高速鐵路通信系統研究綜述

敖青青

摘要：高速鐵路的快速發展給人們的出行帶來了方便，與此同時在高速環境下如何保證旅客高質量的通信服務成了當下研究的熱點。第二代鐵路移動通信系統（GSM-R）是窄帶移動通信系統，不能很好的滿足用戶日益增長的業務需求和未來高速鐵路高質量的通信服務。而LTE作為新一代的移動通信系統，結合了OFDM、MIMO等先進的無線技術，具有帶寬大、覆蓋能力強、頻譜效率高的特點，與以語音業務為主的第一代移動通信系統相比，更好的滿足了逐漸增長的多媒體業務的需求。

關鍵詞：GSM-R；LTE；調度算法

一直以來交通工具是人們生活中不可或缺的一部分，飛機，輪船，汽車，火車之間的競爭也愈演愈烈，飛機速度快，機動性高，輕松舒適使得它成為人們的“寵兒”。但是，近幾年高速列車的出現大大提高了火車在競爭中的優勢地位，隨著列車速度的不斷提高，人們的目光漸漸轉移向高鐵。2008年8月1日，時速高達350km的中國第一條高速鐵路——京津城際高鐵正式開通運營，標志中國鐵路正式進入高鐵時代，高速鐵路的迅猛發展給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，我們的視野隨著一輛輛列車的疾馳越發的開闊，距離也隨著列車的疾馳進一步的拉近。目前我國許多城市已經開通了高速鐵路，高鐵站川流不息的人群也印證了高鐵安全、高效、便捷的特點。但是作為鐵路信息化驅動力的鐵路數字移動通信系統的更新就滯后很多。

GSM-R技術

GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway，全球鐵路移動通信系統）是一種基于目前世界最成熟、最通用的GSM（Global System for Mobile Communication）平臺上、專門為滿足鐵路應用而開發的數字式無線通信系統。它在GSM基礎上增加了鐵路基本業務包括功能號表示，功能尋址和基于位置的尋址等，提供了語音調度業務包括eMLPP（增強多優先級與強占業務），VBS（語音廣播業務），VGCS（語音群呼業務）等，并開發了各種新的鐵路應用。它的引入既保證了基站和列車間的語音和數據傳輸，也保證了列車與列車間的通信。但是GSM-R系統是窄帶通信系統，并不能滿足人們對于寬帶業務的需求，也會限制更多鐵路應用（如：視頻監控，多媒體廣播，高數據的旅客業務）的開發。無線技術發展日新月異，作為GSM-R基礎技術的GSM已逐步從產品生命周期的頂峰走向末期，從長遠考慮GSM-R必然向新技術演進。國際鐵路聯盟（International Union of Railway，UIC）也明確表示將LTE-R作為下一代鐵路無線移動通信系統。

新一代移動通信系統LTE（Long Term Evolution）在網絡結構，網絡性能上較2G、3G系統都有了較大的改善，能夠獲得高的數據速率來支持多媒體業務（如：VoIP，視頻流，視頻游戲等）。2013年12月4日，工信部向中國移動通信集團公司、中國電信集團公司和中國聯合網絡通信集團有限公司頒發了“LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務（TD-LTE）”經營許可，標志著我國4G時代的到來。與2G、3G技術相比，LTE系統具有以下優勢特點：

（1）擁有較高的吞吐量。在傳輸帶寬設定為20MHz時，下行和上行峰值數據速率分別為100Mbps和50Mbps。

（2）靈活的頻譜使用。提供了寬帶可變的體系結構，最高支持20MHz的帶寬。

（3）為了更好的支持語音和互動游戲等對時延敏感的數據業務，網絡延時設計為小于10ms，從而提高了保證業務QoS的能力。

（4）支持比較短的幀長度（10ms幀和1ms子幀），這樣允許更快的重發反饋，在終端移動速度高的情況下依然可以獲得高的效率。

（5）在支持高移動速率的基礎上，明確提出了改善低移動速率用戶質量，提高小區邊緣比特率。

（6）采用IP體系結構，與有線通信系統融合，支持后向兼容，支持自配置及自優化網絡和技術，降低了安裝和管理成本。

LTE系統

目前中國移動已推出了LTE公用網絡并投入使用，LTE系統在鐵路上的應用也指日可待。歐美、日本等國家已經相繼開展了相關的研究和試驗工作。在國內，2010年中國鐵路在第七屆世界高速鐵路大會上提出發展LTE-R鐵路寬帶移動通信系統，2013年高鐵聯合基金將“面向高速鐵路安全的寬帶移動通信網絡理論和關鍵技術研究”列為重點資助研究領域，這也預示著新一代鐵路移動通信系統的到來。

雖然LTE采用OFDM和MIMO等先進的無線傳輸技術，有效的擴大了無線資源，提高了頻譜利用率，但是頻譜資源的有限性仍然存在。更高的列車移動速度引起的更大的多普勒頻移，信道的快速變化等問題會使列車用戶通信環境更加惡劣，降低頻譜資源的利用率。另外，更短的傳輸時延，更多用戶數目和用戶業務，也都大大加大了對頻譜資源最大化合理利用研究的挑戰性。無線資源管理就是通過對無線通信系統中有限的無線資源進行分配調度和控制管理，使得系統性能潛質發揮到極致，分組調度是無線管理中一項很關鍵的技術，調度算法在提高系統頻譜效率和資源利用率上有很重要的理論意義和實踐價值。一個好的調度算法可以有效提高無線資源利用率，提高系統的整個性能。

資源調度算法的研究現狀

不管在早期的有線網絡時代還是如今迅速發展的無線網絡時代，調度算法的研究一直是一個熱點。調度負責在每一個時間間隔內控制共享資源在終端用戶問的合理分配，因此隨著高寬帶業務和智能移動設備的不斷增加，就更需要好的調度算法來解決資源調度的問題。早在20世紀80年代學者們就提出了資源調度算法，大體上可以分為兩類：

（1）信道依賴調度：給UE的資源塊分配建立在信道狀態的基礎上，例如：比例公平調度、最大載干比調度等；

62）信道無關調度：隨機的給UE分配資源塊，并且不建立在信道狀態的基礎上，例如：輪詢調度。

隨著人們對調度算法的不斷研究，有更多基于比例公平算法的新算法被提出。M.Andrews、K.Kumaran、K.Ramanan等人在PF算法的基礎上提出了一種新型算法M-LWDF（Modified-Largest Weighted Delay First，改進的最大權重時延優先算法）。M-LWDF算法中引入了丟包率、最大分組時延、首包時延參數，獲得了比PF算法更好的性能。文獻[1]中則在M-LWDF調度算法的基礎上將用戶的優先級與不同的業務的優先級進行關聯，提出了增加修正Q因子的改進的最大權重時延優先算法MFQM-LWDF，并驗證了新算法性能的優越性。

另外對調度算法的研究也需要考慮如無線承載的Qos需求，信道狀態信息，邊緣用戶公平性等方面，考慮因素不同，調度算法就不同。文獻[1]針對現有的LTE下行傳輸調度未能保證實時多媒體業務服務質量的問題，提出了一種改進的支持多媒體業務QoS的兩層調度方案。文獻[2]中則是針對小區邊緣高速移動用戶公平性比較差的問題，提出了時域TTI分配算法，即每間隔一定數目TTI，分配一個只用來調度小區邊緣高速移動用戶的TTI，這樣小區邊緣用戶被服務的機會就大大的增加。另外還提出了面向高速移動用戶頻域的軟頻率復用算法，當頻域調度器中計算用戶頻域優先級的時候，在功率較高的帶寬上將小區邊緣高速移動用戶的優先級增加了一個系數，以此來提高目標用戶的吞吐量。