白 莉

（北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院，北京 100043）

白 莉

（北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院，北京 100043）

分析目前鐵路移動(dòng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來(lái)鐵路發(fā)展GSM-R存在的主要瓶頸，針對(duì)鐵路未來(lái)發(fā)展對(duì)鐵路車地寬帶通信的需求，探討鐵路移動(dòng)通信的發(fā)展及演進(jìn)方向，從業(yè)務(wù)及平臺(tái)演進(jìn)兩方面提出了GSM-R向LTE-R演進(jìn)的技術(shù)方案。研究表明，未來(lái)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)向LTE-R的方向演進(jìn)是合理、可行的。

鐵路移動(dòng)通信；發(fā)展；演進(jìn)；技術(shù)方案

我國(guó)鐵路移動(dòng)通信從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展至今，經(jīng)歷了從單信道模擬通信系統(tǒng)，集群移動(dòng)通信系統(tǒng)到現(xiàn)在的GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。

從過(guò)去的模擬通信系統(tǒng)到現(xiàn)在的GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)完成的列車無(wú)線調(diào)度通信，區(qū)間、站場(chǎng)、公務(wù)移動(dòng)通信，應(yīng)急語(yǔ)音通信，機(jī)車監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù),尤其是基于GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)完成的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)武廣、鄭西、京滬高速鐵路的成功開通、運(yùn)營(yíng)，鐵路移動(dòng)通信在鐵路運(yùn)輸中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展及高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)車地寬帶通信也提出更高的要求，而GSM-R作為一種窄帶移動(dòng)通信，無(wú)法滿足鐵路未來(lái)發(fā)展對(duì)鐵路車地寬帶通信的需求，因此，現(xiàn)在的鐵路移動(dòng)通信還需要發(fā)展及演進(jìn)。

本文分析了目前鐵路移動(dòng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來(lái)鐵路發(fā)展GSM-R存在的主要瓶頸，針對(duì)鐵路運(yùn)輸未來(lái)發(fā)展需要，探討了鐵路移動(dòng)通信的發(fā)展及演進(jìn)方向，從業(yè)務(wù)及平臺(tái)演進(jìn)兩方面提出了GSM-R向LTE-R演進(jìn)的技術(shù)方案。

1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R，GSM for Railways），是在目前世界上最通用、最成熟的GSM平臺(tái)上專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式無(wú)線通信系統(tǒng)，是針對(duì)鐵路通信列車調(diào)度、控制、支持高速等特點(diǎn)，為鐵路運(yùn)營(yíng)增加附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無(wú)線通信系統(tǒng)。

GSM-R的發(fā)展大致分為3個(gè)階段：標(biāo)準(zhǔn)制定階段、系統(tǒng)試驗(yàn)階段、工程實(shí)施階段。從1993年國(guó)際電信聯(lián)盟（UIC）與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織（EISI）提出了歐洲各國(guó)鐵路下一代無(wú)線通信以GSM-R Phase 2+為標(biāo)準(zhǔn)的GSM-R技術(shù)，到1999年第一個(gè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)在連接瑞典到丹麥的Oresund大橋鐵路線建成并投入運(yùn)營(yíng)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)成功地運(yùn)用到鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中。

歐洲GSM-R/ETCS的成功運(yùn)用，為我國(guó)鐵路

通信信號(hào)技術(shù)發(fā)展提供了良好的技術(shù)借鑒，我國(guó)從1994年就開始對(duì)專用移動(dòng)通信技術(shù)跟蹤研究，2000年，我國(guó)經(jīng)過(guò)全面深入的考察和廣泛的論證，認(rèn)為GSM-R技術(shù)符合中國(guó)鐵路的要求，決定全面引入GSM-R技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)。青藏線、大秦線和膠濟(jì)線的成功建設(shè)和運(yùn)營(yíng)證明GSM-R在我國(guó)鐵路大規(guī)模應(yīng)用的可行性，利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載的鐵路專用語(yǔ)音呼叫和其他應(yīng)用業(yè)務(wù)擁有以往模擬通信無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，全國(guó)既有線路的信息化改造也在新技術(shù)的推動(dòng)下加快了步伐。

GSM-R系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

高速鐵路和客運(yùn)專線的大規(guī)模建設(shè)使GSM-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迎來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，能否滿足高速情況下列控?cái)?shù)據(jù)安全傳輸?shù)囊蓡?wèn)隨著武廣和鄭西高鐵的相繼開通而打破，基于GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)的CTCS-3列控系統(tǒng)能夠保證列車在350 km/h的高速下安全、平穩(wěn)的運(yùn)行，這也標(biāo)志著鐵路通信信號(hào)一體化達(dá)到一個(gè)更高的結(jié)合點(diǎn)。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)引起鐵路部門高度重視，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃有3個(gè)同步，第一，與鐵路信息化建設(shè)同步，提供綜合移動(dòng)信息傳輸平臺(tái)；第二，與鐵路CTC、CTCS建設(shè)同步，提供綜合移動(dòng)話音通信業(yè)務(wù)，提供通用數(shù)據(jù)列控?cái)?shù)據(jù)傳輸通道；第三，與新建鐵路同步，不再重復(fù)投資建設(shè)區(qū)間通信電纜、無(wú)線列調(diào)、站場(chǎng)無(wú)線通信等系統(tǒng)。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)期建設(shè)規(guī)劃在既有干線與CTC同步建設(shè)，與鐵路中長(zhǎng)期路網(wǎng)新線同步建設(shè)，并逐步擴(kuò)大無(wú)線覆蓋范圍，建成中國(guó)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)。

2 鐵路移動(dòng)通信的演進(jìn)需求及GSM-R網(wǎng)絡(luò)的主要瓶頸

2.1 鐵路移動(dòng)通信的演進(jìn)需求

GSM-R網(wǎng)目前提供的業(yè)務(wù)包括：語(yǔ)音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、與呼叫相關(guān)的業(yè)務(wù)和鐵路特定業(yè)務(wù)，并可在上述業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展新的應(yīng)用。

隨著全球高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，GSM-R也迎來(lái)一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，同時(shí)也對(duì)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)提出更高的要求。

1）列車控制和調(diào)度的需求

列車控制的發(fā)展趨勢(shì)：從P2P電話調(diào)度指揮向M2M全自動(dòng)數(shù)控調(diào)度指揮，從基本的起停向提高全網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率發(fā)展，從單向指令的開環(huán)控制向雙向指令的閉環(huán)控制發(fā)展，從單純的控制系統(tǒng)向全面的維護(hù)操作系統(tǒng)發(fā)展，從核心的控制信息流向信息量很大的安監(jiān)和操作維護(hù)信息流擴(kuò)展。

2）安全監(jiān)控的發(fā)展需求

為了保證鐵路的安全可靠運(yùn)行，安全監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)包括從依賴人在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控向遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控發(fā)展，從對(duì)危機(jī)的事后感知和反應(yīng)向?qū)崟r(shí)預(yù)警式監(jiān)控發(fā)展，從防范機(jī)器造成的危機(jī)向防范人為危機(jī)發(fā)展。

3）乘客服務(wù)系統(tǒng)的需求

為提供更高質(zhì)量的服務(wù)，今后將需要在列車上建立多媒體服務(wù)系統(tǒng)，向乘客提供音視頻點(diǎn)播和在線游戲服務(wù)，列車狀態(tài)和旅行信息的廣播式服務(wù)，自助式換乘和購(gòu)買機(jī)票的服務(wù)。

4）乘客個(gè)人需求

隨著寬帶無(wú)線接入的出現(xiàn)，接入移動(dòng)化、寬帶化的需求越來(lái)越旺盛，用戶對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的速率要求越來(lái)越高，Internet已經(jīng)成為人們生活和工作不可或缺的一部分。對(duì)于商務(wù)人士，高效的視頻電話、Email、電子理財(cái)、大文件和批量文件交互、商務(wù)信息瀏覽、交互式地理多媒體信息廣播等業(yè)務(wù)會(huì)成為其每天離不開的左右手；對(duì)于年輕用戶，移動(dòng)博客、播客、交互式高質(zhì)量多媒體、大量多媒體文件下載、實(shí)時(shí)游戲業(yè)務(wù)等非常符合其溝通、交流、交友、娛樂(lè)和自我表現(xiàn)的需求；對(duì)于其他大眾用戶，在多媒體無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)多發(fā)區(qū)域，自由暢通地享受高質(zhì)量的語(yǔ)音服務(wù)是其追求并且依賴移動(dòng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的必要前提。因此，在高速運(yùn)行的列車上人們同樣希望能夠享受高速的寬帶服務(wù)，Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將成為除運(yùn)輸效率外，鐵路相對(duì)于航空最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)存在的主要瓶頸

面對(duì)日益增長(zhǎng)的鐵路運(yùn)輸需要及乘客服務(wù)系統(tǒng)和乘客個(gè)人需求，鐵路移動(dòng)通信需要建立一套傳輸速率高、時(shí)延低、可靠性高、安全性好的車地間寬帶數(shù)據(jù)連接，在支持鐵路更高等級(jí)安全監(jiān)控需求的同時(shí)，在車內(nèi)為擁有不同制式終端的用戶提供各種語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但是鐵路現(xiàn)有的GSM-R屬于窄帶通信系統(tǒng)，GSM-R系統(tǒng)的工作頻段為上行：885～889 MHz；下行：930～934 MHz，可供使用的頻段只有4 MHz,只能提供最高9.6 kbit/s的電路域數(shù)據(jù)傳輸或幾十kbit/s的分組域數(shù)據(jù)傳輸，并且高速移動(dòng)、列車車體屏蔽效應(yīng)使所有基于PLMN覆蓋的寬帶數(shù)據(jù)方案都有嚴(yán)重問(wèn)題。

3 鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向

3.1 鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向分析

目前2.5G/3G手機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)是兩個(gè)不同的市場(chǎng)段。寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)采用WiMAX（IEEE 802.16 d/e）固定/移動(dòng)寬帶無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)，核心網(wǎng)是標(biāo)準(zhǔn)的IP網(wǎng)，其無(wú)線鏈路的物理層和MAC層的設(shè)計(jì)考慮了突發(fā)型的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，能夠自適應(yīng)無(wú)線信道環(huán)境，速率可達(dá)幾百kbit/s甚至幾十Mbit/s。手機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基本是一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，下載速率在100 kbit/s以下。

作為手機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的3G系統(tǒng)在支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)頻譜效率低，其面向連接固定帶寬的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)突發(fā)式IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。為此，3G標(biāo)準(zhǔn)化組織（3GPP）和第三代合作伙伴計(jì)劃2（3GPP2）都認(rèn)識(shí)到目前的系統(tǒng)提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)的局限性，試圖在原來(lái)的體系框架內(nèi)，在下行鏈路中采用分組接入技術(shù)，大幅度提高IP數(shù)據(jù)下載和流媒體速率。3GPP在R5系統(tǒng)中增加了高速下行分組接入（HSDPA）（被稱為3.5G），速率達(dá)到10 Mbit/s以上。隨后進(jìn)一步在R6中增加高速上行分組接入（HSUPA），將解決上行鏈路分組化問(wèn)題，提高上行速率，進(jìn)一步引入自適應(yīng)波束成形和MIMO等天線陣處理技術(shù)，可將下行峰值速率提高到30 Mbit/s左右，核心網(wǎng)也在向全I(xiàn)P網(wǎng)演化。

HSDPA和HSUPA被稱為3.5G技術(shù)，屬于中期演化技術(shù)，受原體制束縛較大，性能不夠理想。3GPP發(fā)現(xiàn)在HSDPA和國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）部署的B3G之間存在一個(gè)空檔，這正是WiMAX的目標(biāo)。在一段時(shí)間內(nèi)的寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)上，HSDPA、HSUPA對(duì)WiMAX的競(jìng)爭(zhēng)將處于劣勢(shì)。

3.2 鐵路移動(dòng)通信向LTE-R的方向演進(jìn)

為了提高3G在新興的寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為了避開Qualcomm的CDMA專利授權(quán)問(wèn)題，3G標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在2004年12月3GPP雅典會(huì)議決定由3GPP RAN工作組負(fù)責(zé)開展LTE（long term evolution）研究，LTE于2007年6月推出。截至2011年底，全球87個(gè)國(guó)家的248家運(yùn)營(yíng)商在投資LTE網(wǎng)絡(luò)，到2012年底，全球至少有103個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)將投入商用。顯而易見，LTE已經(jīng)成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)未來(lái)演進(jìn)的必然方向，LTE全球網(wǎng)絡(luò)發(fā)展大勢(shì)已定。按照通信產(chǎn)業(yè)目前的發(fā)展速度，業(yè)界普遍預(yù)測(cè)，2015年全球?qū)⒋笠?guī)模部署LTE網(wǎng)絡(luò)。目前，公網(wǎng)的寬帶通信已經(jīng)部署商用。

長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃（LTE）是3G和4G之間的過(guò)渡，又稱3.9G或準(zhǔn)4G，LTE的關(guān)鍵技術(shù)是OFDM（正交頻分復(fù)用）和MIMO（智能天線技術(shù)），3GPP啟動(dòng)的LTE項(xiàng)目是基于3GPP的R8標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，與2G的GSM、3G的UMTS相比，有以下主要特點(diǎn)。

1）更高速率、更高的頻譜效率：其瞬時(shí)下載峰值速率在20 MHz載頻帶寬下可達(dá)100 Mbit/s，是R6標(biāo)準(zhǔn)HSDPA的3～4倍，頻譜效率為5 bit/s/Hz；上行速率可達(dá)50 Mbit/s，是R6 HSUPA的2～3倍，頻譜效率2.5 bit/s/Hz。

2）系統(tǒng)部署靈活，能夠支持1.25～20 MHz間多種系統(tǒng)帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配。保證了將來(lái)在系統(tǒng)部署上的靈活性。

3）以分組域業(yè)務(wù)為目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換。

4）QoS保證：通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（如VoIP）的服務(wù)質(zhì)量。

5）降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延：子幀長(zhǎng)度0.5 ms和0.675 ms，解決向下兼容的問(wèn)題并降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，時(shí)延可達(dá)U-plan＜5 ms，C-plan＜100 ms。

6）增加了小區(qū)邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下，增加小區(qū)邊界。

7）強(qiáng)調(diào)向下兼容，支持已有的3G和3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作。

概括來(lái)說(shuō)，與3G相比，LTE更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為高數(shù)據(jù)速率、低延遲、載波帶寬靈活可變、分組傳送、廣域覆蓋和向下兼容。

鑒于3G技術(shù)使用的頻點(diǎn)太高，不滿足鐵路部門希望經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在廣泛地域內(nèi)的覆蓋目標(biāo)，而且在語(yǔ)音業(yè)務(wù)上3G技術(shù)與2G技術(shù)并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別等諸多因素，國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）明確表示3G技術(shù)不適用于鐵路。因此，未來(lái)鐵路移動(dòng)通信會(huì)跨過(guò)公網(wǎng)的3.5、3.75G，而直接演進(jìn)到“準(zhǔn)4G”的LTE-R技術(shù)。

UIC對(duì)鐵路無(wú)線通信的展望如圖2所示，可以看出UIC計(jì)劃跨過(guò)3G的演進(jìn)階段，直接從GSM-R演進(jìn)到LTE-R。

4 GSM-R向LTE-R演進(jìn)的技術(shù)方案

4.1 GSM-R向LTE-R的業(yè)務(wù)演進(jìn)方案

GSM-R向LTE-R的業(yè)務(wù)演進(jìn)分兩部走，第一步，GSM-R與LTE-R網(wǎng)絡(luò)并存，在高速鐵路、業(yè)務(wù)繁忙線路及樞紐車站，可率先建立LTE-R網(wǎng)絡(luò)，并與GSM-R網(wǎng)絡(luò)并存，大容量非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可先過(guò)渡到LTE-R網(wǎng)絡(luò)，安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)保留在成熟的GSM-R網(wǎng)絡(luò)中。在普速非業(yè)務(wù)繁忙線路，可以充分利用既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)，以節(jié)省投資。第二步，由GSM-R與LTE-R網(wǎng)絡(luò)并存逐步過(guò)渡到LTE-R網(wǎng)絡(luò)。GSM-R向LTE-R業(yè)務(wù)演進(jìn)如圖3所示。

4.2 GSM-R向LTE-R的平臺(tái)演進(jìn)方案

GSM-R向LTE-R的平臺(tái)演進(jìn)主要分為兩部分：核心網(wǎng)部分和無(wú)線部分，其中核心網(wǎng)部分為采用MSC Pool組網(wǎng)，MSC Pool技術(shù)既適用于分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)WCDMA系統(tǒng)（MSC Server）,也適用于非分層結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)（傳統(tǒng)MSC）,MSC POOL技術(shù)在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，合理分配話務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)性能、抗沖擊能力和提高投資利用率等方面具有許多優(yōu)勢(shì)，使這種組網(wǎng)方式成為未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

無(wú)線部分的發(fā)展趨勢(shì)為GSM-R和LTE-R共用基站控制器（BSC），基站設(shè)備（BTS）由共用機(jī)柜到共用模塊，以節(jié)省投資。GSM-R向LTE-R的平臺(tái)演進(jìn)如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)高速鐵路和客運(yùn)專線進(jìn)入了大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。武廣、鄭西、京滬高速鐵路的相繼開通，標(biāo)志著GSM-R網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量滿足CTCS-3級(jí)列車控制的需求，鐵路利用GSM規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建GSM-R網(wǎng)絡(luò)。同樣的機(jī)會(huì)也將在LTE中出現(xiàn)，LTE是簡(jiǎn)單、高效、低時(shí)延、低造價(jià)的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提供安全的話音和數(shù)據(jù)，允許為通信和鐵路運(yùn)營(yíng)商開發(fā)統(tǒng)一的車-地通信，并可實(shí)現(xiàn)已部署的站點(diǎn)和設(shè)備的重復(fù)利用，因此，未來(lái)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)向LTE-R的方向演進(jìn)是合理、可行的。

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