鐵路無線通信工程中的LTE—R技術研究

黃勇

摘要：在鐵路交通的發展過程中，傳統GSM-R技術不能跟目前列車和乘客的數據需求相吻合。目前在火車上的乘客對移動寬帶的需求是比較旺盛的。使用筆記本、手機等移動設備開展商務工作或娛樂休閑活動，這已經逐漸成為一種大趨勢。所以，對于LTE-R技術在鐵路無線通信工程中的應用具有較大的實際意義。

關鍵詞：鐵路無線通信工程；LTE-R技術

1.鐵路無線通信技術向LTE-R演進的必要性

1.1窄帶系統無法滿足寬帶業務需求

當前，鐵路通信系統可為GSM-R系統提供很多鐵路通信標準功能，可開展的業務有視頻監控、信息共享及旅客的無線寬帶接入等。從通信制式方面看，GSM-R立足于二代窄帶技術，本身數據承載能力有限：電路交換數據業務（CSD）速率低，為kb/s級別，僅能承載流量要求較小的專用列控數據；而通用分組無線服務（GPRS）可供使用的帶寬也有限，無法滿足日益增長的上層應用需求。通過實踐發現，車-地間人員通常只可使用語音相互溝通和交流，地面上的工作人員不能遠程掌握現場情況，難以采集到現場的準確信息。這種缺陷在重大事故出現的時候表現非常明顯。倘若車廂內有無線寬帶通信服務，那么有關工作人員就可以通過無線通訊設備快速準確地傳遞現場視頻信息，通過這些信息使車-地工作人員快速協同合作完成救援任務。當遇到乘客產生糾紛時，可使用視頻監控控制好事態的發展方向，同時，也可以在事故發生之后，找到事故發生的原因，從而為以后預防事故吸取經驗教訓。除此之外，為了提供一些常規性的服務，車廂內可配備車載信息系統，可及時向乘客提供列車運行時刻表和天氣預報等信息，大大提升乘客的出行便捷性。這些應用是在視頻傳輸的基礎之上進行的。視頻交流對與傳輸速率的要求是比較高的。

1.2LTE系統可為旅客提供無線寬帶

在網絡的開放性角度看來，GSM-R是一種鐵路專網，公眾旅客通信服務難以實現。首先，為了顧及到系統的安全性，使用了封閉式的運營管理。其次，考慮到系統容量的限制性，由于業務接入量有上限，所以一般情況下會首先滿足鐵路運營人員的使用需求。但是，為了運輸更加便利化，實現高鐵跟旅客之間的通信連接，應實現對公務處理和網絡娛樂的遠程控制。當前，在途鐵路旅客的通信需求通常情況下只可通過公共通信網絡實現，在列車速度逐漸增加之后，公網通信的語音質量可能會變差，難以為乘客提供高質量的寬帶接入服務。如果能在鐵路沿線開通LTE網絡，不僅對鐵路員工開放，還可對乘客開放，那么就能為乘客提供更加友好的服務體驗。當然，在這個過程中，要保障鐵路運營的安全和高效性。

2.LTE系統的性能介紹

在GSM陣營中，LTE是其中比較前沿的網絡系統，在設計的過程中，應當考慮到該系統具有移動性和寬帶性。靈活信道帶寬要求對于LTE網絡的數據傳輸能力提出了嚴峻的考驗?，F在看來，LTE在公網運營中已吸取了很多經驗教訓，它在移動通信制式里面是比較成熟的。根據LTE的特點，可知該系統比較適合于鐵路通信。LTE系統采用的組網的網絡結構是扁平化的結構，不僅能使系統延時，還能改善系統的整體性能，提高用戶體驗度。在控制面，從空閑模式到激活模式，用時小于100ms；從休眠模式到激活模式，用時小于50ms。在用戶面，最小時延可達到5ms。在頻譜效率方面，采用正交頻分復用（OFDM）技術，下行20M頻譜帶寬內，峰值速率為100Mb/s，頻譜效率達到5b/s/Hz。上行20M頻譜帶寬內，峰值速率為50Mb/s，頻譜效率達到2.5b/WHz。

3.鐵路無線通信中的LTE-R技術的應用

3.1支撐新型鐵路業務的傳輸技術

在鐵路未來的發展過程中，通信業務仍然需要大量開發。其中視頻監控與旅客多媒體服務就是兩項需要開發的通信業務，他們對LTE-R技術的應用提出了更高的要求。LTE-R技術對傳輸技術提出了一定的要求，按照相關的驗證結果，應當使用QoS指標來確保LTE-R技術的業務承載性能。從細節角度來講，可從下面三個方面來對傳輸技術進行改進。第一，對鐵路場景中的上下行配比進行優化和改善。舊有的公網LTE技術一般情況是使用下行通道對承載業務進行傳輸。鐵路無線通信工程建設中的LTE-R技術對上行通信帶寬提出了一定的要求。2、上行鏈路自適應提升技術。LTE-R技術在上行吞吐率上的要求比較高，甚至會遠遠高出當前LTE中的上行業務，這時就可以使用鏈路自適應技術來提升上行傳輸能力。3、組織呼叫和廣播語音技術。在HSS網元中增設了組呼信息、廣播信息和呼叫控制功能，使之能像GSM-R系統一樣實現GLR功能。

3.2改進網絡結構

LTE-R技術為了達到鐵路無線通信的技術標準，要對網絡結構進行一定的研究。鐵路無線通信對組呼和電話調度等語音通信提出了較高的要求。這其中的原因是LTE技術中的核心網采用復用形式，可實現包交換，其難以實現電路交換下的語音業務。在實驗室中進行2G語音回落模塊和IMS等支持電路域交換的LTE網元測試

3.3改進型小區切換技術

根據在某LTE項目的實施經驗，減小小區切換時延和切換重疊區，以適應鐵路應用要求。在鐵路應用中，切換重疊區的縮短便于開展頻率規劃，減小系統內干擾。同時，在重載鐵路項目中，切換時間的減小有利于保證重載列車操控和列尾數據的完整、有效傳輸。

4.小結

在經濟全球化的發展浪潮中，我國的經濟建設也得到了飛速發展，鐵路通信信息化需求也更旺盛了。因此，從GSM-R向LTE-R的轉變是必然的。在GSM窄帶通信到LTE寬帶網絡過程中，信息傳遞變得更加便利化和更加安全。在鐵路領域中，無線通信技術得到了持續發展，如果能夠對鐵路運能實現改善，那么，這毫無疑問能促進我國經濟的可持續性發展。