LTE-R關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用分析

董玉圻

（國家鐵路局裝備技術(shù)中心，北京 100070）

在鐵路通信系統(tǒng)中，GSM-R為其專門設(shè)計的數(shù)字移動通信系統(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；第三種為運輸生產(chǎn)等無線通信功能。在高速鐵路系統(tǒng)發(fā)展過程中，其對通信技術(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。我國于2010年開始研究LTE-R鐵路移動專用通信系統(tǒng)，京沈高速鐵路上已經(jīng)開始對LTE-R系統(tǒng)進行試驗，同時一些設(shè)備廠商也依據(jù)鐵路的具體需求，積極開發(fā)移動通信設(shè)備。此外，驗證鐵路業(yè)務(wù)需求的滿足性，重點是承載CTCS-3列控系統(tǒng)等業(yè)務(wù)時的可靠性、可用性。

1 LTE系統(tǒng)介紹

LTE( Long TermEvolution ，長期演進)是3GPP（The 3rd Generation PartnershipProject）技術(shù)標準的 長 期 演 進。2004年12月，LTE于3GPP多 倫 多 會議中被正式啟動。作為一種3G和4G之間的過度標準，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)的標準。LTE技術(shù)具備多種優(yōu)點：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（無線網(wǎng)絡(luò)控制器）與Node（無線基站）優(yōu)化結(jié)合得到eNodeB（增強型基站）。LTE網(wǎng)絡(luò)由三部分構(gòu)成：第一部分為用戶設(shè)備（UE），其指的是移動終端設(shè)備；第二部分為增強型基站（eNodeB），負責接入網(wǎng)部分，因而也被稱作E-UTRAN（地面無線接入網(wǎng)）；第三部分為核心網(wǎng)（EPC），負責該網(wǎng)絡(luò)的核心部分，由服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、移動性管理實體（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)流拆分為多個相互正交的子數(shù)據(jù)流，且重疊的頻域子信道之間同時傳輸，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)流傳輸在各個子信道之間是并行的，互相不干擾，每個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：結(jié)構(gòu)簡單、易于硬件實現(xiàn)、頻譜利用率高、頻率選擇性衰落能力強、抗多徑干擾能力強。

2.2 多輸入輸出技術(shù)MIMO

OFDM（正交頻分復(fù)用）可以將頻域信號分為多個子信道，也將數(shù)據(jù)信號流分為多個子信號流，這些信號流由多個子載波傳輸。必須由多個天線同時傳輸信號，信號通過無線信號以后，由多個天線同時接收，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，同時發(fā)送、階數(shù)多方位的信號，從而在不增加寬帶的條件下實現(xiàn)了信道容量的增加。該技術(shù)具備多種優(yōu)點：第一種為信號傳輸速率快；第二種為信號覆蓋面積大；第三種為信號接收的誤碼率較低。

為了卻并OFDM的多子波可以同時傳輸，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。在信道傳輸過程中，信號表現(xiàn)為衰落特性?？臻g復(fù)用指的是借助多個天線并行傳輸多個子數(shù)據(jù)流，從而有效提高了信號傳輸?shù)男始八俣?。傳輸分集指的是?jīng)過串并操作后，信號源被分成多個子信號流，由多個天線將這些信號流發(fā)射出去，信號在接收端經(jīng)并串處理后，為傳遞信號提供了多個副本，從而提高了傳輸?shù)目煽慷取?/p>

使用LTE的動通信網(wǎng)具備多種優(yōu)點：第一種為傳輸速率快；第二種為信號傳輸質(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

目前我國的CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)是基于GSM-R運用的，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，當數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)數(shù)量快速增加后，系統(tǒng)的無線資源會被長期占用，從而導(dǎo)致許多業(yè)務(wù)無法更好地利用網(wǎng)絡(luò)開展。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、列車無線網(wǎng)絡(luò)接入等業(yè)務(wù)，現(xiàn)有系統(tǒng)無法有效承載。

（2）干擾嚴重。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)的通信可靠性無法得到保障。

（3）后續(xù)維護難度大。2025年前后GSM設(shè)備廠商會停止對GSM設(shè)備的維護和生產(chǎn)，維護成本和難度都會大大增加，且備件不足會嚴重影響系統(tǒng)安全運營。

（4）越區(qū)切換成功率低。借助無線通信設(shè)備，CTCS-3級列控系統(tǒng)實現(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。當列車高速運行時，列車會在快速通過各個通信小區(qū)，從而很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷問題。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)致的信號連接失敗問題的占比較高。

3.2 LTE-R的技術(shù)優(yōu)勢

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

（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到50Mb/s，下行峰值傳輸速率可以達到100Mb/s。能夠滿足不同速度場景下的實時通信。

（2）網(wǎng)絡(luò)接入性強。網(wǎng)絡(luò)的接入性指標主要有接通率和平均時延兩項。GSM-R的時延為500ms，LTE-R的時延在用戶接入時為5ms,網(wǎng)絡(luò)連接建立時成功率大于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，也支持列車在350km/h以上的移動速度下保持接入。

（3）越區(qū)成功率高。在切換LTE-R時，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切換過程簡單，使得各環(huán)節(jié)效率更高，越區(qū)成功率高，且受列車運行速度增加的影響較小，在列車速度350km/h能夠滿足對數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性的要求。

（4）設(shè)備條件充足。我國鐵路部門已經(jīng)明確下一代鐵路移動專用通信系統(tǒng)將是LTE-R，國內(nèi)各設(shè)備制造商已經(jīng)開始著手系統(tǒng)的設(shè)計和方案的規(guī)劃，產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)儲備充足，維護成本低。

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接入等特點，列車運行過程中利用LTE-R網(wǎng)絡(luò)時，列車可以實時接收基站發(fā)送的無線信號，且列車也可將位置信息發(fā)送給基站，核心網(wǎng)絡(luò)會處理列車發(fā)送的信息，從而獲取到列車的實時位置及運行速度。鐵路線路上的前后兩輛列車，其都與列車控制系統(tǒng)保持實時通信，從而可以將各自的運行速度、位置等詳細信息進行通信。CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)未來可能升級為CTCS-4，前后追蹤的列車利用曲線方式進行控制，并取代了軌道電路，從而實現(xiàn)了列車運行期間的虛擬蔽塞、移動閉塞，進而提高了列車運行的安全性。

動車組自動駕駛（ATO）技術(shù)已在我國逐步開展應(yīng)用，CTCS-2+ATO系統(tǒng)2016年在珠三角城際已經(jīng)投入運營。我國已經(jīng)掌握自主化列控技術(shù)，未來的趨勢一定是在350km/h條件下實現(xiàn)自動駕駛?，F(xiàn)有的CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)的車載系統(tǒng)由ATP系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)通過GSM-R系統(tǒng)獲取限速信息，然后將該數(shù)據(jù)與列車運行速度相比，如果列運行速度快，則采取緊急制動措施。ATO技術(shù)需要新增車門/站臺門聯(lián)動控制、運行計劃自動調(diào)整、車門防護、自動駕駛控制等功能，如果想實現(xiàn)以上功能，需要新增相應(yīng)的接口，并保障接口間無縫轉(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)特點能夠保證ATO技術(shù)在CTCS-3中應(yīng)用。

在我國高速鐵路體系中，CTCS-3級列控系統(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級列控系統(tǒng)。與GSM-R相比，LTE-R具備多種優(yōu)點：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)，并且未來可以為CTCS-3級列控系統(tǒng)升級提供充足的技術(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)、語音業(yè)務(wù)和圖像數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，同時還可以承載適應(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，如果想實現(xiàn)實時監(jiān)控需要足夠的帶寬，而GSM-R極限上行速率只有118kbps，無法滿足系統(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)實現(xiàn)，地面無法實時調(diào)看列車監(jiān)控。在各個車廂中安裝了高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以此可以實時收集車廂中的視頻信息，通過超高壓縮編碼器對視頻流進行壓縮，再上傳到車廂視頻監(jiān)控管理單元進行分發(fā)存儲，列車運行到站后，需要專人將各個車廂的每塊視頻存儲設(shè)備取下，集中送到相應(yīng)部門進行轉(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到50Mbs，這個帶寬速率可以同時傳輸20路左右的實時視頻信號?，F(xiàn)有高鐵動車主要有8節(jié)和16節(jié)車廂兩種，每個車廂放一個攝像頭，采用LTE-R系統(tǒng)可以通過車地之間的LTE-R通道實現(xiàn)將列車實時視頻監(jiān)控傳送到地面控制中心，發(fā)生緊急情況時，調(diào)度指揮人員可以依托該技術(shù)實時掌握列車運行和人員情況，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)備與列車進行數(shù)據(jù)交互的工作，將由車地無線通信技術(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)的負載，并且可以實現(xiàn)前后車之間的雙向通信。車輛通過D2D技術(shù)可以實施交換速度、線路狀況等信息，具有實時性更高、移動性更好的優(yōu)點。D2D基站中繼模式中信息不需要經(jīng)過核心網(wǎng)的處理，直接在基站之間進行通信。LTE-R相比GSM-R的優(yōu)勢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)可以滿足未來的車車通信系統(tǒng)。