铁路移动通信的发展及演进方向

白 莉

（北京中铁建电气化设计研究院，北京 100043）

白 莉

（北京中铁建电气化设计研究院，北京 100043）

分析目前铁路移动通信的发展现状以及未来铁路发展GSM-R存在的主要瓶颈，针对铁路未来发展对铁路车地宽带通信的需求，探讨铁路移动通信的发展及演进方向，从业务及平台演进两方面提出了GSM-R向LTE-R演进的技术方案。研究表明，未来铁路GSM-R网络向LTE-R的方向演进是合理、可行的。

铁路移动通信；发展；演进；技术方案

我国铁路移动通信从20世纪60年代开始发展至今，经历了从单信道模拟通信系统，集群移动通信系统到现在的GSM-R数字移动通信系统的发展过程。

从过去的模拟通信系统到现在的GSM-R数字移动通信系统完成的列车无线调度通信，区间、站场、公务移动通信，应急语音通信，机车监测等业务,尤其是基于GSM-R数字移动通信系统完成的CTCS-3级列控系统功能，实现武广、郑西、京沪高速铁路的成功开通、运营，铁路移动通信在铁路运输中发挥着越来越重要的作用。但是随着铁路运输的发展及高速铁路的大规模建设，对车地宽带通信也提出更高的要求，而GSM-R作为一种窄带移动通信，无法满足铁路未来发展对铁路车地宽带通信的需求，因此，现在的铁路移动通信还需要发展及演进。

本文分析了目前铁路移动通信的发展现状以及未来铁路发展GSM-R存在的主要瓶颈，针对铁路运输未来发展需要，探讨了铁路移动通信的发展及演进方向，从业务及平台演进两方面提出了GSM-R向LTE-R演进的技术方案。

1 GSM-R网络的发展现状

铁路数字移动通信系统（GSM-R，GSM for Railways），是在目前世界上最通用、最成熟的GSM平台上专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统，是针对铁路通信列车调度、控制、支持高速等特点，为铁路运营增加附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统。

GSM-R的发展大致分为3个阶段：标准制定阶段、系统试验阶段、工程实施阶段。从1993年国际电信联盟（UIC）与欧洲电信标准组织（EISI）提出了欧洲各国铁路下一代无线通信以GSM-R Phase 2+为标准的GSM-R技术，到1999年第一个GSM-R网络在连接瑞典到丹麦的Oresund大桥铁路线建成并投入运营，GSM-R网络成功地运用到铁路运输生产中。

欧洲GSM-R/ETCS的成功运用，为我国铁路

通信信号技术发展提供了良好的技术借鉴，我国从1994年就开始对专用移动通信技术跟踪研究，2000年，我国经过全面深入的考察和广泛的论证，认为GSM-R技术符合中国铁路的要求，决定全面引入GSM-R技术进行组网建设。青藏线、大秦线和胶济线的成功建设和运营证明GSM-R在我国铁路大规模应用的可行性，利用GSM-R网络承载的铁路专用语音呼叫和其他应用业务拥有以往模拟通信无法比拟的优势，全国既有线路的信息化改造也在新技术的推动下加快了步伐。

GSM-R系统构成如图1所示。

高速铁路和客运专线的大规模建设使GSM-R网络技术迎来新的机遇和挑战，能否满足高速情况下列控数据安全传输的疑问随着武广和郑西高铁的相继开通而打破，基于GSM-R无线通信系统的CTCS-3列控系统能够保证列车在350 km/h的高速下安全、平稳的运行，这也标志着铁路通信信号一体化达到一个更高的结合点。

GSM-R网络建设引起铁路部门高度重视，网络建设规划有3个同步，第一，与铁路信息化建设同步，提供综合移动信息传输平台；第二，与铁路CTC、CTCS建设同步，提供综合移动话音通信业务，提供通用数据列控数据传输通道；第三，与新建铁路同步，不再重复投资建设区间通信电缆、无线列调、站场无线通信等系统。

GSM-R网络中长期建设规划在既有干线与CTC同步建设，与铁路中长期路网新线同步建设，并逐步扩大无线覆盖范围，建成中国铁路GSM-R网络。

2 铁路移动通信的演进需求及GSM-R网络的主要瓶颈

2.1 铁路移动通信的演进需求

GSM-R网目前提供的业务包括：语音业务、数据业务、与呼叫相关的业务和铁路特定业务，并可在上述业务的基础上扩展新的应用。

随着全球高速铁路的大规模建设，GSM-R也迎来一个蓬勃发展的时期，同时也对铁路移动通信系统提出更高的要求。

1）列车控制和调度的需求

列车控制的发展趋势：从P2P电话调度指挥向M2M全自动数控调度指挥，从基本的起停向提高全网络运行效率发展，从单向指令的开环控制向双向指令的闭环控制发展，从单纯的控制系统向全面的维护操作系统发展，从核心的控制信息流向信息量很大的安监和操作维护信息流扩展。

2）安全监控的发展需求

为了保证铁路的安全可靠运行，安全监控的发展趋势包括从依赖人在现场监控向远程自动监控发展，从对危机的事后感知和反应向实时预警式监控发展，从防范机器造成的危机向防范人为危机发展。

3）乘客服务系统的需求

为提供更高质量的服务，今后将需要在列车上建立多媒体服务系统，向乘客提供音视频点播和在线游戏服务，列车状态和旅行信息的广播式服务，自助式换乘和购买机票的服务。

4）乘客个人需求

随着宽带无线接入的出现，接入移动化、宽带化的需求越来越旺盛，用户对移动通信网络的速率要求越来越高，Internet已经成为人们生活和工作不可或缺的一部分。对于商务人士，高效的视频电话、Email、电子理财、大文件和批量文件交互、商务信息浏览、交互式地理多媒体信息广播等业务会成为其每天离不开的左右手；对于年轻用户，移动博客、播客、交互式高质量多媒体、大量多媒体文件下载、实时游戏业务等非常符合其沟通、交流、交友、娱乐和自我表现的需求；对于其他大众用户，在多媒体无线宽带业务多发区域，自由畅通地享受高质量的语音服务是其追求并且依赖移动运营服务的必要前提。因此，在高速运行的列车上人们同样希望能够享受高速的宽带服务，Internet网络服务将成为除运输效率外，铁路相对于航空最大的竞争优势。

2.2 GSM-R网络演进存在的主要瓶颈

面对日益增长的铁路运输需要及乘客服务系统和乘客个人需求，铁路移动通信需要建立一套传输速率高、时延低、可靠性高、安全性好的车地间宽带数据连接，在支持铁路更高等级安全监控需求的同时，在车内为拥有不同制式终端的用户提供各种语音和数据业务。但是铁路现有的GSM-R属于窄带通信系统，GSM-R系统的工作频段为上行：885～889 MHz；下行：930～934 MHz，可供使用的频段只有4 MHz,只能提供最高9.6 kbit/s的电路域数据传输或几十kbit/s的分组域数据传输，并且高速移动、列车车体屏蔽效应使所有基于PLMN覆盖的宽带数据方案都有严重问题。

3 铁路移动通信网络的演进方向

3.1 铁路移动通信网络的演进方向分析

目前2.5G/3G手机移动数据业务和宽带无线接入业务是两个不同的市场段。宽带无线接入业务采用WiMAX（IEEE 802.16 d/e）固定/移动宽带无线城域网技术，核心网是标准的IP网，其无线链路的物理层和MAC层的设计考虑了突发型的分组数据业务的要求，能够自适应无线信道环境，速率可达几百kbit/s甚至几十Mbit/s。手机数据业务基本是一个蜂窝移动通信网，下载速率在100 kbit/s以下。

作为手机数据业务的3G系统在支持IP数据业务时频谱效率低，其面向连接固定带宽的结构不适应突发式IP数据业务的需求。为此，3G标准化组织（3GPP）和第三代合作伙伴计划2（3GPP2）都认识到目前的系统提供互联网接入业务的局限性，试图在原来的体系框架内，在下行链路中采用分组接入技术，大幅度提高IP数据下载和流媒体速率。3GPP在R5系统中增加了高速下行分组接入（HSDPA）（被称为3.5G），速率达到10 Mbit/s以上。随后进一步在R6中增加高速上行分组接入（HSUPA），将解决上行链路分组化问题，提高上行速率，进一步引入自适应波束成形和MIMO等天线阵处理技术，可将下行峰值速率提高到30 Mbit/s左右，核心网也在向全IP网演化。

HSDPA和HSUPA被称为3.5G技术，属于中期演化技术，受原体制束缚较大，性能不够理想。3GPP发现在HSDPA和国际电信联盟（ITU）部署的B3G之间存在一个空档，这正是WiMAX的目标。在一段时间内的宽带无线接入市场上，HSDPA、HSUPA对WiMAX的竞争将处于劣势。

3.2 铁路移动通信向LTE-R的方向演进

为了提高3G在新兴的宽带无线接入市场的竞争力，同时也为了避开Qualcomm的CDMA专利授权问题，3G标准化组织3GPP在2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPP RAN工作组负责开展LTE（long term evolution）研究，LTE于2007年6月推出。截至2011年底，全球87个国家的248家运营商在投资LTE网络，到2012年底，全球至少有103个LTE网络将投入商用。显而易见，LTE已经成为移动网络未来演进的必然方向，LTE全球网络发展大势已定。按照通信产业目前的发展速度，业界普遍预测，2015年全球将大规模部署LTE网络。目前，公网的宽带通信已经部署商用。

长期演进计划（LTE）是3G和4G之间的过渡，又称3.9G或准4G，LTE的关键技术是OFDM（正交频分复用）和MIMO（智能天线技术），3GPP启动的LTE项目是基于3GPP的R8标准，简单来说，与2G的GSM、3G的UMTS相比，有以下主要特点。

1）更高速率、更高的频谱效率：其瞬时下载峰值速率在20 MHz载频带宽下可达100 Mbit/s，是R6标准HSDPA的3～4倍，频谱效率为5 bit/s/Hz；上行速率可达50 Mbit/s，是R6 HSUPA的2～3倍，频谱效率2.5 bit/s/Hz。

2）系统部署灵活，能够支持1.25～20 MHz间多种系统带宽，并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。

3）以分组域业务为目标，系统在整体架构上将基于分组交换。

4）QoS保证：通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（如VoIP）的服务质量。

5）降低无线网络时延：子帧长度0.5 ms和0.675 ms，解决向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan＜5 ms，C-plan＜100 ms。

6）增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下，增加小区边界。

7）强调向下兼容，支持已有的3G和3GPP规范系统的协同运作。

概括来说，与3G相比，LTE更具有技术优势，具体表现为高数据速率、低延迟、载波带宽灵活可变、分组传送、广域覆盖和向下兼容。

鉴于3G技术使用的频点太高，不满足铁路部门希望经济、实惠地实现网络在广泛地域内的覆盖目标，而且在语音业务上3G技术与2G技术并没有本质区别等诸多因素，国际铁路联盟（UIC）明确表示3G技术不适用于铁路。因此，未来铁路移动通信会跨过公网的3.5、3.75G，而直接演进到“准4G”的LTE-R技术。

UIC对铁路无线通信的展望如图2所示，可以看出UIC计划跨过3G的演进阶段，直接从GSM-R演进到LTE-R。

4 GSM-R向LTE-R演进的技术方案

4.1 GSM-R向LTE-R的业务演进方案

GSM-R向LTE-R的业务演进分两部走，第一步，GSM-R与LTE-R网络并存，在高速铁路、业务繁忙线路及枢纽车站，可率先建立LTE-R网络，并与GSM-R网络并存，大容量非安全数据业务可先过渡到LTE-R网络，安全数据业务保留在成熟的GSM-R网络中。在普速非业务繁忙线路，可以充分利用既有GSM-R网络，以节省投资。第二步，由GSM-R与LTE-R网络并存逐步过渡到LTE-R网络。GSM-R向LTE-R业务演进如图3所示。

4.2 GSM-R向LTE-R的平台演进方案

GSM-R向LTE-R的平台演进主要分为两部分：核心网部分和无线部分，其中核心网部分为采用MSC Pool组网，MSC Pool技术既适用于分层网络结构WCDMA系统（MSC Server）,也适用于非分层结构GSM系统（传统MSC）,MSC POOL技术在优化网络资源，合理分配话务，提高网络性能、抗冲击能力和提高投资利用率等方面具有许多优势，使这种组网方式成为未来移动通信网络发展的重要趋势之一。

无线部分的发展趋势为GSM-R和LTE-R共用基站控制器（BSC），基站设备（BTS）由共用机柜到共用模块，以节省投资。GSM-R向LTE-R的平台演进如图4所示。

5 结束语

我国高速铁路和客运专线进入了大规模建设时期。武广、郑西、京沪高速铁路的相继开通，标志着GSM-R网络的服务质量满足CTCS-3级列车控制的需求，铁路利用GSM规模经济的优点构建GSM-R网络。同样的机会也将在LTE中出现，LTE是简单、高效、低时延、低造价的全IP网络，同时提供安全的话音和数据，允许为通信和铁路运营商开发统一的车-地通信，并可实现已部署的站点和设备的重复利用，因此，未来铁路GSM-R网络向LTE-R的方向演进是合理、可行的。

[1]钟章队,李旭,蒋文怡.铁路综合数字移动通信系统[M].北京：中国铁道出版社,2003.

[2]钟章队,刘秋妍.对中国GSM-R发展的研究[J].铁路通信信号工程技术，2009（1）：1-7.

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