSK、BPSK調制方式可以用于PHICH物理混合自動重傳指示信道；上行鏈路中，物理上行共享信道PISCH可采用16QAM、64QAM和QPSK技術；PUCCH物理上行控制信道可采用QPSK。同時，所采用的BPSK調制方式還可以有效地降低峰均值比。

（2）OFDM和MIMO

與現在廣泛應用的GSM-R技術相比，下一代鐵路通信LTF系統可以采用正交頻分復用OFDM和多輸入多輸出MIMO技術。OFDM技術的功能實原理為通過串并交換技術將高速數據流轉為較低的傳輸速率并同時分配到多個相互正交的子通道。通過利用每個子通道相對較長的符號周期，來緩解無線通道的時延擴展問題。同時，可以在OFDM傳輸信號之間插入保護間隔，并將保護間隔的設置方式為大于信道的最大時延擴散，從而使時延現象得以緩解，從最大化的消除信號傳輸時候所帶來的彼此之間的干擾。同時，為了滿足下一代鐵路通信系統對高傳輸速率和高信息傳輸量的要求，高速鐵路TD-LTF系統可以引入MIMO技術。

在MIMO技術的系統配置方面，下行天線的基本配置可以采用2×2的模式，即采用2天線發送和2天線接收的技術，在系統擴展技術支持上最大滿足4天線進行信息的下行四層傳輸，其中所指的天線為MIMO的虛擬天線技術。信號的上行傳輸一般采用1×2的天線傳輸模式是1×2.即一個發送天線和兩根接收天線。MIMO技術通過正交頻分多址技術將信號傳輸分配成多個相互正交的通信子信道，MIMO技術對每個子信道進行信號處理，從而極大意義上簡化了信號傳輸頻率選擇次數，降低了信號檢測難度。其中，采用MIMO處理技術可以針對每個子信道應用獨立的調制編碼方式，使信道傳輸速率與MIMO信息容量達到最大程序上的適配，在寬帶不增加的情況下有效地提升頻譜效率。

（3）信道估計技術

進入21世紀以來，我國現代鐵路運輸體系向高速化方向發展是必然趨勢。同時，鐵路的高速運行信息通信系統的建設也帶來了難度。受到鐵路高速運行的影響，傳輸信道的時變性轉換度增大，同時運行所產生的多普勒效應對信號傳輸也帶來技術處理上的難度。為了克服鐵路高速運行所帶來的信號衰落率增大的現象，有必要采用信道估計技術來使其誤差降低到最小化。

下一代鐵路通信TD-LTF系統可以一般性信道估計技術為參考，并結合鐵路系統建設的實際情況進行技術上的適應性調整。其中，信息傳輸的上行通道估計技術可以采用Turbo譯碼迭代信道估計方法，其功能實現的原理為：利用Turbo譯碼技術對信號傳輸數據進行輸出判斷對比，然后根據比對結果對信號進行硬判決處理，將比對處理后的信號發送到信號解制解調模塊，將產生的最終信號反饋到信號估計模塊，作為下一個信號的信道估計可參照依據。

下行信道估計技術可以采用基于內插的技術處理方法，其實現的技術依據為：符號在其他載波位置上的信道估計數值的提取可以通過一維線性插值來確定出同一符號中的相鄰導頻值，以此確定的導頻值為相關信道的估計參考標準。利用線性插值技術進行信道估計，可以允許信道在時域內快速變化，從而有效地解決鐵路快速運行所產生的信號衰變問題，這是利用了插值可以在每個符號的持續時間內完成的技術，因為信道的相關時間在實際中是非常短，能夠通過此技術實現信號的移動接收，如果信道帶寬大于導頻信道的間隔帶寬，就能準確地進行信道估計。

（4）差錯控制技術

在信息通信系統中，可以采用兩種應用比較廣泛的差錯控制技術，即前向糾錯FFC技術和自動重復請求ARQ技術。兩種差錯控制技術各有優缺點，其中FFC前向糾錯技術的效率較高，但在可靠度上遠不及ARQ技術。ARQ系統的效率是信道誤碼率的函數，其效率性很大程度上受制約與信道誤碼率的增加，這就導致在信道受干擾度較大時難以使用。而采用先進的HARQ技術可以融合FFC技術與ARQ技術的優點，能夠獲得幣ARQ更高的效率，且能有效對差錯進行控制，從而大大提高了可靠性。

4 TD-LTE無線通信系統的鐵路應用

4.1 TD-LTE在無線調度系統中的應用

當前我國鐵路無線列調提供的業務只有兩種，包括窄帶數據業務和語音業務。通過VOIP技術，LTE可以使得一個e NB小區在同一時間滿足600個用戶的語音通信需求。另外，LTE技術還具備寬帶集群調度的功能，比GSM-R的系統容量更加大、時延也更加短，而且具有語音數據融合調度的特點。LTE還可以為視頻調度提供技術支持，有利于使用車輛的人進行精確定位，從而將列車調度的可靠性以及安全性有效提高起來。

4.2 TD-LTE在車載數據及視頻監控中的應用

在當前車載數據類型應用如下：

（1）列車設備運行監控數據：實時監控機車動力、電力等設備狀態。

（2）列車控制數據：列控以及ATP，ATO和車機聯控等高可靠數據。

（3）列車多媒體視頻廣播：根據地域特點和旅客類型進行高清視頻廣播，提供旅客舒適性。

（4）車廂視頻監控：了解乘客和車廂狀態，保證列車和乘客安全。

（5）列車外部視頻監控數據：了解司機工作狀態，保證駕駛安全，調度中心通過視頻，可以隨時了解車廂內外實際情況。

車載數據通過數據接入單元（TAU），將車內的IP局域網數據通過TD-LTE傳輸到地面。TAU單元特點如下：

（1）TD-LTE列車接入單元TAU支持多種專網頻段。

（2）滿足高速移動情況下的性能要求。

（3）外置雙天線接口，支持多集和雙流。

（4）提供IEEE802.3/3u以太網接入。

（5）內置DHCP Server，DNS及NAT功能。

（6）基于WEB方式管理界面，方便直觀。

（7）支持遠程維護，包括狀態管理、配置管理、軟件升級等。

（8）適應車廂內嚴酷電磁環境和高溫、濕熱環境使用要求。

4.3 TD-LTE安全網絡中的應用

LTE網絡需要通過對容災進行備份而為鐵路安全數據提供可靠性的保證。首先就要采用雙層網絡與雙網冗余實現對核心網的連接，e Node B板卡要進行冗余配備，然后再采用雙頻和雙網對其進行交織與覆蓋，必須要在系統安全冗余有保證的前提下，避免同頻干擾，從而為網絡的性能及其安全提供保證。

4.4 在旅客信息服務系統中的應用

隨著信息技術的飛速發展，網絡已成為人們生活中的重要組成部分，同時也成為了乘客需要服務的部分。LTE通過TAU為乘客提供網絡等多媒體信息服務。高清視頻廣播服務：采用H.264或MPEG4流運行在多個典型場景下的無線信道環境。該結果驗證了提出的無線信道仿真機制能夠支持變化的場景下GSM-R系統的無線信道仿真。

結語

綜上所述，TD-LTE在鐵路上的應用很廣泛特別是在鐵路單元重載、高密度、高速度條件下對提升運輸效率、持續擴大運能具有非常重要的現實意義，而且前景十分光明。當前很多路段都已一次性升級為TD-LTF通信系統。但是在D-LTE在不斷發展的過程中，也需要將各種存在的問題進行解決，如今無線通信的發展趨勢就是高速寬帶，在對鐵路通信系統進行升級管理過程中，需要對后期維護管理進行簡化，推動鐵路無線寬帶通信的更進一步發展。

參考文獻

[1]尹?？?TD-LTE無線通信系統在鐵路上的應用[J].鐵路通信信號工程技術，2013（03）：1-5+10.

[2]許準.TD-LTE無線通信系統在鐵路管理中的應用[J].中國高新技術企業，2015（07）：51-53.

[3]孫超.TD-LTE1.8GHz無線寬帶系統在如東電力通信網中的應用[J].中國新通信，2015（03）：81-82.

[4]劉紹鵬.TD-LTE在未來地鐵無線通信中的應用[J].中國新通信，2015（12）：89.

[5]王敏，容志能，王浩，陳寶仁.TD-LTE系統在智能配電網通信中的應用研究[J].電力信息與通信技術，2014（05）：103-108.