浅析铁路新一代无线通信技术LTE-R的应用及发展

浅析铁路新一代无线通信技术LTE-R的应用及发展

刘玥琛

摘要：不断发展的无线通信技术在铁路领域的应用，将不断优化铁路运能，对促进中国经济全面可持续发展具有深远意义。现有的GSM-R技术在抗干扰性、传输速率、容量和频谱限制、发展前景等方面均具有的局限性，本文对下一代国际先进且符合铁路运营规律的专用通信LTE-R 技术进行了研究，并对其性能、核心技术进行了详细分析。综述了LTE-R技术目前的研究实践以及未来中国铁路经济的发展方向。

关键词：无线通信GSM-R LTE-R 局限MIMO OFDM 演进

1 引言

作为目前我国铁路移动通信的主要应用技术，GSM-R技术以3GPP标准制式为基础，凭借其良好的组呼、强插，位置寻址及功能寻址等特性，能够迅速准确的诊断、传输数据信息，进而承载了大量的数据业务和语音通信业务，在我国得到了良好的发展和完善。

但是，随着全球经济一体化趋势的渐进和中国经济的强势崛起，高速铁路的发展也越来越迅速。为了满足乘客对高质量、高带宽通信业务的需求，国际铁路联盟提出了将现有

窄带铁路列控系统(GSM-R)向未来基于LTE的宽带铁路通信

系统(LTE-R)平滑演进的方案。[1]

2 GSM-R的局限性分析

虽然GSM-R技术在我国得到了快速的发展和应用，但是作为第二代移动通信技术，GSM-R系统的电路域数据业务仅为2 400～9600bit/s，分组域数据业务的速率也仅能达到一百多kbit/s，它的频谱利用率和承载的数据速率也较低。这使得现有基于GSM-R的平台对承载视频监控、视频会议、铁路旅客移动信息服务等宽带业务的难度非常大。[2]

图1 GSM—R网络结构

2.1 存在干扰问题

由于GSM-R网络与公众电信网络共用900 MHz(E-GSM)频段，因此GSM-R网络容易受到网外电磁干扰进而影响服务质量，尤其对列控业务存在非常明显的安全隐患。

2.2 传输速率受限

虽然目前GSM-R网络中的CSD和GPRS业务能够提供列控

和非安全数据业务的承载服务，但作为窄宽通信技术，其数据传输速率有限。这使得地面调度人员和列车司机只能进行语音沟通，不能通过视频来对列车运行情况实时监控。

2.3 容量和频谱限制

由于GSM-R系统仅仅分配了4M频谱资源，不能满足铁路运输快速增长的需求，尤其是对ETCS服务的需求。与此同时，基于ETCS的业务虽然能保证数据传输的实时性和连接的安

全性，但由于其长期独占相应的无线资源和时隙，因此在更大程度上影响了GSM-R无线接入终端用户的容量。[3]

2.4 发展前景有限

GSM-R系统由许多网元组成，大量的网元在造成能源和空间占用的同时，也使得其操作和维护难度加大。而随着供应商宣布将在2025年停止对GSM-R系统进行升级与维护，GSM-R系统将面临更严峻的演进或换代问题。

当前对于能满足无线宽带业务发展需求的技术已取得

阶段性共识，未来以单载波频分多址技术和正交频分复用技术为核心基础的无线通信技术必将向LTE技术演进。

3 基于LTE-R的新技术

3.1 LTE-R的演进必要性

一方面，由于传统的3G通信设备频谱利用率极低，对数据服务的承载能力有限，其数据格式并不适应承载突发式的

IP数据业务。另一方面，由于在语音业务上继承了2G技术，使得3G技术的语音业务和数据的承载无法保持一致。所以，只有通过不断改善，3G技术才能更好地适应铁路无线通信的需求。因此，铁路无线通信技术将由目前2G时代的GSM-R技术，跨越3G时代，直接发展为立足4G标准的LTE-R技术。[4]

图2 LTE-R网络结构

3.2 LTE-R关键技术

LTE-R系统主要采用多输入多输出(MIMO)、正交频分复用(OFDM)等技术，在增强传输速率和抗干扰能力的同时，也使得其安全性得以提高。

3.2.1 多输入多输出(MIMO)技术

MIMO技术是指在发射端使用多个发射天线发射信号，同时在接收端使用多个接收天线接收信号。它能充分利用空间资源，在不增加带宽的情况下，使频谱利用率成倍提高，进而成倍的增加信道容量，改善通信质量。MIMO技术还可以利

用多个天线来抑制信道衰落，降低误码率，进而提高信道的可靠性。

MIMO系统原理图如图3。发射端将空时映射后的信号发射出去，接收端将接收到的信号进行空时译码进而解读出原始数据。MIMO系统中常用的空间分集技术主要是空间复用技术和空时分组码技术（Space Time Block Code，即STBC）[6]。

图3 MIMO系统原理框图

STBC技术是以发送分集为基础的一种编码，最基础的应用是针对二天线设计的Alamouti方案，编码过程如图4。利用STBC技术，能够使得多根天线上所要输出的信号矢量相互正交（如下图中x1和x2的内积为0），接收端能够利用发送端信号矢量的正交性恢复出发射端发送的信号。因此，利用STBC技术，能够达到满分集的效果，即在具有A根发射天线和B根接收天线的系统中采用STBC技术时达到最大分集增益为AB。[7]

图4 Alamouti编码过程示意图

空间复用技术是将要传送的数据分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码，即

V-BLAST技术，如图5所示。

图5 V-BLAST系统发送示意图

3.2.2正交频分复用技术(OFDM)技术

作为一种多载波调制技术，OFDM技术由MCM技术

（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）发展而来。

OFDM技术的基本原理是利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调，来降低运算的复杂程度。对于N点的IFFT 运算，需要实施N^2次复数乘法，对于基于2的IFFT算法，复数乘法仅为（N/2）log2N。[8]

OFDM的主要原理：将信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换为并行的低速率子数据流，调制到每个子信道上进行传输；在接收端用相同数量的子载波对接收信号进行解调，再通过串／并变换将获得低速信息转换为高速信号，从而减少子信道之间的相互干扰(ISI)；另外，OFDM技术引

入了保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，