基于LTE制式的铁路宽带业务应用与关键技术研究

葛淑云 华 尧

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

我国当前高速铁路的发展超过了国外的发展速度，目前我国的高速铁路里程已经居世界首位，铁路无线网用户规模也非常庞大，因此需要我国引领高速铁路无线通信业务的发展方向和标准规范，带动世界宽带铁路业务的发展。从国家政策角度考虑，“十二五”国家重大专项《智能高速列车系统关键技术研究及样车研制》、《企业客专列控系统综合监测体系》、《车载记录自动收发器》等铁道部科研项目都对高速铁路的宽带移动通信系统提出新的要求，在政策上为宽带铁路无线通信网的建设起到了重要的支撑作用。

未来高速铁路专有业务有着巨大的潜在需求，为满足铁路应用需求的增长，同时铁路业务通信的安全性迫切需要建立铁路专用的高速宽带无线通信网，而不是使用公网承载铁路业务[1]。当前使用的GSM-R铁路专用通信系统的带宽有限，仅能为单用户提供4.8 kbit/s的数据率。受限于无线链路速率，车载设备与地面设备之间缺乏有效的数据沟通媒介，一些车地之间的数据业务难以开展。因此需要部署先进的铁路无线通信网，提供车载与地面端的可靠宽带通信通道。

长期演进LTE系统相比现有的GSM-R系统，具有宽带、低时延、全IP架构等显著优势，非常适用作为下一代铁路无线通信网的技术体制。UIC明确表示3G技术不适用于铁路。因此，未来GSM-R跨过3G直接过渡到“准4G”的LTE-R（LTE for Railway）。GSM-R与LTE-R性能比较如表1所示。

表1 GSM-R与LTE-R性能的比较

从2008年开始，LTE加快了标准制定和产业化工作，并得到设备商和运营商的广泛支持，2009年起，LTE走向高速发展时期，截止目前，全球已经有20多个运营商部署LTE网络或分配LTE频段，分布在欧、美、亚、大洋洲。LTE产业的不断成熟也推进了铁路无线通信网从GSM-R向LTE-R系统的过渡。随着LTE产业的不断成熟，基于宽带、低时延的新型公网应用，如视频电话、手机电视、移动广播等业务也发展迅速，预示着在LTE-R系统中也可以引入丰富的铁路无线通信网应用，市场前景广阔。

LTE-R标准可借鉴LTE系统标准，保证了LTE-R系统的技术成熟度，缩短了LTE-R系统的研发周期。但是高速铁路环境相比于传统的公网通信环境有着显著差异，为了适配高速铁路的线状覆盖、用户位置集中、终端移动速度快、车厢穿透损耗大等问题，需要在已有LTE系统的基础上，在高速环境传输技术、网络集成与部署技术、网络结构、附属适配设备等方面为铁路无线通信网进行专项研究，从技术层面支撑未来LTE-R铁路无线通信网系统的研制。

2 未来铁路宽带应用

GSM-R系统通过对GSM系统适当的修改，使得其更适应铁路的应用特性。GSM-R系统在GSM的基础上提供语音调度业务(ASCI)，包含增强的多优先级预占和强拆(eMLPP)、语音组呼(VGCS)和语音广播(VBS)，并提供铁路特有的调度业务，包括功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址。

随着铁路运输系统的不断演进，铁路速度的不断提高，未来发展400 km/h的高速列车，需要数据率更高、端对端时延更小、时延抖动更小、错误概率更低的地面-车厢传输通道。而为旅客提供多媒体、全方位、智能化服务的业务，要求使用带宽更大、传输可靠性更高的车地通信系统。

未来的LTE-R系统使用更为扁平的网络结构、频带更宽的宽波束天线和高效的OFDM-MIMO传输技术。除了满足当前GSM-R系统承载的业务外，还可以承载更高速度下的列控业务，承载各种潜在的铁路无线通信业务，包括列车综合监控、列车智能感知、车内旅客服务、公网旅客服务等[2]，如图1所示。

2.1 列控业务

LTE-R系统完全可以满足现有的包括CTCS-3列控、无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信、列车诊断数据传输等功能的需求。在此基础上，可以尝试打破基于RBC中心式的列车控制体系，相邻车辆通过LTE-R网络完成信息（速度、级别等）交互，达到自治式的列车追踪、速度控制等功能，降低RBC设备的处理压力。提供下行ATP数据传输和监测日志通道，实现ATP软件的远程升级。

2.2 列车综合监控业务

利用LTE-R系统的高数据率的特性，将视频、音频、传感等多种媒介的列车监控数据上传给地面端，完成对列车更为智能的控制。

1）传递ATP设备视频信息，一方面进行设备故障监控，防止灾害，另一方面可以远程指导维修。

2）传递轮轨状态、设备电流、风压、钢轨应力、牵引供电系统状态、变电所综合自动化信息、SCADA信息、供电设备自诊断信息、高速接触网检测信息，实现列车运行状态的监控。信息由装置在设备上的感应获取，通过车内分布式无线覆盖网络传输数据信息，机车司机随时可以查询、反馈设备工作状态。同时将监控信息实时回传给地面，地面端的监控中心通过实时分析、处理列车监控数据，分析列车运行状态，进行列车控制判决。

3）在车厢安置烟雾、灯光、声音等传感器，监控车厢环境状态，保证旅客安全。

4）传递司机的音频或指纹信息，实现司机资格认证。

5）通过传感器回传数据实现物流监控服务。

2.3 车内旅客服务

借助LTE-R系统的宽带特性，车内分布覆盖系统，为车内旅客提供信息推送服务，包括车内多媒体娱乐、远程点餐、乘务员呼叫、远程购票等服务，提升铁路系统的总体服务质量。

2.4 公网用户服务

利用LTE-R系统在铁路专用业务以外的富余无线带宽，为车内2G、3G和LTE用户提供无线覆盖，提升车内公网旅客的服务质量，节省公网系统在铁路沿线的覆盖成本。

公网用户的服务可以通过在车厢内建立公共通信网络的车载分布覆盖系统实现。该架构需要引入车载路由器与地面网关单元两个通信实体，建立2G、3G、WIFI等无线系统的透明传输通道。高速列车的穿透损耗决定了需要使用车内分布覆盖系统实现旅客的端对端服务，而LTE-R系统作为车内分布覆盖系统的回传通道保证了旅客服务的需求。

3 LTE技术研究现状

LTE系统已经在公网上有了近10年的深入研究与4年的应用部署，因此已经具备大量的技术与应用基础，可以保障基于LTE-R系统的商用进程。

3.1 LTE标准的制定

LTE技术是改进并增强了3G的空中接入技术，具有100 Mbit/s的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。早在2004年，3GPP组织已经发起欧洲地面无线区域网络（UTRAN）的LTE技术的研究。2008年底形成第一个可以商用的LTE系统release 8版本，支持在静态环境下下行传输100 Mbit/s、上行50 Mbit/s速率的数据业务传输。2009年底，第二个商用版本release 9冻结，静态下支持速率进一步提升至下行300 Mbit/s。LTE标准规范，对系统网元组成与功能、主要参数指标、系统内部与外部接口、测试方法等内容做出了较为详细的规定。LTE的标准化为未来LTE系统的规范化、设备互联互通奠定基础，也促进了未来LTE-R的发展。

3.2 LTE系统研发

LTE标准按照系统双工模式不同可以分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种制式。从全球范围看，FDD制式发展更快，在2008年已经有R8版本的设备商用，目前设备已经支持R11版本。

TDD制式由于其灵活的上下行带宽调整能力，非常适用于在铁路上下行业务量变化大的应用场景。我国TDD制式的LTE系统发展势头明显高于FDD制式。到2010年底，基于R8和R9版本的TD-LTE基站设备与核心网设备研发基本完成。包括华为、中兴、爱立信、诺西等厂商的设备都完成了概念验证、实验室测试与外场测试，目前在全国9个城市组网测试及试商用。TD-LTE终端发展略微滞后，当前仅有R8版本的测试终端芯片，但预计满足商业要求的TD-LTE终端能够在2013年实现量产。

3.3 LTE系统测试工具与技术

由于LTE技术发展迅速，也加速了设备与系统性能测试技术成熟。到目前为止，罗德施瓦茨、安利、安捷伦等公司都已经开发了LTE一致性测试系统，保证了开发系统符合LTE标准规范，设备性能满足公网场景要求，保证多家厂商系统之间的互联互通。

4 LTE-R关键技术研究

由于LTE-R铁路无线通信网承载的业务与LTE公网存在差异，其网络部署与规划的方法需要考虑到铁路业务的安全性。未来LTE-R系统结构如图2所示。在车顶部署LTE终端，在车厢内是各种制式的无线系统微基站，通过LTE网络将车厢内各种制式的业务回传。该架构的优势：只需要在LTE系统上使用铁路专有的传输技术来提升传输速率，而其他制式网络仍然可以沿用公网设备。

4.1 支撑新型铁路业务的传输技术

未来铁路有大量潜在通信业务需要开展，如视频监控、旅客多媒体服务，因此对LTE-R系统的性能提出了很高的要求。比如视频传输，一路H.264视频需要至少128 kbit/s带宽。LTE-R系统需要提出支撑铁路业务的传输技术，并根据验证结果规范铁路应用业务的QoS指标，保证LTE-R系统承载业务的性能。具体而言，在LTE-R需要对如下几个传输技术进行改进。

1）更适用铁路场景的上下行配比设置。在公网LTE系统中，承载业务绝大部分在下行信道传输。在LTE-R铁路无线通信网中，列车综合监测和列车智能感知等数据需要占用大量上行信道带宽。要求LTE-R系统具有更为灵活的上下行信道带宽分配（上下行配比）机制，满足上行传输的需求。

2）上行链路自适应提升技术。LTE-R系统对上行吞吐率的需求远高于现有LTE系统中的上行业务，需要考虑使用更为有效的链路自适应技术，提升上行传输能力。

3）铁路业务的复用与解复用技术。为了支持各种无线业务的传输，需要在LTE项目研发的车内分布式覆盖系统的基础上，为车载路由器增加对铁路专用业务的复用功能，回传给地面LTE-R地面网关设备进行解复用。同时在车载路由器中植入支持各类铁路业务QoS需求的调度算法。

4）铁路业务QoS等级差分技术。在铁路上，公网LTE系统通常只需要支持旅客的语音、视频、数据等多媒体业务，QoS级别较少，对时延等QoS指标的需求较为接近，接入控制、QoS差分等资源分配算法相对简单。在LTE-R体制下，铁路业务QoS需求存在巨大差异，如列控业务相比公网业务的QoS需求更加苛刻，调度电话等业务相比普通电话呼叫需要有更高的优先级。因此LTE-R系统需要提出与承载业务相应的QoS差分机制与资源分配算法，保证各种复用情况下各类业务的QoS性能。

5）组呼与语音广播技术。在HSS网元中添加组呼的组信息与广播信息与呼叫控制功能，实现类似GSM-R系统的GLR功能。

4.2 网络结构的改进

在网络结构方面，LTE-R系统需要在以下几个方向进行研究，以适应铁路无线通信网需求。

1）在铁路无线通信网中有调度电话、组呼等语音通信的需求，由于LTE系统的核心网采用包交换复用方式，无法提供在电路交换的支持语音业务能力，需要将2G语音回落模块、IMS等支持电路域交换的LTE网元（在移动的LTE测试中均未使用）引入实验室测试环境。

2）需考虑与GSM-R的连接。为了完成和GSM-R系统之间的过渡，需要添加SGSN网关设备，实现GSM-R与LTE-R系统间的切换。

3）RRU网元设备的架设方案的研究。由于LTE系统分配的频点明显高于GSM-R系统，信号的车体穿透特性显著降低，同时高阶调制编码传输的信干比要求显著增高。为实现车内用户的覆盖，必须综合选择RRU网元的级联部署与星形部署方案，保证系统的平滑切换。

4.3 GSM-R网络向LTE-R平滑过渡

LTE-R完全取代现有GSM-R系统有较长的过渡时期。LTE与GSM系统均由3GPP组织提出，在制定标准时已经充分考虑了两者的互联互通特性。在过渡时期，LTE-R系统需要与GSM-R进行互联互通，保证网络用户的冗余覆盖。同时，应研究LTE-R系统作为GSM-R的备份通道，后备GSM-R承载列控业务的方案，以此提升在GSM-R系统向LTE-R系统过渡时的承载列控业务的可靠性。

5 结论

本文介绍了铁路无线通信网中潜在的车地、地地宽带通信业务，阐述了未来建立LTE制式的宽带无线铁路无线通信网的必要性。同时提出建立宽带铁路无线通信网需要解决的技术问题，为LTE-R制式宽带铁路上的构建提出技术演进的建议。希望通过本文介绍的LTE-R系统应用场景与关键技术，为未来LTE-R设备研发，以及我国LTE-R系统标准化、商用化起到一定的指导意义。

[1]杜燕．谈现代铁路通信发展趋势[J]．科技创新与应用，2012(3):52.

[2]胡厚伟．铁路移动通信发展战略探讨[J]．科技资讯，2006（35）:154-156.

[3]刘彦彬．引领中国铁路通信发展的明灯——第四代无线通信技术(4G)[J].科技风，2010(13):255.