简谈LTE-R网络在铁路无线通信系统的发展趋势

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GSM-R系统在铁路无线通信系统的成功应用，使得GSM-R系统成为铁路无线通信专业中现阶段主流的通信系统，承担起各类无线语音、数据等业务的传输工作，并在普速、重载、高速铁路中发挥着越来越重要的作用。但随着无线通信技术的不断发展，各类铁路业务对于通信网络的可靠性、传输速率等要求也在不断提升，加之设备厂家对于GSM-R系统未来所能提供的备件设备、技术支持方面的限制，GSM-R系统已经显示出诸多的局限性。铁路的通信发展也迫切需要对新型的通信系统进行探索和研究。国际铁路联盟（UIC）认为，GSM-R通信系统向LTE（Long Term Evolution）通信系统的演进是铁路通信发展的必然趋势。因为LTE系统能够提供高效、快捷、可靠、低时延的网络，同时可以提供安全的话音和数据业务，所以国际铁路联盟已基本确认将LTE作为下一代铁路无线通信技术。随着LTE系统在国内几大运营商的建设与普及，铁路通信专业也加速了对采纳这一标准作为后期铁路通信演进方向的研究，以便尽早适应新技术，更灵活地为铁路未来的运营发展做好准备。结合中国铁路实际，LTE-R系统已经开始走进中国铁路通信从业者的视线。

1 LTE系统概述

长期演进LTE系统是由3GPP提出并且定义的一种新型通信标准。该系统采用新的网络结构，相较2G的GSM系统以及3G的UMTS系统，LTE系统具有高速率、高频谱效率、灵活的载波带宽以及优良的系统兼容性等特点，更好的满足宽带无线接入需求。在通信结构制式上，LTE系统主要分为两种，分别是LTE-FDD和LTE-TDD制式。这两种制式在技术标准和设计主架构上基本统一，两者之间的差异性主要体现在终端用户上下行接入采取频率还是时间进行区分，这两种制式也是未来无线通信系统的发展趋势。

2 LTE系统关键技术

LTE系统所运用的通信技术相比3GPP之前制定的技术标准，其在分级接收、干扰抑制等方面有了较大改进。下面就LTE系统主要技术进行简要介绍。

2.1 OFDMA技术

正交频分多址接入技术（OFDMA）是一种调制复用技术，它把通信系统带宽分成多个相互正交的子载波，业务数据在多个子载波上并行传输。OFDMA技术具有高频谱效率、灵活的带宽扩展等特性，成为通信技术由3G向4G演进过程中的关键技术之一，OFDMA技术其实是时分多址和频分多址的结合，基本思想就是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使单个子载波上的符号速率**降低，符号持续时间**加长，对因多径效应产生的时延扩展有较强的抵抗力，减少符号间干扰的影响，它同时可以结合分集技术、信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。

2.2 MIMO技术

MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术。这一技术主要采用分立式多天线，将通信链路分解成许多并行的子信道，**提高整体容量。在数据传输的下行链路中，多天线的发送方式主要包括发送分集、波束赋形、空时预编码以及多用户MIMO等；而在数据传输的上行链路中，多用户组成的虚拟MIMO技术也可以提高系统的上行容量。

1）下行MIMO

LTE系统下行支持MIMO技术将空间维度进行复用。空间复用支持单用户模式或者多用户模式。单用户模式中，将空间复用后的数据流分配给一个单独的用户，可以提升该终端用户的传输速率和频谱效率。而在多用户模式中，将空间复用后的数据流分配给多个用户，使得多个用户可以共享同一时频资源。 

2）上行MIMO

在LTE系统中，MIMO技术的上行应用基本天线配置为1×2，即一根发送天线和两根接收天线。与下行多用户MIMO不同，上行多用户MIMO是形成一个虚拟的MIMO系统，即每个终端用户均发送一个数据流，两个及以上数量的数据流占用相同的时频资源，这样从接收机这一端来看，来自不同终端的数据流就可以看成是来自同一终端在不同天线上传输的数据流，从而构成一个MIMO系统。虚拟MIMO技术主要是利用来自不同终端的多个天线，提高空间的自由度，充分利用潜在的信道容量。由于上行虚拟MIMO是多用户终端MIMO传输的方式，每个终端的导频信号均需要采用不同的正交导频序列，这样利于估计上行信道信息。而对单个终端而言，其实并不知道其他终端的工作方式，是否采用MIMO技术。本终端只要根据下行控制信令的指示，在所分配的时频资源里发送导频和数据信号。但在基站侧，基站能够明确所有终端的资源分配和导频信号序列，通过不同的序列可以检测出多个终端发送的信号。

2.3 小区干扰控制技术

现有的移动通信系统中所能提供的数据传输率的差异性主要体现在小区中心和小区边缘处，不仅影响整个系统的容量，而且使用户在不同位置的服务质量差异性很大。小区间干扰（Inter-Cell Interference，ICI）是移动通信系统中一个常见问题。LTE系统采用OFDMA正交频分多址接入技术，依靠这种技术可以用频率之间的正交性作为用户的区分方式，比现有移动通信系统技术更好的解决小区内干扰问题。但随之而来的问题是OFDM系统带来的ICI可能比现有系统的干扰情况更为严重。对于身处小区边缘的用户，相邻小区占用同样频率资源的用户就对其产生较大干扰。加之该用户本身距离服务基站较远，其信噪比相对较小，导致虽然小区整体吞吐量较高，但是小区边缘的用户服务质量较差，吞吐量较低。因此，在LTE中，小区间干扰抑制技术非常重要。

3GPP提出多种解决小区间干扰的方案，主要是干扰随机化、干扰消除和干扰协调技术。其中，干扰随机化技术利用干扰的统计特性对干扰进行抑制，但误差较大；干扰消除技术虽然可以改善小区边缘的系统性能，使用户获得较高的频谱效率，系统实现却比较复杂；干扰协调技术实现最为简单，可以应用于各种带宽的业务，能很好的抑制小区间干扰。

移动通信在网络运用方面，克服网络干扰一直是网络优化工作的重点。对于LTE系统来讲，系统中各小区采用相同频率进行发送和接收是造成LTE系统小区干扰的主要原因。与GSM系统不同的是，合并不同小区的信号来降低邻小区信号的影响是LTE系统无法做到的，因此就产生了小区间干扰，尤其是小区边缘的干扰尤为严重。

基于LTE系统小区产生的干扰控制目前有以下几种：

1）干扰随机化：这是一种被动的干扰控制方法，目的为了平均化系统在时频域受到的干扰，这种方法可通过频率的加扰、交织、跳频等方法实现。

2）干扰抑制：这种方法是通过多个终端的多个天线对空间有色干扰的特性进行估计和抑制，干扰抑制可以分为空间维度和频率维度进行抑制两种。

3）干扰协调：这是一种比较常见的、主动的小区干扰抑制方法，对小区边缘可用的时频资源做一定的限制来实现。

3 LTE-R系统与GSM-R系统对比

3.1　网络架构方面

GSM-R系统分为3个主要部分，分别是核心网子系统（包括智能网）、无线子系统（包括基站控制器、基站）、终端子系统。其分别承载语音、实时性安全数据，如列控信息、重载列车的机车同步操控等信息，这些信息均在电路域中实现；而分组域则承载调度命令、进路信息和车次号等信息。

LTE-R系统分为3个主要部分，分别是交换中心、基站、终端，相比GSM-R系统而言，省去了基站控制器，LTE-R系统分别承载语音、实时安全数据、非实时数据等业务。因为LTE系统完全是基于分组域进行架构的，为实现安全数据、语音等实时数据的传输可靠性，主要依靠各种网络QoS策略保障。

3.2　网络吞吐量方面

在GSM-R系统中，无论是电路域还是分组域，究其GSM-R系统本身就是窄带系统的原因，其网络的吞吐量都很小，单小区吞吐量只能到上行28.8 kbit/s，下行50.3 kbit/s。而LTE-R系统是基于LTE的架构，LTE理论吞吐在单小区上行50 Mbit/s，下行100 Mbit/s，网络吞吐量较GSM-R系统来讲得到大幅度提升。

3.3　频点规划方面

GSM-R在国内只有4 M的频宽，在铁路枢纽地带随着铁路建设的不断加快，枢纽地带所承担的业务量以及线路数量大幅增加，频点的规划已经成为日益突显的问题，也成为较难解决的问题。LTE-R的所有基站由于使用OFDMA、MIMO技术，可采用同频组网，所有频率的管理都可以由设备本身管理，采用LTE-R网络系统可以有效缓解枢纽地区的频率规划问题。

3.4　容量管理

LTE系统中其覆盖的最低电平值与系统容量成正比，工程建设完毕覆盖电平值越高，系统提供的网络带宽也越大。因此，LTE-R在铁路基站设置方面，只需要理清铁路线所承载的业务，计算出各类业务所需要的网络带宽，然后根据该系统带宽容量得出工程所需的覆盖电平值，再通过无线传播计算模型计算对应的高度和天线的覆盖范围，就可以确定基站位置和间距，使得基站的设置更为合理。

4 LTE-R系统演进探讨

GSM-R系统如何向LTE-R系统平滑演进，应采取慎之又慎的态度，充分考虑网络及终端设备的适应性，分阶段实施。现阶段GSM-R系统如何向LTE-R系统平滑过渡仍存在几方面的问题。

4.1　行业标准方面

铁路总公司对GSM-R网络从设计到施工再到验收，以及后期的运营维护均有明确的标准规范。但是LTE-R网络暂时还没有任何明确行业标准规范，会造成后期设计、施工、验收以及运营维护无标准可依。

国家工业和信息化部对铁路GSM-R网络频率使用范围有明确的规定，但是对铁路4G的频率使用现无批复，如果使用需要向工信部无线电管理委员会申请专用频段。

4.2　网络业务方面

由于4G（LTE-R）与GSM-R系统通信制式不同，具有铁路特色的组呼及重载列车同步操控、C3列控、调度命令、STP、机车信号远程监测等信息的无线传递业务如何在LTE-R网络中承载，以及该系统能否与列尾主机、LOCOTROL系统、STP系统、机车信号远程监测系统等其他相关专业的设备互联互通还需进行研究、试验。

铁路现有GSM-R网络与4G网络的网络制式完全不一样，目前在铁路通信中GSM-R网络与LTE-R网络之间的对接还处于空白，没有相关规范，可能造成GSM-R网络与LTE-R网络间无法平滑切换。

4.3　网络设备方面

LTE-R属于高频段制式，而GSM-R网络属于低频段制式，根据无线通讯标准特点，高频段比低频点的覆盖范围要缩小约50%，所以沿线建立4G基站在部署密度上需要比现有的G网基站数量上多出1倍，而且核心网络设备也需同步新建。

现有GSM-R网络与4G网络使用的频段完全不一样，而且网络制式不同，因此网络终端设备（CIR、OCU、移动手持台等）无法通用，改造后的设备只能在本线运用，无法实现全路互通。

4.4　机车控制设备方面

由于LTE-R网络制式的不同，机务LOCOTROL机车控制系统的消息传递方式需由电路域数据修改为分组域数据，所以在大秦线使用LTE-R网络传递机车同步操控信息还需要对LOCOTROL机车控制系统的通信模块进行改造。

因此，对于LTE-R系统在铁路应用场景中的推进，仍需要大量的试验，获取更多的信息，不能盲目的急于求成，确保LTE-R网络系统能够实现平滑过渡。

5 LTE-R系统的发展前景

中国铁路运输已经进入高速发展时代，随着高速铁路的不断普及，铁路运输已经给人们带来翻天覆地的变化。随着铁路运输系统朝着高速化、密集化的发展趋势，铁路通信系统对现阶段的GSM-R通信技术提出新的挑战，同时GSM-R网络系统随着技术的发展也渐渐显现出了更多问题。要满足现代铁路通信的新时期发展需求，必须在原有GSM-R技术基础上进行制式升级。采用LTE-R技术，符合国际化的铁路通信标准以及发展方向，能够实现很好的技术过渡，使铁路通信系统由GSM技术向LTE技术平滑演进，为铁路通信提供更高的效率，同时提供安全的语音和数据业务。

LTE-R系统作为LTE系统在铁路无线通信系统中的应用，从网络架构、带宽需求以及业务拓展能力上都符合中国铁路的发展需要。目前，朔黄铁路已经进行LTE-R系统的升级改造，对于中国铁路通信的发展来讲，这次技术的革新意义重大，为我们提供大量可供借鉴的经验。GSM-R向LTE-R的演化是一个必然的过程，但在现阶段如果要实现两个系统的过渡，就必须经历两系统并存的阶段，LTE-R系统可以在先期承载非列控类业务，逐步实现对铁路各类业务的承载，直至完成GSM-R向LTE-R系统的过渡。这个过程是一个长期的过程，需要大量的试验数据作为基础。

随着LTE-R网络在铁路通信领域的推广应用，对无线传输网络的可靠性提出更高要求，如何提高无线传输系统的可靠性，如何解决由于LTE-R网络小区边缘网络质量逐步下降，可能会影响数据传输速率的情况，也将是今后铁路通信网络发展中需重点关注的焦点。

参考文献

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[3]夏云琦.铁路无线通信技术向LTE-R的演进[J].中国铁路，2012（8）：75-75.