车-地宽带无线通信及未来GSM-R技术演进思路

■ 王策斌 包建飞

1 概述

自1992年GSM-R技术在法国、德国和意大利组建试验网以来，经历10多个春秋。目前，GSM-R网络从欧洲逐步蔓延到包括中国、俄罗斯、印度、澳大利亚等在内的30多个国家。

尽管GSM-R技术取得了蓬勃发展，但该技术发展的步伐与整体市场的巨大发展形成了强烈反差，GSM-R技术和公众无线网络技术差距日益拉大。无线宽带数据业务需求的爆发性增长，使得以多载波功放技术、分布式基站技术，以及IP化为代表的技术成为公众无线网络的应用主流，传统GSM网络逐步向3G网络和LTE网络演进已大势所趋。

信息化的浪潮席卷而来，人们寻求无所不在的无线宽带接入，人们在乘坐高速列车时也不例外。与此同时，列车运行调度指挥和控制智能化的进一步发展，也要求更多的列车实时监控数据能准确及时地传输到地面控制中心。尽管乘客的无线宽带接入需求与列车运行控制无线数据传输的需求性质不同，对无线传输系统的带宽、安全、稳定性的要求也不尽相同，但从投资效益的角度来看，建设既能满足铁路专网调度、列控和各种宽带数据业务，以及相关安全性需求，又能满足乘客无线宽带业务需求的网络势在必行。

2 探索

许多厂商、公网运营商和铁路公司为满足铁路乘客无线宽带接入需求，在车-地宽带无线通信技术领域进行了很多有益尝试。车载直放站技术、漏泄电缆技术、卫星通信技术、3G和准4G技术及各种长、短距离宽带无线通信技术等在高速列车环境进行过相关试验。

欧洲联盟牵头的移动宽带全球连接系统（M OW GLY）项目旨在解决宽带接入卫星架构发展、部署和演进过程中的重大技术课题，方案采用卫星传输实现部分列车VIP客户或列车运行控制重要数据的车-地传输。该方案优点在于无需布设轨道沿线的基站，可节省部署成本。但卫星链路带宽较低，租赁费用较为昂贵，另外在一些隧道和阴影区域无法使用卫星链路，必须借助于其他陆地通信网络作为备份。因此，比较有效的思路是将卫星传输和其他陆地宽带无线接入手段进行融合，两者互为补充和备份。

为解决列车高速移动带来的多普勒频偏和信号快衰落，克服列车的高车体穿透损耗，有的厂商采用车载直放站技术或在轨道沿线铺设漏泄电缆的解决方案。如日本新干线N700项目，全程采用漏泄电缆将W iFi基站的信号覆盖到列车车厢，由于泄漏电缆造价比较昂贵，一般只适用于隧道较多的应用场合（如地铁等）。

另一种比较主流的方案是在车厢内安装多制式融合的有线无线宽带一体化接入系统，通过车载天线和轨道旁基站的无线通信，完成车-地宽带数据的回传。包括3G，LTE，W iM ax等在内的哪几种宽带无线技术更适合作为车-地宽带无线回传技术，到目前为止没有统一认识。

目前，采用TD-LTE技术研究高速铁路宽带通信，对多普勒频偏补偿技术、高速无线传播环境下的多输入输出天线（M IMO）性能提升等关键技术进行研究已取得重大突破。TD-LTE频偏估计和补偿算法，能准确地跟踪TD-LTE协议（高速铁路模型）规定的正负1 150 Hz（对应车速496.8 km/h）的频偏跳变。针对铁路场景下多天线空间分集特性小、利用常规多天线空间分集进行M IMO传输性能差的问题，提出采用双极化天线形式的M IM O技术，并在TD商用网络中得到很好的验证和应用。这些技术的有效突破，改变了对时分双工（TDD）方式不适于高速铁路的看法，使TDD LTE技术成为我国高速铁路车-地宽带无线回传技术的一种可选方案。

此外，国外也开展W iM ax技术和频分双工（FDD）LTE技术的研究和试验。无论未来采用哪几种技术，最终都应考虑用户的全球无缝移动和接入需求，以及异构网络的融合。

从铁路专网系统的技术演进路线看，目前国际铁路联盟（U IC）已经明确将LTE-R作为未来GSM-R的演进方向，GSM-R将跳过3G技术直接向LTE-R演进。U IC的车-地通信研究小组发表最新研究结论，称未来的车-地宽带无线通信应该与GSM-R的演进方向（即LTE-R）一起，构成一个完整的独立网络。

3 分析与建议

为满足铁路通信需求并立足未来技术演进方向，提出融合的Un i-R解决方案（见图1）。

融合铁路乘客宽带接入和列车专用业务接入的Un i-R车-地宽带无线通信系统包含车厢内有线无线接入系统、车-地无线回传系统及核心网系统。

车厢内的接入系统由路由器、各种多制式无线AP和有线接入单元组成。系统设计考虑整合各种异构无线接入网，支持诸如W iFi，GSM，3G等各种无线接入制式及各种车载设备（如车载监控设备、机车台、车载安全计算机等各种业务终端）的并发接入；由于不同业务对服务质量（QoS）、安全性等方面的要求有着明显差异，因此必须能够实现完备的QoS策略和安全策略。

该方案中，LTE-R技术具有车-地语音和数据传输功能，同时也作为车-地宽带无线回传网络进行使用。在我国未来LTE-R究竟采用FDD LTE技术还是采用TDD LTE，仍处于讨论阶段。但选择技术时，除需仔细评估该技术在列车高速移动场景下能否提供稳定的传输和足够的带宽，是否能够有效地解决包括多普勒频偏、快衰落、信号干扰和频繁的跨站点切换等关键技术难题外，还需考虑尽量能同时满足铁路专网运营和乘客公网接入的两方面需求，尽量避免网络的重复建设，节省设备和运维投资。此外，还应考虑新技术和已建成的GSM-R网络之间的互操作、资源共享和平滑演进问题。2011年1季度，基于SDR平台的FDD LTE/TD-LTE共站解决方案，由中国移动通信集团公司、荷兰KPN德国子公司E-Plus进行联合测试。TDD/FDD统一的基站平台可使未来对TDD LTE和FDD LTE的抉择变得容易。

尽管我国关于TDD LTE和FDD LTE用于车-地宽带无线接入的研究刚刚起步，但对于正在广泛部署的GSM-R网络来说，有必要将GSM-R的平滑过渡和演进作为现阶段GSM-R网络建设的重点考虑内容。

图1 融合的Uni-R解决方案

（1）全IP的网络结构成为未来有线和无线网络的发展趋势。对于传输承载网络来说，建设全IP的承载网络将是未来车-地宽带无线通信系统的必然要求。目前，我国铁路传输网络的建设基本采用传统同步数字体系（SDH）或基于SDH的M STP技术，在以语音业务为主兼有少量数据业务的应用中，M STP是最佳的承载网解决方案。不过随着IP业务的比重增加，M STP“接口分组化、内核电路化”的特点已不再适应未来需求，传输设备必将由“分组的接口适应性”向“分组的内核适应性”演进。分组传输网（PTN）技术基于分组的架构，继承了M STP的理念，融合了以太网（Ethernet）和M STP的优点，逐步成为行业内认同的，适合电信级分组化的承载技术。目前各大主流移动运营商都开始建设适应未来发展的PTN网络，进行传输骨干网的改造。为了更好地面对未来业务发展需求，铁路系统的传输专网同样也要借鉴先进的技术和理念，逐步加大对传输网络IP化改造，以及核心网、接入网IP化改造的尝试和投入。

（2）为了更好地适应GSM-R系统向未来的车-地宽带通信技术如LTE-R演进，铁路行业应大胆借鉴公网移动运营商的经验，积极进行分布式基站和基于多载波功放（M CPA）技术的软基站技术尝试和应用，为后期GSM-R技术的平滑过渡和演进到LTE技术奠定基础，并节省后期建设的成本。

（3）GSM-R设备制造商提出的分布式基站技术采用基带和射频相分离的原则，在铁路沿线覆盖场景下相比传统基站方案无论在建设成本、覆盖效果等方面具有特别明显的优势。更为重要的是，这种架构有效地适应了未来仅通过软件升级便能够从容将GSM-R技术过渡到LTE技术，并完美实现两者技术的共存和统一，节省硬件投资。目前公网运营市场已经广泛采用基于M CPA架构的软件无线电（SDR）基站或远端射频单元（RRU）进行组网，并已开始应用支持M IMO的多模SDR基站。对于铁路GSM-R专网来说，需要加快规模推广分布式基站技术的进度。

（4）尽管与LTE技术相比，EDGE提供的带宽还比较低，单载频提供速率只有480 kb/s，但基于EDGE技术仍可实现许多列车自动监控、诊断数据、勤务服务和乘客服务等相关业务功能。EDGE技术已经非常成熟，在铁路GSM-R系统中发展基于EDGE的中低速宽带数据业务，可作为向未来LTE-R技术的过渡，更可以充分发掘现有GSM-R网络的潜力，实现效益最大化。

4 结束语

随着高速铁路和信息化革命的持续发展，未来GSM-R网络演进方向必然是融合铁路专网调度、列控、各种宽带数据业务和乘客无线宽带业务需求的统一网络，而LTE-R技术（无论是TDD LTE还是FDD LTE）将成为未来车-地宽带回传网络的首选技术。GSM-R技术需要通过对公网成熟技术和先进技术的吸收和消化而不断发展，对分布式基站技术、基于M CPA的软基站技术以及IP化承载技术进行充分探索和引进，才能适应迅速发展的市场需求。