鐵路移動通信的發(fā)展及演進方向

白 莉

（北京中鐵建電氣化設計研究院，北京 100043）

白 莉

（北京中鐵建電氣化設計研究院，北京 100043）

分析目前鐵路移動通信的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來鐵路發(fā)展GSM-R存在的主要瓶頸，針對鐵路未來發(fā)展對鐵路車地寬帶通信的需求，探討鐵路移動通信的發(fā)展及演進方向，從業(yè)務及平臺演進兩方面提出了GSM-R向LTE-R演進的技術(shù)方案。研究表明，未來鐵路GSM-R網(wǎng)絡向LTE-R的方向演進是合理、可行的。

鐵路移動通信；發(fā)展；演進；技術(shù)方案

我國鐵路移動通信從20世紀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)，集群移動通信系統(tǒng)到現(xiàn)在的GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)的發(fā)展過程。

從過去的模擬通信系統(tǒng)到現(xiàn)在的GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)完成的列車無線調(diào)度通信，區(qū)間、站場、公務移動通信，應急語音通信，機車監(jiān)測等業(yè)務,尤其是基于GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)完成的CTCS-3級列控系統(tǒng)功能，實現(xiàn)武廣、鄭西、京滬高速鐵路的成功開通、運營，鐵路移動通信在鐵路運輸中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是隨著鐵路運輸?shù)陌l(fā)展及高速鐵路的大規(guī)模建設，對車地寬帶通信也提出更高的要求，而GSM-R作為一種窄帶移動通信，無法滿足鐵路未來發(fā)展對鐵路車地寬帶通信的需求，因此，現(xiàn)在的鐵路移動通信還需要發(fā)展及演進。

本文分析了目前鐵路移動通信的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來鐵路發(fā)展GSM-R存在的主要瓶頸，針對鐵路運輸未來發(fā)展需要，探討了鐵路移動通信的發(fā)展及演進方向，從業(yè)務及平臺演進兩方面提出了GSM-R向LTE-R演進的技術(shù)方案。

1 GSM-R網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀

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

GSM-R的發(fā)展大致分為3個階段：標準制定階段、系統(tǒng)試驗階段、工程實施階段。從1993年國際電信聯(lián)盟（UIC）與歐洲電信標準組織（EISI）提出了歐洲各國鐵路下一代無線通信以GSM-R Phase 2+為標準的GSM-R技術(shù)，到1999年第一個GSM-R網(wǎng)絡在連接瑞典到丹麥的Oresund大橋鐵路線建成并投入運營，GSM-R網(wǎng)絡成功地運用到鐵路運輸生產(chǎn)中。

歐洲GSM-R/ETCS的成功運用，為我國鐵路

通信信號技術(shù)發(fā)展提供了良好的技術(shù)借鑒，我國從1994年就開始對專用移動通信技術(shù)跟蹤研究，2000年，我國經(jīng)過全面深入的考察和廣泛的論證，認為GSM-R技術(shù)符合中國鐵路的要求，決定全面引入GSM-R技術(shù)進行組網(wǎng)建設。青藏線、大秦線和膠濟線的成功建設和運營證明GSM-R在我國鐵路大規(guī)模應用的可行性，利用GSM-R網(wǎng)絡承載的鐵路專用語音呼叫和其他應用業(yè)務擁有以往模擬通信無法比擬的優(yōu)勢，全國既有線路的信息化改造也在新技術(shù)的推動下加快了步伐。

GSM-R系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

高速鐵路和客運專線的大規(guī)模建設使GSM-R網(wǎng)絡技術(shù)迎來新的機遇和挑戰(zhàn)，能否滿足高速情況下列控數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)囊蓡栯S著武廣和鄭西高鐵的相繼開通而打破，基于GSM-R無線通信系統(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)的運行，這也標志著鐵路通信信號一體化達到一個更高的結(jié)合點。

GSM-R網(wǎng)絡建設引起鐵路部門高度重視，網(wǎng)絡建設規(guī)劃有3個同步，第一，與鐵路信息化建設同步，提供綜合移動信息傳輸平臺；第二，與鐵路CTC、CTCS建設同步，提供綜合移動話音通信業(yè)務，提供通用數(shù)據(jù)列控數(shù)據(jù)傳輸通道；第三，與新建鐵路同步，不再重復投資建設區(qū)間通信電纜、無線列調(diào)、站場無線通信等系統(tǒng)。

GSM-R網(wǎng)絡中長期建設規(guī)劃在既有干線與CTC同步建設，與鐵路中長期路網(wǎng)新線同步建設，并逐步擴大無線覆蓋范圍，建成中國鐵路GSM-R網(wǎng)絡。

2 鐵路移動通信的演進需求及GSM-R網(wǎng)絡的主要瓶頸

2.1 鐵路移動通信的演進需求

GSM-R網(wǎng)目前提供的業(yè)務包括：語音業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務、與呼叫相關(guān)的業(yè)務和鐵路特定業(yè)務，并可在上述業(yè)務的基礎上擴展新的應用。

隨著全球高速鐵路的大規(guī)模建設，GSM-R也迎來一個蓬勃發(fā)展的時期，同時也對鐵路移動通信系統(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：從P2P電話調(diào)度指揮向M2M全自動數(shù)控調(diào)度指揮，從基本的起停向提高全網(wǎng)絡運行效率發(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)和操作維護信息流擴展。

2）安全監(jiān)控的發(fā)展需求

為了保證鐵路的安全可靠運行，安全監(jiān)控的發(fā)展趨勢包括從依賴人在現(xiàn)場監(jiān)控向遠程自動監(jiān)控發(fā)展，從對危機的事后感知和反應向?qū)崟r預警式監(jiān)控發(fā)展，從防范機器造成的危機向防范人為危機發(fā)展。

3）乘客服務系統(tǒng)的需求

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

4）乘客個人需求

隨著寬帶無線接入的出現(xiàn)，接入移動化、寬帶化的需求越來越旺盛，用戶對移動通信網(wǎng)絡的速率要求越來越高，Internet已經(jīng)成為人們生活和工作不可或缺的一部分。對于商務人士，高效的視頻電話、Email、電子理財、大文件和批量文件交互、商務信息瀏覽、交互式地理多媒體信息廣播等業(yè)務會成為其每天離不開的左右手；對于年輕用戶，移動博客、播客、交互式高質(zhì)量多媒體、大量多媒體文件下載、實時游戲業(yè)務等非常符合其溝通、交流、交友、娛樂和自我表現(xiàn)的需求；對于其他大眾用戶，在多媒體無線寬帶業(yè)務多發(fā)區(qū)域，自由暢通地享受高質(zhì)量的語音服務是其追求并且依賴移動運營服務的必要前提。因此，在高速運行的列車上人們同樣希望能夠享受高速的寬帶服務，Internet網(wǎng)絡服務將成為除運輸效率外，鐵路相對于航空最大的競爭優(yōu)勢。

2.2 GSM-R網(wǎng)絡演進存在的主要瓶頸

面對日益增長的鐵路運輸需要及乘客服務系統(tǒng)和乘客個人需求，鐵路移動通信需要建立一套傳輸速率高、時延低、可靠性高、安全性好的車地間寬帶數(shù)據(jù)連接，在支持鐵路更高等級安全監(jiān)控需求的同時，在車內(nèi)為擁有不同制式終端的用戶提供各種語音和數(shù)據(jù)業(yè)務。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、列車車體屏蔽效應使所有基于PLMN覆蓋的寬帶數(shù)據(jù)方案都有嚴重問題。

3 鐵路移動通信網(wǎng)絡的演進方向

3.1 鐵路移動通信網(wǎng)絡的演進方向分析

目前2.5G/3G手機移動數(shù)據(jù)業(yè)務和寬帶無線接入業(yè)務是兩個不同的市場段。寬帶無線接入業(yè)務采用WiMAX（IEEE 802.16 d/e）固定/移動寬帶無線城域網(wǎng)技術(shù)，核心網(wǎng)是標準的IP網(wǎng)，其無線鏈路的物理層和MAC層的設計考慮了突發(fā)型的分組數(shù)據(jù)業(yè)務的要求，能夠自適應無線信道環(huán)境，速率可達幾百kbit/s甚至幾十Mbit/s。手機數(shù)據(jù)業(yè)務基本是一個蜂窩移動通信網(wǎng)，下載速率在100 kbit/s以下。

作為手機數(shù)據(jù)業(yè)務的3G系統(tǒng)在支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務時頻譜效率低，其面向連接固定帶寬的結(jié)構(gòu)不適應突發(fā)式IP數(shù)據(jù)業(yè)務的需求。為此，3G標準化組織（3GPP）和第三代合作伙伴計劃2（3GPP2）都認識到目前的系統(tǒng)提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務的局限性，試圖在原來的體系框架內(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），速率達到10 Mbit/s以上。隨后進一步在R6中增加高速上行分組接入（HSUPA），將解決上行鏈路分組化問題，提高上行速率，進一步引入自適應波束成形和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IP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和國際電信聯(lián)盟（ITU）部署的B3G之間存在一個空檔，這正是WiMAX的目標。在一段時間內(nèi)的寬帶無線接入市場上，HSDPA、HSUPA對WiMAX的競爭將處于劣勢。

3.2 鐵路移動通信向LTE-R的方向演進

為了提高3G在新興的寬帶無線接入市場的競爭力，同時也為了避開Qualcomm的CDMA專利授權(quán)問題，3G標準化組織3GPP在2004年12月3GPP雅典會議決定由3GPP RAN工作組負責開展LTE（long term evolution）研究，LTE于2007年6月推出。截至2011年底，全球87個國家的248家運營商在投資LTE網(wǎng)絡，到2012年底，全球至少有103個LTE網(wǎng)絡將投入商用。顯而易見，LTE已經(jīng)成為移動網(wǎng)絡未來演進的必然方向，LTE全球網(wǎng)絡發(fā)展大勢已定。按照通信產(chǎn)業(yè)目前的發(fā)展速度，業(yè)界普遍預測，2015年全球?qū)⒋笠?guī)模部署LTE網(wǎng)絡。目前，公網(wǎng)的寬帶通信已經(jīng)部署商用。

長期演進計劃（LTE）是3G和4G之間的過渡，又稱3.9G或準4G，LTE的關(guān)鍵技術(shù)是OFDM（正交頻分復用）和MIMO（智能天線技術(shù)），3GPP啟動的LTE項目是基于3GPP的R8標準，簡單來說，與2G的GSM、3G的UMTS相比，有以下主要特點。

1）更高速率、更高的頻譜效率：其瞬時下載峰值速率在20 MHz載頻帶寬下可達100 Mbit/s，是R6標準HSDPA的3～4倍，頻譜效率為5 bit/s/Hz；上行速率可達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。保證了將來在系統(tǒng)部署上的靈活性。

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

4）QoS保證：通過系統(tǒng)設計和嚴格的QoS機制，保證實時業(yè)務（如VoIP）的服務質(zhì)量。

5）降低無線網(wǎng)絡時延：子幀長度0.5 ms和0.675 ms，解決向下兼容的問題并降低了網(wǎng)絡時延，時延可達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)同運作。

概括來說，與3G相比，LTE更具有技術(shù)優(yōu)勢，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)使用的頻點太高，不滿足鐵路部門希望經(jīng)濟、實惠地實現(xiàn)網(wǎng)絡在廣泛地域內(nèi)的覆蓋目標，而且在語音業(yè)務上3G技術(shù)與2G技術(shù)并沒有本質(zhì)區(qū)別等諸多因素，國際鐵路聯(lián)盟（UIC）明確表示3G技術(shù)不適用于鐵路。因此，未來鐵路移動通信會跨過公網(wǎng)的3.5、3.75G，而直接演進到“準4G”的LTE-R技術(shù)。

UIC對鐵路無線通信的展望如圖2所示，可以看出UIC計劃跨過3G的演進階段，直接從GSM-R演進到LTE-R。

4 GSM-R向LTE-R演進的技術(shù)方案

4.1 GSM-R向LTE-R的業(yè)務演進方案

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

4.2 GSM-R向LTE-R的平臺演進方案

GSM-R向LTE-R的平臺演進主要分為兩部分：核心網(wǎng)部分和無線部分，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)絡資源，合理分配話務，提高網(wǎng)絡性能、抗沖擊能力和提高投資利用率等方面具有許多優(yōu)勢，使這種組網(wǎng)方式成為未來移動通信網(wǎng)絡發(fā)展的重要趨勢之一。

無線部分的發(fā)展趨勢為GSM-R和LTE-R共用基站控制器（BSC），基站設備（BTS）由共用機柜到共用模塊，以節(jié)省投資。GSM-R向LTE-R的平臺演進如圖4所示。

5 結(jié)束語

我國高速鐵路和客運專線進入了大規(guī)模建設時期。武廣、鄭西、京滬高速鐵路的相繼開通，標志著GSM-R網(wǎng)絡的服務質(zhì)量滿足CTCS-3級列車控制的需求，鐵路利用GSM規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)點構(gòu)建GSM-R網(wǎng)絡。同樣的機會也將在LTE中出現(xiàn)，LTE是簡單、高效、低時延、低造價的全IP網(wǎng)絡，同時提供安全的話音和數(shù)據(jù)，允許為通信和鐵路運營商開發(fā)統(tǒng)一的車-地通信，并可實現(xiàn)已部署的站點和設備的重復利用，因此，未來鐵路GSM-R網(wǎng)絡向LTE-R的方向演進是合理、可行的。

[1]鐘章隊,李旭,蔣文怡.鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社,2003.

[2]鐘章隊,劉秋妍.對中國GSM-R發(fā)展的研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2009（1）：1-7.

[3]鐵道部工程設計鑒定中心,北京全路通信信號研究設計院.中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設計指南[S].北京：中國鐵道出版社,2008.

[4]朱慧忠,張亞平,蔣笑冰，等.GSM-R通信技術(shù)與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2008.