主页（http://www.pttcn.net）：铁路通信技术的演进势在必行 引言 当前，铁路通信中大量应用的是窄带的语音和数据业务，但随着视频和宽带业务的迅速发展，窄带的应用已显得力不从身，如何在铁路通信中通过技术提升来满足日益发展的业务需求是摆在通信工作者面前光荣而艰巨的任务。由铁路通信目前的GSM—R向LTE的演进是适应市场需求的一种重大变化，这种变化将对技术更新、通信产业升级产生巨大的推动与影响，本文将对LTE在铁路中的应用前景作一些简短的评论。GSM—R系统是目前广泛采用的铁路通信手段，其强大的来自第三代合作伙伴项目（3GPP）的标准通信制式基础，良好的对铁路业务的适配能力，众多厂商之间持续的技术开发与协作，在商业上的成功应用等，都充分说明GSM—R系统的成熟性与可靠性。但随着铁路运输业务的不断发展，对通信领域的要求从系统稳定可靠、沿途高质量无线覆盖、高速运行中的优秀系统性能，系统可扩展、可演进，满足更高的生产通信需求及旅客的通信需求等，面对这些未来发展趋势，GSM—R系统已在很多方面显示出诸多的局限性。因此，国际铁路联盟（UIC）已基本确认长期演进技术（LTE）作为下一代铁路无线通信技术。 １ 铁路无线通信技术向LTE演进的必要性 １）窄带系统无法满足宽带业务需求 铁路通信系统既需要提供目前GSM-R系统所能提供的一切铁路通信标准功能，同时还应该提供独具的扩展业务，如视频监控、信息共享及旅客的无线接入等。 从通信制式方面看，GSM-R立足于二代窄带技术，本身数字承载能力有限：电路交换数据业务(CSD)速率低，为kbps级别，仅能承载流量要求较小的专用列控数据；而通用分组无线服务(GPRS)可供使用的带宽有限，无法满足日益增长的上层应用需求。目前，车-地间人员只能通过语音交流，地面人员缺少远程直接了解现场情况的渠道，支撑决策的准确信息采集比较困难。这一缺陷在发生重特大事故或旅客纠纷等问题时表现得特别突出。若在车厢内提供无线宽带通信服务，如视频监控系统，通过无线及时传递现场视频信息，促进车一地人员协同二作；遇到旅客纠纷时，利用视频监控可及时发现和阻止事态扩展，也可在事后进行现场回放和回溯。这些都将提升铁路运营的安全性。 另外，作为常规化服务，车厢内的宽带业务还应包括车载信息系统，向旅客提供实时交通路况、列车时刻和天气预报等信息，提升旅行的便捷度。 上述应用都是基于视频传输。由语音交流到图像和视频交流，对传输速率的要求从kb/s级上升到Mb/s级甚至GB0/S级，都是基于二代技术的GSM—R无法克服的技术瓶颈。实现这些业务需求，需要更先进的数字宽带通信制式作为支撑，LTE正是能满足该要求的更加有效的系统。  图1 高速列车上的通信遇到了许多新问题 2）LTE系统可为旅客提供无线宽带 在网络的开放性方面，GSM—R作为铁路专网，使用者是铁路员工，不能为公众旅客提供通信服务。一方面考虑系统安全性，采取封闭的运营管理；另一方面，由于系统自身容量的限制，不能接受过大的业务接入量，因此只能优先满足与铁路运营相关的工作人员使用。 然而，考虑到运输的便捷性，与航空相比，高速铁路的一个重要优势在于旅客可始终保持通信连接，还可远程处理公务和进行网络娱乐。目前，在途铁路旅客的通信需求仅能依靠公共通信网络，而随着列车运行速度的增加，公网通信的语音质量无法得到保证，更不能为旅客提供高服务质量(QOS)的随时随地的宽带接人服务。若在沿线铺设服务于铁路的LTE网络，同时对铁路员工和旅客开放，在提升铁路运营安全性和高效性的基础上，还能为旅客提供优质的语音和多媒体接入、上网娱乐等服务，提升出行体验，这必将成为吸引旅客的一个行业亮点。 ２、LTE系统的性能 LTE是GSM阵营目前最先进的网络系统，在设计上同时考虑了移动性和宽带性，从1.4M～20M的灵活信道带宽要求，保证LTE网络可提供百兆级别的数据传输能力。目前，LTE已在公网运营中获得大量成功经验，是一种成熟的移动通信制式。其上述特点都非常适合于应用于未来的铁路通信。 LTE系统采用ALL-IN-IP组网，网络结构扁平化，从而减少了系统时延，提升系统整体性能，改善用户体验。在控制面，从空闲模式到激活模式，用时小于100ms；从休眠模式到激活模式，用时小于50ms。在用户面，最小时延可达到5ms。 在频谱效率方面，采用正交频分复用(OFDM)技术，下行20M频谱带宽内，峰值速率为100MB/S，频谱效率达到5b/S/HZ。上行20M频谱带宽内，峰值速率为50MB/S，频谱效率达到2.5b/s/HZ。若采用多输入多输出(MIMO)技术，速率更可成倍增长。 在抗干扰方面，由于采用OFDM技术，在实现高频谱效率的同时，易于实现对多径干扰的抑制。同时，小区问干扰消除(ICIC)技术的应用使干扰信号变为有用信号，可提升增益。 LTE系统的卓越性能为铁路通信业务的上层应用奠定了良好的基础。  图2 采用LTE后，列车上也可以实现上网冲浪 ３、平滑演进方式 从网络长期运营和维护角度出发，随着无线技术的迅猛发展，曾经辉煌的GSM制式正在公众网络通信中渐渐淡出舞台。以GSM为基础的GSM-R系统的未来维护问题将日益严峻，对新功能需求的响应能力也经历着急剧的弱化。因此，着眼于未来，平滑平稳地实现过渡是日益迫切的问题。采用应用于铁路的LTE系统，铁路专用无线通信系统可由GSM技术向LTE技术演进，各种业务可逐步过渡至LTE,以避免铁路行业不得不面对GSM技术逐渐退出舞台带来的产业链萎缩、现网设备业务难以维护的窘境。 在GSM-R向LTE演进过程中，要充分考虑过渡的平滑性，包括业务提供和投资收益的平滑过渡，在此推荐采取分阶段进行的演进方案。初期，现有GSM-R系统和LTE系统并行，前者主要负责传递和列车运行安全紧密相关的列控业务等,LTE负责非安全数据相关的业务；后期，随着LTE系统在建网和运营中经验的日益丰富，越来越多的业务会转由LTE网络承担，直到最后全部业务都切换到LTE网络。在上述解决方案中，包含先进的网络设备硬件平台，提供多模基站，从而保证系统后期演进主要通过软件升级和模块添加来完成，以便保护现有投资，完成最高投人产出比的平滑过渡。 ４、应用实践 在某铁路建设项目中，已采用1.8G时分长期演进技术(TD-LTE)解决方案，完成40余公里覆盖，包含15隧道覆盖。可提供多机车牵引的同频数据传输、调度命令发布和功能号码检测等数据业务，语音调度通信和视频监控信息传递业务。LTE系统扁平化的网络结构、微小的传输时延、高带宽高速率性能，使铁路运输充分利用通信系统提高生产效率。 从GSM-R窄带通信到LTE宽带网络，信息传递将更加准确、及时、全面。不断发展的无线通信技术在铁路领域的应用，必将在优化铁路运能和旅客出行体验上发挥更大的作用。 缩略语： GSM：Global System of Mobile communication 全球移动通信系统 GSM-R：GSM for Rail 应用于铁路的GSM系统 3GPP：the 3rd Generation Partner Project 第三代合作伙伴项目 LTE：Long Term Evolution 长期演进技术 TD-LTE：Time Division Long Term Evolution 时分长期演进技术 CSD：Circuit Switched Data 电路交换数据业务 OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用技术 ICIC：Inter-Cell Interference Coordination 小区间干扰消除技术 UIC：国际铁路联盟 (中国集群通信网 | 责任编辑：陈晓亮) |
