柳小燕

摘 要：闡述了450M無線列調(diào)系統(tǒng)及GSM-R系統(tǒng)構(gòu)成、功能、特點等。分析了當(dāng)前高速鐵路無線通信存在的主要問題，即可用帶寬窄、傳輸速率低、糾錯能力弱以及多普勒頻移的影響等，結(jié)合未來鐵路發(fā)展需求，分析了當(dāng)前需要做的一些關(guān)鍵技術(shù)研究方向，如寬帶信道建模、MIMO技術(shù)、高鐵場景無線資源管理優(yōu)化以及新的組網(wǎng)技術(shù)等。并結(jié)合這些技術(shù)發(fā)展趨勢分析了鐵路無線通信系統(tǒng)的演進方向和趨勢。

關(guān)鍵詞：鐵路；無線通信；發(fā)展

我國鐵路無線通信技術(shù)是從上世紀50年代開始。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。從傳統(tǒng)的單信道模擬通信系統(tǒng)，到現(xiàn)在覆蓋全路的GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)。

無線列車調(diào)度系統(tǒng)是從上個世紀50年代開始的，頻率為150M和450M的單、雙工或單雙工兼容的通信系統(tǒng)。進入21世紀，450M無線列調(diào)系統(tǒng)在原有的機車、車站電臺，調(diào)度所調(diào)度總機的基礎(chǔ)上，開發(fā)了調(diào)度命令傳發(fā)器、無線車次號接收解碼以及編碼器設(shè)備，實現(xiàn)了TDCS、調(diào)度命令、無線車次號校核等功能。

我國于2000年確定采用GSM-R作為我國鐵路無線通信的發(fā)展方向，目前我國鐵路GSM-R系統(tǒng)已建成大約16個核心網(wǎng)節(jié)點，待建3個。但是另一方面，隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，GSM-R作為一種窄帶通信系統(tǒng)，無法滿足未來鐵路發(fā)展對寬帶通信的需求，例如列車診斷與維護、視頻監(jiān)控、旅客服務(wù)等業(yè)務(wù)，都需在高速列車與地面之間建立一條寬帶數(shù)據(jù)傳輸通道。

1 450M無線列調(diào)系統(tǒng)及擴展系統(tǒng)

1.1 450M無線列調(diào)系統(tǒng)

無線列車調(diào)度系統(tǒng)由車站電臺、機車電臺、鐵路區(qū)間的弱場中繼設(shè)備（區(qū)間無線中繼器、光纖真放站、區(qū)間互控電臺、漏泄電纜等設(shè)備）、手持臺、調(diào)度總機和檢測監(jiān)視等設(shè)備構(gòu)成。

現(xiàn)有采用A、B、C三種制式，實現(xiàn)了鐵路行車指揮系統(tǒng)的“大三角”、“小三角”通信業(yè)務(wù)。

1.2 擴展業(yè)務(wù)系統(tǒng)

450M無線列調(diào)擴展業(yè)務(wù)系統(tǒng)是在450M無線列調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴展了TDCS機車編碼器以及調(diào)度命令接收裝置；地面接收解碼器以及調(diào)度命令無線轉(zhuǎn)發(fā)控制器。實現(xiàn)了無線車次號以及調(diào)度命令的傳送。

1.3 系統(tǒng)特點

450M無線列調(diào)系統(tǒng)在系統(tǒng)裝備、運行等方面有設(shè)備簡單、制造容易、成本低廉，目前裝備保有量大的特點。但在適應(yīng)鐵路數(shù)字化、智能化方面存在如下問題：

設(shè)備型號、種類繁多；頻率分散，制式不一；技術(shù)基礎(chǔ)特別是制式落后，功能擴展十分困難；不能組成大網(wǎng)，功能孤立，通話范圍有限；大三角通信的實現(xiàn)復(fù)雜；數(shù)據(jù)傳輸可靠程度低。

2 GSM-R鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)

2.1 GSM-R鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)

GSM-R是在公網(wǎng)GSM之上，增加鐵路調(diào)度通信功能和高速環(huán)境要素而建立起來的技術(shù)體制。系統(tǒng)一般由交換子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運行與維護子系統(tǒng)（OMC）、終端子系統(tǒng)、移動智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）、GPRS等組成。

GSM-R支持高級語音呼叫（ASCI），可以囊括目前各種無線通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)。同時，可以提供貨運信息、車載旅客信息服務(wù)和其它增值服務(wù)。特別是還滿足了列車高速運行速度下的傳輸列控信息的任務(wù)。

2.2 系統(tǒng)特點

雖然GSM-R具有安全性與可靠性良好、尋址能力強、功能豐富等突出優(yōu)點。但屬于窄帶通信系統(tǒng)，可用帶寬只有4MHZ，只能提供9.6kbps的電路域數(shù)據(jù)傳輸或者幾十個 kbps分組域數(shù)據(jù)傳輸。因此容量非常有限。

3 當(dāng)前鐵路無線通信存在的問題及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 當(dāng)前鐵路存在的問題

隨著高速鐵路的發(fā)展，對無線通信的功能性要求提出了新的需求，首先是地面系統(tǒng)需及時獲取準確的高速列車各類動態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對列車的視頻監(jiān)控、列車組織以及遠程故障診斷與維護等功能，其次車內(nèi)旅客對無線寬帶多媒體與移動互聯(lián)網(wǎng)的需求迫切。因此需要建立一套傳輸速率高、時延低、可靠性高、安全性好的車地間無線寬帶接入網(wǎng)來承載這些業(yè)務(wù)。而鐵路現(xiàn)有的450M無線列調(diào)系統(tǒng)以及 GSM-R遠不能滿足未來鐵路的發(fā)展需求。

鐵路無線通信向?qū)拵Оl(fā)展是必然的趨勢。但GSM-R的應(yīng)用場景不同于公眾網(wǎng)，能夠成功應(yīng)用于公網(wǎng)的無線寬帶通信系統(tǒng)應(yīng)用在高速鐵路環(huán)境時，會面臨許多不利因素。主要有以下幾點：

3.1.1 突發(fā)性干擾。寬帶通信可利用的頻譜較寬，獲得的傳輸速率高，受到干擾的可能性也增加。高速鐵路的電磁干擾較為復(fù)雜，電氣化設(shè)備繁多，由電氣設(shè)備產(chǎn)生的各種脈沖干擾和其它電磁干擾將嚴重影響無線寬帶通信系統(tǒng)的性能。

3.1.2 小區(qū)切換。在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，當(dāng)處于通信狀態(tài)的移動終端從一小區(qū)移到另一個小區(qū)時，當(dāng)移動終端的速度提高后，假設(shè)切換區(qū)大小不變，那么移動速度越快則終端穿越切換區(qū)的時間越短，以至于穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時延，則切換過程無法完成，導(dǎo)致掉話。

3.1.3 多普勒擴展。較大的多普勒頻移會使接收端下變頻后的基帶信號產(chǎn)生頻偏，引起信號失真。繼而影響信道均衡與相關(guān)解調(diào)的性能，使通信質(zhì)量惡化，甚至掉話。多普勒頻移還會對移動終端的小區(qū)切換產(chǎn)生影響，隨著頻偏增加導(dǎo)致移動終端的鄰小區(qū)測量性能下降，當(dāng)頻偏增加到一定程度，移運終端對鄰小區(qū)的測量出現(xiàn)嚴重偏差，導(dǎo)致切換無法被觸發(fā)。嚴重的是，當(dāng)窄帶通信變?yōu)閷拵ㄐ藕?，其多徑效?yīng)會更加明顯，當(dāng)不同徑的信號經(jīng)過不同的反射、折射或者散射路線到達接收端后，每條徑的多普勒頻移均不同，給信號檢測造成極大的困難。

3.1.4 無線信道加劇。在移運臺高速移動的情況下，由于移動臺周圍的反射體和散射體快速相對運動，導(dǎo)致無線信道時變加劇。對于高鐵這種信道時變特別快的應(yīng)用場景，目前公網(wǎng)普遍采用的基于閉環(huán)的技術(shù)均需對其算法加以改進以適應(yīng)快速變化的信道環(huán)境才能獲得預(yù)期增益。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

為滿足高速鐵路的無線需求，應(yīng)開展如下關(guān)鍵持術(shù)研究。

3.2.1 無線寬帶信道建模。研究高速鐵路應(yīng)用下的寬帶信道模型，通過理論分析與實測數(shù)據(jù)，分析無線寬帶信號路徑損耗、大尺度衰落、多徑效應(yīng)的沖激響應(yīng)、多普勒擴展等模型，以此確定高鐵環(huán)境下影響無線寬帶通信性能的主要因素，為選擇有效的無線通信技術(shù)提供依據(jù)。

3.2.2 多天線技術(shù)。公網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的多天線技術(shù)包括MIMO、智能天線等技術(shù)。MINO通過線性/非常線性預(yù)編碼可實現(xiàn)空間分集或空分復(fù)用，達到提高可靠性或提升容量的目的。智能天線則可以利用波束成形跟蹤指定用戶，減小干擾并增加系統(tǒng)容量。因此，有必要研究高速移動環(huán)境下的多天線技術(shù)，對現(xiàn)有技術(shù)加以改進，使其能夠在高速鐵路下仍能夠發(fā)揮其最優(yōu)性能。

3.2.3 無線資源管理優(yōu)化技術(shù)。高速移動環(huán)境下的無線資源管理優(yōu)化技術(shù)包括切換優(yōu)化、資源調(diào)度優(yōu)化，小區(qū)干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化等。未來列車的速度越來越快，穿越小區(qū)重疊的時間越來越短，因此需要優(yōu)化切換算法或組網(wǎng)覆蓋方案，保證切換成功，（下轉(zhuǎn)第134頁）此處，還需要優(yōu)化資源調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)等方案應(yīng)對高鐵通信特有的話務(wù)突發(fā)性，集中性及小區(qū)帶狀等特點。

3.2.4 組網(wǎng)技術(shù)。研究高速移動環(huán)境下無線寬帶網(wǎng)路的組網(wǎng)技術(shù)，涉及車廂內(nèi)無線局域網(wǎng)、地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)與地面骨干網(wǎng)絡(luò)的共同組網(wǎng)，建立端到端的可靠鏈路，降低用戶數(shù)據(jù)或控制信令在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延，并充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以減小成本。

4 未來鐵路無線通信的發(fā)展方向

鐵路無線通信技術(shù)必然要向能夠在高移動速度下提供高數(shù)據(jù)率的車地寬帶通信系統(tǒng)演進。由于公網(wǎng)的寬帶通信系統(tǒng)已經(jīng)部署商用，因此鐵路無線通信技術(shù)向?qū)拵У陌l(fā)展可以借鑒公網(wǎng)的成功經(jīng)驗。

目前，公網(wǎng)移動通信技術(shù)的演進路徑主要有三條：一是WCDMA和TD-SCDMA，均演進到LTE；二是CDMA2000也通過一定方式演進到LTE；三是802.16m的WiMAX路線，由WiMAX演進到WiMAX II 。這其中LTE擁有最多的支持者（愛立信、諾基亞西門子、華為、阿爾卡特朗訊等主要電信設(shè)備商）。然而中興、華為已經(jīng)率先推出基于LTE的鐵路無線通信系統(tǒng)。

LTE采用了OFDM/FDMA、MIMO、智能天線、LDPC等先進技術(shù)，可在20MHZ頻譜帶寬上提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速度，小區(qū)覆蓋半徑最大可達100Km， 特別是采用了扁平化的IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全部業(yè)務(wù)均在分組域?qū)崿F(xiàn)，并且將用戶面時延降低到5ms以下，控制面時延降低到100ms以下。LTE系統(tǒng)以其優(yōu)秀的性能可以滿足現(xiàn)有各種寬帶業(yè)務(wù)的需求。

現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)完全可以沿著公網(wǎng)的演進路徑，從目前的窄帶通信系統(tǒng)演進至LTE甚至是更為先進的LTE-Advanced，但是考慮到鐵路無線通信應(yīng)用場景的特殊性，鐵路無線通信的演進會跨過公網(wǎng)的3.5G、3.75G，而直接演進到LTE。從國際聯(lián)盟（UIC）對鐵路無線通信的展望，可以看出，UIC計劃跨過3G的演進階段，直接從GSM-R 演進至LTE-R。當(dāng)然，由于鐵路無線通信面臨高移動速度與復(fù)雜電磁環(huán)境的不利影響，會大幅降低LTE系統(tǒng)的性能，因此，當(dāng)把LTE系統(tǒng)應(yīng)用于高速鐵路環(huán)境中，必須對其加以改造，將LTE變?yōu)長TE-R，保證在高速移動速度與復(fù)雜電磁環(huán)境下仍然能提供較大的容量和穩(wěn)定的Qos.

5 結(jié)語

GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)在許多投入運行的高速鐵路上，發(fā)揮了巨大的作用，但是新技術(shù)總是有其先進性和優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)演進是必然，未來鐵路無線通信技術(shù)將向LTE-R方向發(fā)展。

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