LTE-R關鍵技術研究及應用分析

董玉圻

（國家鐵路局裝備技術中心，北京 100070）

在鐵路通信系統中，GSM-R為其專門設計的數字移動通信系統，其具備多種功能：第一種為應急指揮；第二種為鐵路調度指揮；第三種為運輸生產等無線通信功能。在高速鐵路系統發展過程中，其對通信技術有了新的要求。由于GMS-R是窄帶網絡，其在鐵路應急事件處理、列車監控等方面的應用存在局限性，難以滿足通信需求。我國于2010年開始研究LTE-R鐵路移動專用通信系統，京沈高速鐵路上已經開始對LTE-R系統進行試驗，同時一些設備廠商也依據鐵路的具體需求，積極開發移動通信設備。此外，驗證鐵路業務需求的滿足性，重點是承載CTCS-3列控系統等業務時的可靠性、可用性。

1 LTE系統介紹

LTE( Long TermEvolution ，長期演進)是3GPP（The 3rd Generation PartnershipProject）技術標準的 長 期 演 進。2004年12月，LTE于3GPP多 倫 多 會議中被正式啟動。作為一種3G和4G之間的過度標準，它是基于GSM/EDGE，并在其基礎上使用了MIMO（Multi -Input&Multi-Output，多輸入多輸出）和OFDM(，正交頻分復用）等關鍵技術的標準。LTE技術具備多種優點：第一種為傳輸速率高；第二種為網絡接入方式靈活；第三種為網絡覆蓋面廣；第四種為網絡延時低；第五種為頻譜效率高。

1.1 LTE網絡結構

LTE網絡采用了扁平化的網絡結構和IP化的接入方式，接入網是由RNC（無線網絡控制器）與Node（無線基站）優化結合得到eNodeB（增強型基站）。LTE網絡由三部分構成：第一部分為用戶設備（UE），其指的是移動終端設備；第二部分為增強型基站（eNodeB），負責接入網部分，因而也被稱作E-UTRAN（地面無線接入網）；第三部分為核心網（EPC），負責該網絡的核心部分，由服務網關（S-GW）、移動性管理實體（MME）構成。具體情況如圖1所示。

圖1 LTE網絡結構

1.2 LTE-R的提出

在鐵路技術設備發展過程中，出現了許多新的技術要求。綜合考慮多種因素，鐵路部門將以LTE技術為基礎的LTE-R（Long Term EvolutionforRailway ）技術應用到下代鐵路移動專用通信系統中。LTE網絡已經廣泛應用到公網中，且技術已經非常成熟。在此背景下，構建滿足高速鐵路及重載鐵路需要密切可以取代GSM-R網絡的具有高速化、寬帶化的LTE-R網絡勢在必行。

2 LTE-R關鍵技術

2.1 正交頻分復用技術OFDM

正交頻分復用OFDM是從MCM( Multi CarrierModulation ）基礎上得到的，其主要功能是提高信道寬帶的利用率。利用該技術可以把串行數據流拆分為多個相互正交的子數據流，且重疊的頻域子信道之間同時傳輸，需要注意的是子數據流為并行傳輸方式。OFDM是復用技術，數據流傳輸在各個子信道之間是并行的，互相不干擾，每個子載波之間都空閑了很大的間隔，相比傳統的調制技術FDM，大大地提高了帶寬利用率。OFDM具有以下優點：結構簡單、易于硬件實現、頻譜利用率高、頻率選擇性衰落能力強、抗多徑干擾能力強。

2.2 多輸入輸出技術MIMO

OFDM（正交頻分復用）可以將頻域信號分為多個子信道，也將數據信號流分為多個子信號流，這些信號流由多個子載波傳輸。必須由多個天線同時傳輸信號，信號通過無線信號以后，由多個天線同時接收，這種使用多天線的技術就是多輸入多輸出技術MIMO。該技術是基于發射功率及帶寬逐漸增加的情況，同時發送、階數多方位的信號，從而在不增加寬帶的條件下實現了信道容量的增加。該技術具備多種優點：第一種為信號傳輸速率快；第二種為信號覆蓋面積大；第三種為信號接收的誤碼率較低。

為了卻并OFDM的多子波可以同時傳輸，LTE使用了MIMO技術的方案，也就是傳輸分集、空間復用方案。在信道傳輸過程中，信號表現為衰落特性。空間復用指的是借助多個天線并行傳輸多個子數據流，從而有效提高了信號傳輸的效率及速度。傳輸分集指的是經過串并操作后，信號源被分成多個子信號流，由多個天線將這些信號流發射出去，信號在接收端經并串處理后，為傳遞信號提供了多個副本，從而提高了傳輸的可靠度。

使用LTE的動通信網具備多種優點：第一種為傳輸速率快；第二種為信號傳輸質量高；第三種為網絡覆蓋面積大等。在上述技術的支持下，有效提高了數字信號的頻譜利用率。

3 LTE-R應用于CTCS-3系統

3.1 GSM-R的局限性

目前我國的CTCS-3級列車運行控制系統是基于GSM-R運用的，隨著鐵路專用設備的快速發展，現有的GSM-R系統雖然仍能保障CTCS-3級列控安全可靠，但是存在很多局限性。

（1）帶寬容量及傳輸速率限制。現有的GSM-R系統是窄帶通信系統，帶寬為4M，當數據交換業務數量快速增加后，系統的無線資源會被長期占用，從而導致許多業務無法更好地利用網絡開展。目前的傳輸速率很有限，最高只有數十Kbps。隨著技術發展，鐵路網絡要更多地承載列車安全視頻監控、列車無線網絡接入等業務，現有系統無法有效承載。

（2）干擾嚴重。鐵路沿線分布著公網GSM900Hz網絡，鐵路GSM-R網絡會受到較大干擾，相應的業務尤其是高速鐵路的列控系統的通信可靠性無法得到保障。

（3）后續維護難度大。2025年前后GSM設備廠商會停止對GSM設備的維護和生產，維護成本和難度都會大大增加，且備件不足會嚴重影響系統安全運營。

（4）越區切換成功率低。借助無線通信設備，CTCS-3級列控系統實現了車載設備于地面設備間的數據交互。在鐵路沿線區域中，各通信小區呈現為線性分布。當列車高速運行時，列車會在快速通過各個通信小區，從而很容易出現數據傳輸中斷問題。據相關數據表明，在信道故障中，因列車跨區導致的信號連接失敗問題的占比較高。

3.2 LTE-R的技術優勢

LTE技術在公網已經成功運用，LTE-R已經確定為鐵路下代專用通信系統，我國相關領域的制造商已經開始著手系統的設計和方案的規劃。LTE-R本身的技術優勢相較GSM-R很明顯，能夠很好地進行替代。

（1）高帶寬高速率。LTE-R系統可支持5,10,15,20MHz等多種帶寬，上行峰值傳輸速率達到50Mb/s，下行峰值傳輸速率可以達到100Mb/s。能夠滿足不同速度場景下的實時通信。

（2）網絡接入性強。網絡的接入性指標主要有接通率和平均時延兩項。GSM-R的時延為500ms，LTE-R的時延在用戶接入時為5ms,網絡連接建立時成功率大于99%，與核心網EPC的尋呼率大于99%。綜上，LTE-R網絡接入性更強，也支持列車在350km/h以上的移動速度下保持接入。

（3）越區成功率高。在切換LTE-R時，僅僅需要用戶設備,E-UT-RAN基站eNodeB和接入網關協作完成。相比GSM-R切換過程簡單，使得各環節效率更高，越區成功率高，且受列車運行速度增加的影響較小，在列車速度350km/h能夠滿足對數據傳輸安全性和可靠性的要求。

（4）設備條件充足。我國鐵路部門已經明確下一代鐵路移動專用通信系統將是LTE-R，國內各設備制造商已經開始著手系統的設計和方案的規劃，產品研發和技術儲備充足，維護成本低。

3.3 LTE-R應用于CTCS-3系統

LTE-R具有高寬帶高速率允許多用戶同時接入等特點，列車運行過程中利用LTE-R網絡時，列車可以實時接收基站發送的無線信號，且列車也可將位置信息發送給基站，核心網絡會處理列車發送的信息，從而獲取到列車的實時位置及運行速度。鐵路線路上的前后兩輛列車，其都與列車控制系統保持實時通信，從而可以將各自的運行速度、位置等詳細信息進行通信。CTCS-3級列車運行控制系統未來可能升級為CTCS-4，前后追蹤的列車利用曲線方式進行控制，并取代了軌道電路，從而實現了列車運行期間的虛擬蔽塞、移動閉塞，進而提高了列車運行的安全性。

動車組自動駕駛（ATO）技術已在我國逐步開展應用，CTCS-2+ATO系統2016年在珠三角城際已經投入運營。我國已經掌握自主化列控技術，未來的趨勢一定是在350km/h條件下實現自動駕駛。現有的CTCS-3級列車運行控制系統的車載系統由ATP系統構成，該系統通過GSM-R系統獲取限速信息，然后將該數據與列車運行速度相比，如果列運行速度快，則采取緊急制動措施。ATO技術需要新增車門/站臺門聯動控制、運行計劃自動調整、車門防護、自動駕駛控制等功能，如果想實現以上功能，需要新增相應的接口，并保障接口間無縫轉換，通信系統必須能夠提供連續、穩定的列控信息，而LTE-R的技術特點能夠保證ATO技術在CTCS-3中應用。

在我國高速鐵路體系中，CTCS-3級列控系統得到了應用，如果下一代鐵路的專用通信系統選用了LTE-R，最主要的功能就是承載CTCS-3級列控系統。與GSM-R相比，LTE-R具備多種優點：第一種為傳輸速率高；第二種為網絡接入方式靈活；第三種為網絡覆蓋面廣；第四種為網絡延時低；第五種為頻譜效率高，完全能夠替代GSM-R網絡承載CTCS-3等業務，并且未來可以為CTCS-3級列控系統升級提供充足的技術保障。

4 LTE-R應用于列車視頻監控系統

LTE-R作為下一代鐵路移動專用通信系統，既可以承載原有GSM-R系統承載的列控系統、語音業務和圖像數據等業務，同時還可以承載適應鐵路發展的新業務。比如，列車視頻監控系統，現有主流的高清媒體流所需的網絡速率為2Mbps，如果想實現實時監控需要足夠的帶寬，而GSM-R極限上行速率只有118kbps，無法滿足系統需求。所以現有列車視頻監控系統主要是基于車廂內部有線網絡實現，地面無法實時調看列車監控。在各個車廂中安裝了高清網絡攝像頭，以此可以實時收集車廂中的視頻信息，通過超高壓縮編碼器對視頻流進行壓縮，再上傳到車廂視頻監控管理單元進行分發存儲，列車運行到站后，需要專人將各個車廂的每塊視頻存儲設備取下，集中送到相應部門進行轉存留存。

LTE-R系統可支持5、10、15、20MHz等多種帶寬，上行峰值傳輸速率達到50Mbs，這個帶寬速率可以同時傳輸20路左右的實時視頻信號。現有高鐵動車主要有8節和16節車廂兩種，每個車廂放一個攝像頭，采用LTE-R系統可以通過車地之間的LTE-R通道實現將列車實時視頻監控傳送到地面控制中心，發生緊急情況時，調度指揮人員可以依托該技術實時掌握列車運行和人員情況，大大提高列車調度指揮的安全性。

5 LTE-R應用于車車通信系統

以后使用的CTCD-4系統，必須減少地面設備的數量，且以往利用軌道電路等地面設備與列車進行數據交互的工作，將由車地無線通信技術完成。LTE-R的延伸技術D2D可以應用于車車通信系統來滿足以上需求。D2D技術是指在基站控制下允許終端之間直接通信的新興技術，能夠有效降低基站和核心網的負載，并且可以實現前后車之間的雙向通信。車輛通過D2D技術可以實施交換速度、線路狀況等信息，具有實時性更高、移動性更好的優點。D2D基站中繼模式中信息不需要經過核心網的處理，直接在基站之間進行通信。LTE-R相比GSM-R的優勢是可以直接在基站之間傳輸信令和數據的X2空中接口，綜上，LTE-R系統可以滿足未來的車車通信系統。