董玉圻

（國(guó)家鐵路局裝備技術(shù)中心，北京 100070）

在鐵路通信系統(tǒng)中，GSM-R為其專門設(shè)計(jì)的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，其具備多種功能：第一種為應(yīng)急指揮；第二種為鐵路調(diào)度指揮；第三種為運(yùn)輸生產(chǎn)等無(wú)線通信功能。在高速鐵路系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，其對(duì)通信技術(shù)有了新的要求。由于GMS-R是窄帶網(wǎng)絡(luò)，其在鐵路應(yīng)急事件處理、列車監(jiān)控等方面的應(yīng)用存在局限性，難以滿足通信需求。我國(guó)于2010年開(kāi)始研究LTE-R鐵路移動(dòng)專用通信系統(tǒng)，京沈高速鐵路上已經(jīng)開(kāi)始對(duì)LTE-R系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)一些設(shè)備廠商也依據(jù)鐵路的具體需求，積極開(kāi)發(fā)移動(dòng)通信設(shè)備。此外，驗(yàn)證鐵路業(yè)務(wù)需求的滿足性，重點(diǎn)是承載CTCS-3列控系統(tǒng)等業(yè)務(wù)時(shí)的可靠性、可用性。

1 LTE系統(tǒng)介紹

LTE( Long TermEvolution ，長(zhǎng)期演進(jìn))是3GPP（The 3rd Generation PartnershipProject）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 長(zhǎng) 期 演 進(jìn)。2004年12月，LTE于3GPP多 倫 多 會(huì)議中被正式啟動(dòng)。作為一種3G和4G之間的過(guò)度標(biāo)準(zhǔn)，它是基于GSM/EDGE，并在其基礎(chǔ)上使用了MIMO（Multi -Input&Multi-Output，多輸入多輸出）和OFDM(，正交頻分復(fù)用）等關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。LTE技術(shù)具備多種優(yōu)點(diǎn)：第一種為傳輸速率高；第二種為網(wǎng)絡(luò)接入方式靈活；第三種為網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣；第四種為網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低；第五種為頻譜效率高。

1.1 LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LTE網(wǎng)絡(luò)采用了扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和IP化的接入方式，接入網(wǎng)是由RNC（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器）與Node（無(wú)線基站）優(yōu)化結(jié)合得到eNodeB（增強(qiáng)型基站）。LTE網(wǎng)絡(luò)由三部分構(gòu)成：第一部分為用戶設(shè)備（UE），其指的是移動(dòng)終端設(shè)備；第二部分為增強(qiáng)型基站（eNodeB），負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分，因而也被稱作E-UTRAN（地面無(wú)線接入網(wǎng)）；第三部分為核心網(wǎng)（EPC），負(fù)責(zé)該網(wǎng)絡(luò)的核心部分，由服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）構(gòu)成。具體情況如圖1所示。

圖1 LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 LTE-R的提出

在鐵路技術(shù)設(shè)備發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了許多新的技術(shù)要求。綜合考慮多種因素，鐵路部門將以LTE技術(shù)為基礎(chǔ)的LTE-R（Long Term EvolutionforRailway ）技術(shù)應(yīng)用到下代鐵路移動(dòng)專用通信系統(tǒng)中。LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到公網(wǎng)中，且技術(shù)已經(jīng)非常成熟。在此背景下，構(gòu)建滿足高速鐵路及重載鐵路需要密切可以取代GSM-R網(wǎng)絡(luò)的具有高速化、寬帶化的LTE-R網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行。

2 LTE-R關(guān)鍵技術(shù)

2.1 正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM

正交頻分復(fù)用OFDM是從MCM( Multi CarrierModulation ）基礎(chǔ)上得到的，其主要功能是提高信道寬帶的利用率。利用該技術(shù)可以把串行數(shù)據(jù)流拆分為多個(gè)相互正交的子數(shù)據(jù)流，且重疊的頻域子信道之間同時(shí)傳輸，需要注意的是子數(shù)據(jù)流為并行傳輸方式。OFDM是復(fù)用技術(shù)，數(shù)據(jù)流傳輸在各個(gè)子信道之間是并行的，互相不干擾，每個(gè)子載波之間都空閑了很大的間隔，相比傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)FDM，大大地提高了帶寬利用率。OFDM具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于硬件實(shí)現(xiàn)、頻譜利用率高、頻率選擇性衰落能力強(qiáng)、抗多徑干擾能力強(qiáng)。

2.2 多輸入輸出技術(shù)MIMO

OFDM（正交頻分復(fù)用）可以將頻域信號(hào)分為多個(gè)子信道，也將數(shù)據(jù)信號(hào)流分為多個(gè)子信號(hào)流，這些信號(hào)流由多個(gè)子載波傳輸。必須由多個(gè)天線同時(shí)傳輸信號(hào)，信號(hào)通過(guò)無(wú)線信號(hào)以后，由多個(gè)天線同時(shí)接收，這種使用多天線的技術(shù)就是多輸入多輸出技術(shù)MIMO。該技術(shù)是基于發(fā)射功率及帶寬逐漸增加的情況，同時(shí)發(fā)送、階數(shù)多方位的信號(hào)，從而在不增加寬帶的條件下實(shí)現(xiàn)了信道容量的增加。該技術(shù)具備多種優(yōu)點(diǎn)：第一種為信號(hào)傳輸速率快；第二種為信號(hào)覆蓋面積大；第三種為信號(hào)接收的誤碼率較低。

為了卻并OFDM的多子波可以同時(shí)傳輸，LTE使用了MIMO技術(shù)的方案，也就是傳輸分集、空間復(fù)用方案。在信道傳輸過(guò)程中，信號(hào)表現(xiàn)為衰落特性?？臻g復(fù)用指的是借助多個(gè)天線并行傳輸多個(gè)子數(shù)據(jù)流，從而有效提高了信號(hào)傳輸?shù)男始八俣?。傳輸分集指的是?jīng)過(guò)串并操作后，信號(hào)源被分成多個(gè)子信號(hào)流，由多個(gè)天線將這些信號(hào)流發(fā)射出去，信號(hào)在接收端經(jīng)并串處理后，為傳遞信號(hào)提供了多個(gè)副本，從而提高了傳輸?shù)目煽慷取?/p>

使用LTE的動(dòng)通信網(wǎng)具備多種優(yōu)點(diǎn)：第一種為傳輸速率快；第二種為信號(hào)傳輸質(zhì)量高；第三種為網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大等。在上述技術(shù)的支持下，有效提高了數(shù)字信號(hào)的頻譜利用率。

3 LTE-R應(yīng)用于CTCS-3系統(tǒng)

3.1 GSM-R的局限性

目前我國(guó)的CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是基于GSM-R運(yùn)用的，隨著鐵路專用設(shè)備的快速發(fā)展，現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)雖然仍能保障CTCS-3級(jí)列控安全可靠，但是存在很多局限性。

（1）帶寬容量及傳輸速率限制。現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)是窄帶通信系統(tǒng)，帶寬為4M，當(dāng)數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)數(shù)量快速增加后，系統(tǒng)的無(wú)線資源會(huì)被長(zhǎng)期占用，從而導(dǎo)致許多業(yè)務(wù)無(wú)法更好地利用網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展。目前的傳輸速率很有限，最高只有數(shù)十Kbps。隨著技術(shù)發(fā)展，鐵路網(wǎng)絡(luò)要更多地承載列車安全視頻監(jiān)控、列車無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入等業(yè)務(wù)，現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法有效承載。

（2）干擾嚴(yán)重。鐵路沿線分布著公網(wǎng)GSM900Hz網(wǎng)絡(luò)，鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)會(huì)受到較大干擾，相應(yīng)的業(yè)務(wù)尤其是高速鐵路的列控系統(tǒng)的通信可靠性無(wú)法得到保障。

（3）后續(xù)維護(hù)難度大。2025年前后GSM設(shè)備廠商會(huì)停止對(duì)GSM設(shè)備的維護(hù)和生產(chǎn)，維護(hù)成本和難度都會(huì)大大增加，且備件不足會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)。

（4）越區(qū)切換成功率低。借助無(wú)線通信設(shè)備，CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車載設(shè)備于地面設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互。在鐵路沿線區(qū)域中，各通信小區(qū)呈現(xiàn)為線性分布。當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，列車會(huì)在快速通過(guò)各個(gè)通信小區(qū)，從而很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷問(wèn)題。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在信道故障中，因列車跨區(qū)導(dǎo)致的信號(hào)連接失敗問(wèn)題的占比較高。

3.2 LTE-R的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

LTE技術(shù)在公網(wǎng)已經(jīng)成功運(yùn)用，LTE-R已經(jīng)確定為鐵路下代專用通信系統(tǒng)，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的制造商已經(jīng)開(kāi)始著手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方案的規(guī)劃。LTE-R本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)相較GSM-R很明顯，能夠很好地進(jìn)行替代。

（1）高帶寬高速率。LTE-R系統(tǒng)可支持5,10,15,20MHz等多種帶寬，上行峰值傳輸速率達(dá)到50Mb/s，下行峰值傳輸速率可以達(dá)到100Mb/s。能夠滿足不同速度場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)通信。

（2）網(wǎng)絡(luò)接入性強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)的接入性指標(biāo)主要有接通率和平均時(shí)延兩項(xiàng)。GSM-R的時(shí)延為500ms，LTE-R的時(shí)延在用戶接入時(shí)為5ms,網(wǎng)絡(luò)連接建立時(shí)成功率大于99%，與核心網(wǎng)EPC的尋呼率大于99%。綜上，LTE-R網(wǎng)絡(luò)接入性更強(qiáng)，也支持列車在350km/h以上的移動(dòng)速度下保持接入。

（3）越區(qū)成功率高。在切換LTE-R時(shí)，僅僅需要用戶設(shè)備,E-UT-RAN基站eNodeB和接入網(wǎng)關(guān)協(xié)作完成。相比GSM-R切換過(guò)程簡(jiǎn)單，使得各環(huán)節(jié)效率更高，越區(qū)成功率高，且受列車運(yùn)行速度增加的影響較小，在列車速度350km/h能夠滿足對(duì)數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性的要求。

（4）設(shè)備條件充足。我國(guó)鐵路部門已經(jīng)明確下一代鐵路移動(dòng)專用通信系統(tǒng)將是LTE-R，國(guó)內(nèi)各設(shè)備制造商已經(jīng)開(kāi)始著手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方案的規(guī)劃，產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備充足，維護(hù)成本低。

3.3 LTE-R應(yīng)用于CTCS-3系統(tǒng)

LTE-R具有高寬帶高速率允許多用戶同時(shí)接入等特點(diǎn)，列車運(yùn)行過(guò)程中利用LTE-R網(wǎng)絡(luò)時(shí)，列車可以實(shí)時(shí)接收基站發(fā)送的無(wú)線信號(hào)，且列車也可將位置信息發(fā)送給基站，核心網(wǎng)絡(luò)會(huì)處理列車發(fā)送的信息，從而獲取到列車的實(shí)時(shí)位置及運(yùn)行速度。鐵路線路上的前后兩輛列車，其都與列車控制系統(tǒng)保持實(shí)時(shí)通信，從而可以將各自的運(yùn)行速度、位置等詳細(xì)信息進(jìn)行通信。CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)未來(lái)可能升級(jí)為CTCS-4，前后追蹤的列車?yán)们€方式進(jìn)行控制，并取代了軌道電路，從而實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行期間的虛擬蔽塞、移動(dòng)閉塞，進(jìn)而提高了列車運(yùn)行的安全性。

動(dòng)車組自動(dòng)駕駛（ATO）技術(shù)已在我國(guó)逐步開(kāi)展應(yīng)用，CTCS-2+ATO系統(tǒng)2016年在珠三角城際已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)。我國(guó)已經(jīng)掌握自主化列控技術(shù)，未來(lái)的趨勢(shì)一定是在350km/h條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛?，F(xiàn)有的CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的車載系統(tǒng)由ATP系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)通過(guò)GSM-R系統(tǒng)獲取限速信息，然后將該數(shù)據(jù)與列車運(yùn)行速度相比，如果列運(yùn)行速度快，則采取緊急制動(dòng)措施。ATO技術(shù)需要新增車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制、運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整、車門防護(hù)、自動(dòng)駕駛控制等功能，如果想實(shí)現(xiàn)以上功能，需要新增相應(yīng)的接口，并保障接口間無(wú)縫轉(zhuǎn)換，通信系統(tǒng)必須能夠提供連續(xù)、穩(wěn)定的列控信息，而LTE-R的技術(shù)特點(diǎn)能夠保證ATO技術(shù)在CTCS-3中應(yīng)用。

在我國(guó)高速鐵路體系中，CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)得到了應(yīng)用，如果下一代鐵路的專用通信系統(tǒng)選用了LTE-R，最主要的功能就是承載CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)。與GSM-R相比，LTE-R具備多種優(yōu)點(diǎn)：第一種為傳輸速率高；第二種為網(wǎng)絡(luò)接入方式靈活；第三種為網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣；第四種為網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低；第五種為頻譜效率高，完全能夠替代GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載CTCS-3等業(yè)務(wù)，并且未來(lái)可以為CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)升級(jí)提供充足的技術(shù)保障。

4 LTE-R應(yīng)用于列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)

LTE-R作為下一代鐵路移動(dòng)專用通信系統(tǒng)，既可以承載原有GSM-R系統(tǒng)承載的列控系統(tǒng)、語(yǔ)音業(yè)務(wù)和圖像數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，同時(shí)還可以承載適應(yīng)鐵路發(fā)展的新業(yè)務(wù)。比如，列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)有主流的高清媒體流所需的網(wǎng)絡(luò)速率為2Mbps，如果想實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控需要足夠的帶寬，而GSM-R極限上行速率只有118kbps，無(wú)法滿足系統(tǒng)需求。所以現(xiàn)有列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于車廂內(nèi)部有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，地面無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)看列車監(jiān)控。在各個(gè)車廂中安裝了高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以此可以實(shí)時(shí)收集車廂中的視頻信息，通過(guò)超高壓縮編碼器對(duì)視頻流進(jìn)行壓縮，再上傳到車廂視頻監(jiān)控管理單元進(jìn)行分發(fā)存儲(chǔ)，列車運(yùn)行到站后，需要專人將各個(gè)車廂的每塊視頻存儲(chǔ)設(shè)備取下，集中送到相應(yīng)部門進(jìn)行轉(zhuǎn)存留存。

LTE-R系統(tǒng)可支持5、10、15、20MHz等多種帶寬，上行峰值傳輸速率達(dá)到50Mbs，這個(gè)帶寬速率可以同時(shí)傳輸20路左右的實(shí)時(shí)視頻信號(hào)?，F(xiàn)有高鐵動(dòng)車主要有8節(jié)和16節(jié)車廂兩種，每個(gè)車廂放一個(gè)攝像頭，采用LTE-R系統(tǒng)可以通過(guò)車地之間的LTE-R通道實(shí)現(xiàn)將列車實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控傳送到地面控制中心，發(fā)生緊急情況時(shí)，調(diào)度指揮人員可以依托該技術(shù)實(shí)時(shí)掌握列車運(yùn)行和人員情況，大大提高列車調(diào)度指揮的安全性。

5 LTE-R應(yīng)用于車車通信系統(tǒng)

以后使用的CTCD-4系統(tǒng)，必須減少地面設(shè)備的數(shù)量，且以往利用軌道電路等地面設(shè)備與列車進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的工作，將由車地?zé)o線通信技術(shù)完成。LTE-R的延伸技術(shù)D2D可以應(yīng)用于車車通信系統(tǒng)來(lái)滿足以上需求。D2D技術(shù)是指在基站控制下允許終端之間直接通信的新興技術(shù)，能夠有效降低基站和核心網(wǎng)的負(fù)載，并且可以實(shí)現(xiàn)前后車之間的雙向通信。車輛通過(guò)D2D技術(shù)可以實(shí)施交換速度、線路狀況等信息，具有實(shí)時(shí)性更高、移動(dòng)性更好的優(yōu)點(diǎn)。D2D基站中繼模式中信息不需要經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)的處理，直接在基站之間進(jìn)行通信。LTE-R相比GSM-R的優(yōu)勢(shì)是可以直接在基站之間傳輸信令和數(shù)據(jù)的X2空中接口，綜上，LTE-R系統(tǒng)可以滿足未來(lái)的車車通信系統(tǒng)。