GSM-R系统技术演进发展方向

■ 蒋笑冰

1 概述

随着移动通信技术发展和第三代移动通信协议（3GPP）版本的不断升级，以及各大设备供应商产品的更新换代，GSM-R系统设备可能面临技术支持停止的难题。因此，国际铁路联盟（UIC）已着手开展未来宽带移动通信系统在铁路应用的研究工作，并对铁路长期演进（LTE，Long Term Evolution）系统的需求进行深入分析。

2010年11月30日，UIC召开会议公布了2010年在未来铁路移动通信系统方面的研究成果。公众移动通信技术将演进到LTE，即第四代移动通信技术将影响第二代移动通信技术（GSM），当GSM到达生命周期末端时，GSM-R生存也将是个问题。LTE当前处于成熟期，主要应用业务仍为语音通信，预计选择LTE技术可能会在未来几年之内实现。UIC正在进行GSM-R技术演进到LTE的研究和有关试验。

2 业务需求分析

2.1 GSM-R承载业务现状

GSM-R系统被确定为我国铁路移动通信系统的技术体制后，承载了大量移动通信业务（见表1）。

铁路快速发展对移动通信提出越来越多的需求，除传统话音通信外，移动至固定、移动至移动的数据通信需求呈不断上升趋势。随着技术的发展，新一代通信技术比GSM-R具有更高的通信业务质量（QoS），可实时可靠地传递列车控制信息。随着业务需求的不断扩展，视频监控、电视会议等宽带业务移动接入的需求不断增加，GSM-R系统将难以作为统一的平台承载宽带业务。

表1 GSM-R系统承载的铁路通信业务现状

2.2 未来铁路移动通信承载业务需求

（1）未来铁路移动通信系统应当增强并提高QoS，并且能够支持实时应用（如列车控制运行类业务等）。从铁路应用基于GSM-R网络的实现方式可以看出，对实时性、可靠性要求较高的铁路应用（如列车运行控制），一般采用电路域数据通信方式。此方式下，为每个用户分配一个固定信道，保证其无线通信资源。电路域数据通信在网络侧由M SC负责处理，随着大量待建和正在建设的铁路列车运行控制系统投入使用，资源占用将越来越多，对网络服务质量要求越来越高，对其可靠性和安全性也提出了更高的要求。

（2）未来铁路移动通信系统应当基于全IP网络。全IP网络将简化网络架构，降低运营维护成本，基于标准接口，将增强网络组成部分之间的互通。灵活建立核心网、无线网冗余备份机制，形成一个完全互通、安全可靠的铁路移动通信网络，使其更好地满足铁路移动信息化和列车自动控制需要，满足高速及货运重载列车不间断运行的高可靠要求。

（3）未来铁路移动通信系统应当为语音、视频、多媒体和数据提供（宽带）基于IP的业务。可以预知，铁路对移动通信业务的需求将朝着宽带数据通信发展。提供列车运行安全监控类，如综合视频监控、货车运行故障动态图像检测系统（TFDS）、货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）等信息的传递。在欧洲铁路道口试验中，一旦列车经过应答器，来自道口的实时图像就会发送给列车司机，使其了解当地情况并作出决定。

（4）未来铁路移动通信系统应当满足列车在低速（低至0 km/h）和高速（高达500 km/h）运行情况下的工作。已经证明GSM-R可以在500 km/h的高速情况下工作，任一未来技术在铁路上应用至少都应该与前一技术有相同的表现，并且满足UIC提出的铁路专用通信需求。

（5）未来铁路移动通信系统应当与不同的移动通信技术互通，包括2G（如GSM-R），3G，LTE，微波存取全球互通技术（W iM AX，IEEE802.16）及无线本地局域网（W LAN，IEEE802.11）等。技术互通支持向未来铁路移动通信系统过渡。通过这种方式，当支持旧（传统）技术和新技术的新移动台可以在新旧2种网络下工作时，互通可以更加灵活地铺设未来网络，在系统中使用不同的无线接入技术，引进专为特定移动通信技术设计的新应用。例如，全球货运已使用不同的运输工具（如火车、卡车、集装箱船和飞机），铁路移动通信系统（包括其移动台）支持使用各种不同的运输系统，并且与其所使用的移动通信系统互通，如在港口和机场（使用W LAN或W iM AX）所有钢轨可以接到相关的基础设施区域。

3 LTE技术分析

3.1 系统架构

LTE由演进型分组核心网络和无线网络两部分构成，系统构架向扁平化发展（见图1）。无线网络由eNodeB（eNB）组成，无线射频及无线管理功能全部集中于该节点上。eNB之间通过X2接口互连，eNB与演进型分组核心网之间通过S1接口互连。演进型分组核心网络由移动性管理实体（MM E）、服务网关（S-GW）组成，eNB与演进型分组核心网络之间S1接口的用户面终止在S-GW上，控制面终止在MME上。

与GSM，CDM A和UM TS技术比较，LTE/SAE（系统架构演进）架构的用户面上只有2个节点：LTE的“基站”（eNB）和服务网关（S-WG）（见图2）。在LTE/SAE系统中，不论是基站控制器（BSC）还是无线网络控制器（RNC)都不再需要。扁平结构减少了节点数量及多界面引起的信号和路径选择的复杂度，提高了实时性。随着BSC和RNC的功能都并入增强型节点B（eNB），切换将由eNB之间直接进行协商和管理。

图1 LTE系统架构示意图

图2 GSM-R与LTE系统结构比较图

3.2 关键技术

3.2.1 SC-FDMA技术

单载波频分复用技术（SC-FDM A）是基于单载波频域均衡技术和基于离散傅立叶变换的预编码，不仅可以有效对抗信道的频率选择性衰落，而且能取得较低的峰值平均功率比，是目前LTE空中接口在上行链路采用的无线传输技术。它的实现比正交频分复用/正交频分多址（OFDM/OFDM A）简单，但性能逊于OFDM／OFDM A。相对于OFDM/OFDM A，SC-FDM A具有较低的峰值平均功率比（PAPR）。发射机效率较高，能提高小区边缘的网络性能。最大好处是降低了发射终端的峰均功率比、减小了终端的体积和成本，这是选择SC-FDM A作为LTE上行信号接入方式的一个主要原因。其特点还包括频谱带宽分配灵活、子载波序列固定、采用循环前缀对抗多径衰落和可变的传输时间间隔等。

3.2.2 OFDM技术

OFDM的基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大大降低，符号持续时间大大加长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响。通常在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号间干扰ISI。

OFDM参数设定对整个系统的性能会产生决定性影响，如循环前缀（CP）。它主要用于有效地消除符号间干扰，其长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰、支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100 km的覆盖要求，LTE系统采用长短2套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短CP方案为基本选项，长CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。

3.2.3 MIMO技术

多输入多输出（M IMO）作为提高系统传输率的最主要手段，受到广泛关注。由于OFDM的子载波衰落情况相对平坦，十分适合与M IMO技术相结合，提高系统性能。M IM O系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵判天线）和多通道。多天线接收机利用空时编码处理能够分开并解码数据子流，从而实现最佳处理。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据速率必然可以提高。M IMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。当功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。

LTE的基本M IM O模型是下行2×2，上行1×2个天线，但同时也正在考虑更多的天线配置（最多4×4）。LTE在上行还采用虚拟M IMO以增大容量，被考虑的技术还包括空间复用、空分多址、预编码、秩自适应及开环发射分集等。

3.2.4 高阶调制技术

LTE在下行方向采用四相相移键控（Q PSK）、16QAM（正交幅度调制）和64QAM，在上行方向采用QPSK和16QAM。高峰值传送速率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行100 M b/s峰值速率的目标，在3G原有的QPSK，16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制。64QAM的频谱利用率高，但是其归一化比特信噪比与QPSK相比降低了很多，即频谱利用率的提高是在牺牲信噪比和可靠性的前提下获得的。采用64QAM从信道利用率的角度看，可以将信道利用率提高60％，在以高速数据传输为主要目的LTE中，是一个很好的解决方案。不过，64QAM频谱利用率的提高势必要损失一些抗干扰能力，为达到相同的误码性能，需要增加归一化信噪比，设备复杂性和设备成本有所增加。

3.3 技术优势

基于新的多址技术、调制技术及天线技术，LTE系统具有更高吞吐量、更小传输时延及更高频谱利用率。同时，LTE系统采用扁平化全IP网络结构，网络结构更加简单。LTE系统的优势主要包括以下几方面：

（1）带宽选择灵活，包括1.4 M H z，3 M H z，5 MHz，10 MHz，15 MHz和20 MHz。

（2）扁平的基于IP的网络结构，内置IP骨干传输。

（3）更好的无线数据通信带宽和质量。基于新技术的LTE系统可以对变化的电波传播环境迅速作出反应。最小传输时间间隔（TTI）规定只有1 m s。基于低TTI值，新的移动通信技术支持非常快的调制适应性及短的往返时间（RTT），短RTT在实时业务中是必须的。

（4）LTE提供自配置和自优化，减少网络复杂性。

（5）新技术将提供软件无线电（SDR）功能。SDR很灵活，无线参数可以根据当前采用的无线技术而改变、修正、适应和优化。

（6）支持多种网络接入，包括2G，3G，W iM ax，W iFi等。

可以看出，LTE技术基本满足未来铁路移动通信系统的业务需求。

4 GSM-R向LTE/SAE演进

4.1 演进路线

由于LTE采用的关键技术与2G，3G系统差别较大，系统架构、标准协议、设备功能等方面有了很大的改进，因此后向兼容性较差。2G，3G系统向LTE过渡时，除机房、铁塔、电源、传输等配套设备可重复利用外，系统设备需要进行大规模软硬件更新改造。

（1）核心网侧：可以对现有GPRS系统的SGSN，GGSN进行软硬件升级改造，向LTE核心网络演进。

（2）无线网侧：需要对现有无线设备进行大规模软硬件升级改造。

4.2 演进过程

GSM-R向LTE过渡是一个长期演进的过程。根据UIC对LTE-R系统的演进计划（见图3），到2016年LTE/SAE系统将应用于铁路移动通信。

结合目前我国GSM-R发展前景、现阶段各类业务需求划分，以及UIC对LTE项目的部署，我国铁路移动通信由GSM-R系统向LTE的演变可划分为以下3个阶段（见图4）。

（1）阶段一：规划期内，随着我国高速铁路建设及既有线改造，GSM-R系统仍然是铁路移动通信业务的承载平台，为铁路话音通信、列控业务以及小容量非安全数据业务提供统一的承载平台。应密切关注UIC对LTE/SAE系统的研究、试验及应用情况。

（2）阶段二：随着铁路车-地宽带移动通信及站场、枢纽地区宽带无线通信需求的不断增长，可采用LTE/SAE承载大容量、非安全数据业务。铁路话音通信及列控类业务可仍由GSM-R系统承载，LTE/SAE与GSM-R系统融合发展。

（3）阶段三：LTE/SAE可逐步通过Vo IP（IP电话）方式提供铁路话音通信业务，随着LTE/SAE QoS不断优化，可逐步试验并承载列控类数据业务。LTE/SAE取代GSM-R系统，成为铁路未来宽带移动通信的承载平台。

图3 UIC对LTE项目工作计划

图4 GSM-R向LTE/SAE的演进阶段图

5 结束语

为使我国铁路移动通信网络协调、均衡、有序、高效发展，需要进一步跟踪UIC研究成果，实时结合我国GSM-R的发展情况和业务需求，不断调整我国GSM-R向LTE技术演进过程，以保证铁路运输安全可靠，并实现可持续发展。

[1] 钟章队. 铁路数字移动通信系统（GSM-R）应用基础理论[M].北京：中国铁道出版社，2009

[2] 周兴围， 赵绍刚，李岳梦，等. UMTS LTE/SAE系统与关键技术详解[M]. 北京：人民邮电出版社，2009