铁路下一代移动通信系统（LTE-R）技术指标体系研究

李 莉（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

近十年来，随着我国铁路的快速发展，GSM-R系统在青藏高原铁路、大秦重载铁路、京沪高速铁路、郑西客运专线等线路上得到广泛应用。然而，伴随着众多铁路新业务需求的涌现，比如：列车视频监控业务、列车实时监控业务等，对铁路移动通信系统提出更高的要求，需要其能够提供更大的带宽、更低的时延。

GSM-R作为第二代移动通信技术，属于窄带通信系统，频谱利用率较低，主要承载话音业务和少量数据业务，数据速率较低，一般仅为2 400～9 600 bit/s，即使采用GPRS技术，数据速率也仅能达到一百多kbit/s。这使得在现有GSM-R平台上开拓各种新业务，特别是对带宽需求较高的业务，难度非常大。

另一方面，随着公众移动通信网从2G向3G、4G方向发展，GSM市场正在逐步萎缩。GSM-R设备生产商已经纷纷表示将在2025年左右停止相关产品的生产，GSM-R向铁路下一代移动通信系统演进已成大势所趋。国际铁路联盟（U IC）也已经着手进行铁路下一代通信系统标准的制定。

正是在这样的形势和背景下，铁道部组织开展了“铁路下一代移动通信系统总体技术研究”科研项目，开启对铁路下一代移动通信系统的研究工作。

李莉，女,硕士毕业于北京交通大学，工程师。主要研究方向包括LTE系统在铁路上的应用、GSM-R网络设计集成等，曾参与《基于TD-LTE的高速铁路宽带通信的关键技术研究与应用验证》、《铁路下一代移动通信总体技术研究》、《CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范》、武广客专、京沪客专等项目。

2 铁路下一代移动通信系统制式选择

目前公众移动通信和一些发达国家铁路主要采用的移动通信制式包括：第三代移动通信技术（3G）、W i-Fi技术、W iM AX技术、卫星通信技术和LTE技术。

3G系统是相对于第一代（1G）与第二代（2G）移动通信系统而言的宽带移动通信系统，在数据传输速率上有了很大的提升，最高可以支持2 M b it/s的速率，而3.5G技术—高速分组接入技术最高达到5.76 Mbit/s速率。

W i-F i是一种无线局域网技术，主要为个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等提供无线宽带连接。W i-F i传输速率最高可达54 M b it/s、网络结构简单、网络建设成本低；然而由于使用免授权频段，W i-F i容易受到其他系统的干扰，通信质量难以保证，对移动性支持较差 、安全性较差。

W iM A X是一种宽带无线城域网技术，能提供面向互联网的高速连接。W iM A X具有高Qo S保障、传输速率高（最高可达70 M b it/s）、传输距离远（最高可达50 km）等优点。然而W iMAX对移动性支持较差，主要针对游牧或低速移动状态下的数据接入，解决热点覆盖。

卫星通信是利用通信卫星作为中继，将地面上无线通信站发来的信号经过放大、移频后转发给地面无线通信站，从而实现两个或多个地球站之间的通信。卫星通信具有通信范围大、传输频带宽，通信容量大、通信稳定性好、质量高、组网方便等优点。然而卫星通信也存在传输时延大、终端体积较大，通信成本高等缺点。

LTE技术是3GPP组织为应对新业务的需求，以及W iM AX等无线互联网技术的挑战而提出的新一代宽带移动通信技术。与3G相比，LTE更具有技术优势，具体表现为频谱利用率高、数据速率高、载波带宽灵活可变、覆盖范围广和业务实时性好。目前，LTE系统已在全球范围内展开商用和试验。据全球移动设备供应商协会统计，截至2012年6月4日，已经推出LTE商用服务的运营商有80家。国内也已开展TD-LTE系统的试验和验证工作，大致分为概念验证、外场技术研发试验、外场规模试验等几个阶段。

相比于其他4种备选技术，LTE作为当前移动通信发展方向，采用了大量最新的研究成果，在对高速率、低时延、高速移动、安全性等方面的支持都较为符合铁路下一代移动通信系统的需求。就产业发展而言，LTE作为公众移动通信的发展方向已成为共识，得到了国家以及各大运营商和设备制造商的支持，具有完整的产业链。采用LTE技术作为铁路下一代移动通信系统，风险较小。而且U IC已经确定铁路下一代移动通信系统的演进路线将跨越3G技术，直接由GSM-R技术向LTE发展。

综合技术、产业和国际发展趋势，选择LTE技术作为我国铁路下一代移动通信系统发展方向是合理的选择。为简化表示，铁路下一代移动通信系统以LTE-R代替。

3 LTE-R系统技术指标研究

通过对3GPP标准的研究及国内外测试工作的总结，本文将LT E-R系统技术指标划分为3类，即系统指标、业务质量指标与网络质量指标。分别从系统设计角度、业务角度、网络角度提出技术指标。LTE-R系统技术指标体系如图1所示。

3.1 系统指标

3.1.1 系统带宽

LTE系统支持1.4、3、5、10、15 MH z和20 MH z带宽，同时支持在成对和非成对频段上部署。根据对未来铁路业务的初步估计，高速铁路近期（2025年以前）主要满足铁路运营需要，带宽需求至少为15 M H z（TDD）、上下行各6 M H z（FDD）。

3.1.2 频段

关于LTE-R频段方面，结合3GPP对E-UTRA频段的建议和我国无线电管理委员会整体的频率规划，研究E-U TRA频段中我国的规划及目前开展的业务，为LTE-R系统选择合适的频段。

表1 针对E-UTRA建议频段我国规划和使用情况

结合表1的分析，未来我国LTE-R系统若采用TDD制式，可能会遵从产业化的需要，室外选择2.6 GH z频段或1.9 GH z频段，室内选择2.3 GH z频段，也有可能申请更低的频段，但受制于政策及厂家的支持度。LTE-R系统若采用FDD制式，3GPP建议的700 MH z频段目前为广电使用，800 M H z频段主要为CDM A、GSM使用，但尚存在一些空闲频段，故可能选择的频段是800 M H z或1.4 GH z附近频段或1.7 GH z附近频段。若从国家对专网的一些频段划分倾向来看，LTE-R系统可能选择1.4 GH z（1 447 ～ 1 467 MH z）或 1.8 GH z（1 785 ～1 805 MHz）频段。

总之，建议LTE-R系统在我国可用频段上尽量争取低频段资源，如800 M H z频段或1.4 GH z频段。

3.1.3 峰值传输速率和峰值频谱效率

LTE系统对峰值传输速率和峰值频谱效率的性能要求如下。

下行峰值传输速率应>100 M b it/s（FDD，在20 MHz带宽，2×2空分复用条件下）。

下行峰值频谱效率>5 b it/s/H z（FDD，在20 MHz带宽，2×2空分复用条件下）。

上行峰值传输速率应>50 M b it/s（FDD，在20 MH z带宽，单天线传输条件下）。

上行峰值频谱效率>2.5 b it/s/H z（FDD，在20 MHz带宽，单天线传输条件下）。

上述是针对上行、下行各采用20 M H z带宽情况下性能指标的要求，在TDD模式下，上、下行共享20 M H z带宽，不必同时达到上述上、下行的要求。

LTE-R系统对此指标的要求与LTE系统相同。

3.1.4 移动性

LTE-R系统要求在低速场景（0～15 km/h）系统性能非常好，在较高速场景（15～120 km/h）能实现较好性能，能支持在350 km/h，甚至500 km/h时速下的通信。

3.2 业务质量指标

LTE系统中业务质量指标包括服务质量等级指示（QC I）、分配与保持优先级（ARP）、保证比特速率（GBR）、最大比特速率（M BR）和聚合最大比特速率（AM BR）。其中，QC I是最重要的参数，LTE标准中将QCI划分为9个等级，每种等级定义如表2所示。根据铁路业务特点，确定每种铁路业务的QCI，如表2所示。

表2 QCI属性

3.3 网络质量指标

3.3.1 覆盖

实际组网时，覆盖范围主要取决于边缘用户速率的大小需求，如500 kbit/s、1 Mbit/s、2 Mbit/s等，不同的目标数据速率的解调门限不同，导致覆盖半径也不同，因此确定合理的目标速率后，才能得到准确的覆盖。LTE系统中覆盖指标主要包含RSRP和RS-SINR。

1）RSRP

RSRP表示接收信号强度的绝对值，一定程度上可反映移动台距离基站的远近，因此这个值可以用来度量小区覆盖范围大小。RSRP是承载小区参考信号RE上的线性平均功率。

2）RS-SINR

RS-SINR指UE在RS信道上测量的信噪比，是指示信道质量的关键指标之一。RS-SINR在终端定义为RS有用信号与干扰（或噪声或干扰加噪声）相比强度，由UE测量得到。

参考国内TD-LTE试验网的测试情况，建议LTE-R系统覆盖指标要求如下。

RSRP： RSRP>-110 dBm的面积占90%以上。

空载条件下RS-SINR：大于5 d B的面积占90%以上。

满载条件下RS-SINR：大于-3 d B的面积占90%以上。

3.3.2 容量

1）小区平均吞吐量

小区平均吞吐量是以小区为单位统计的吞吐量。结合未来铁路业务需求及LTE系统测试情况，LTE-R系统容量要求如下。

在0～120 km/h场景、20 MH z带宽条件下，小区上下行平均吞吐量要达到60 Mbit/s。

在120～350 km/h场景、20 M H z带宽条件下，小区上下行平均吞吐量要达到40 Mbit/s。

2）边缘用户吞吐量

结合未来铁路业务需求及LTE系统测试结果，LTE-R系统上下行边缘用户吞吐量的目标是1 Mbit/s。

3）VoIP用户数

Vo IP用户数表示系统对语音业务的支持能力。结合国内测试情况，LTE-R系统在20 MH z带宽，每扇区VoIP的最大用户数应达到400个。

4）同时在线并发（激活）用户数

同时在线并发（激活）用户数取决于LTE协议字段的设计和设备能力。结合国内测试情况，LTE-R系统在20 M H z带宽内，单小区应能提供超过1 200个“最大同时在线用户数”的能力。

5）同时调度的用户数

同时调度的用户数指的是一个TT I内可以同时得到调度，传输数据的用户数。该指标受限于上下行控制信道的配置。采用动态调度时，一个TT I能同时调度的用户数约70个。

3.3.3 其他指标

1）附着成功率

终端附着到网络需经历以下几个步骤：开机后小区搜索、随机接入、RRC连接建立以及附着与EPS默认承载建立，这些步骤后能传送用户数据，则附着才算成功。结合国内测试情况，LTE-R系统的附着成功率要求≥99%。

2）RRC连接建立成功率

RRC连接建立成功率指终端发起RRC连接建立请求并成功建立连接的次数与终端发起RRC连接建立请求总次数之比，RRC连接成功后，U E从IDLE状态转为CONNECTED状态。结合国内测试情况，LTE-R系统的RRC连接建立成功率要求≥99%。

3）寻呼成功率

寻呼成功率等于寻呼成功次数与EPC发起寻呼请求总次数比值。结合国内测试情况，LTE-R系统的寻呼成功率要求≥99%。

4）RRC连接异常掉线率

对处于RRC连接状态的用户，存在由于eNB异常释放U E RRC连接的情况，这种概率表示基站RRC连接保持性能，一定程度上反映用户对网络的感受。结合国内测试情况，LTE-R系统的RRC连接异常掉线率要求≤5%。

5）切换成功率

切换成功率包括eNodeB内切换成功率、X 2口切换成功率、S1口切换成功率。

切换成功率等于切换成功次数与切换尝试次数的比值。高速铁路移动通信对切换成功率要求较高，LTE-R系统各种切换成功率均应≥99.5%。

6）控制面时延

LTE系统主要有两种状态，即“RRC_IDLE”（空闲状态）和“RRC_CONNECT”（激活状态），从空闲状态到激活状态的转换时间应小于100 m s。LTE-R系统要求与LTE系统相同。

7）用户面时延

用户平面时延指U E（或RAN边缘节点）发送IP层数据到RAN边缘节点（或U E）的单向传输时延。在无负载的小IP包（仅有IP包头，无负载）情况下，时延应小于5 m s。LTE-R系统要求与LTE系统相同。

4 结论

在下一代移动通信系统研究的背景下，本文对比分析得出铁路下一代移动通信系统适宜采用的制式，即LTE，在此制式下，结合公网LTE系统应用情况及铁路特殊业务和环境需求，明确了LTE-R系统技术指标体系，包括3大类，即系统指标、业务质量指标和网络质量指标。系统技术指标体系的建立为我国LTE-R系统的设计、研发等工作提供了一定的参考作用，其中的带宽需求和频段建议为尽早开展铁路下一代移动通信系统频率申请工作提供了依据。

但应注意到，文中提出的指标建议仅基于目前的研究成果，今后还要结合LTE关键技术在铁路的适用性、下一代铁路的业务需求对技术指标展开深入研究；另一方面，要通过搭建LTE-R试验网，获得真实铁路环境下LTE-R系统的技术指标。

[1] 3GPP TR 25.913 V9.0.0 Requirements for Evolved UTRA（E-UTRA） and Evolved UTRAN（E-UTRAN）[S].

[2] UIC LTE/SAE-The Future Railway Mobile Radio System Technical Report[R].2009.

[3] TD-SCDMA研究开发和产业化项目专家组TD-LTE工作组.TD-LTE研究开发技术试验—外场关键技术测试规范（V2.0）.

[4] GSM-R数字移动通信系统总体技术要求.