简谈铁路通信系统向LTE-R的发展与演进

张 怡

（中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，西安 710054）



简谈铁路通信系统向LTE-R的发展与演进

张 怡

（中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，西安 710054）

摘要：简要介绍宽带移动通信系统LTE-R，通过与目前GSM-R系统相比较，发现LTE-R在性能、安全等方面存在优势，更适用于铁路的快速发展，GSM-R系统向LTE-R演进也成为未来必然趋势。

关键词：GSM-R；LTE-R；移动通信系统

Abstract:The paper introduces LTE-R broadband mobile communication system. Through comparison between LTE-R and GSM-R systems, it is considered that LTE-R system has advantages in the performance and security and is more suitable for the rapid development of railways, and GSM-R system will evolve to LTE-R system as well.

Keywords:GSM-R; LTE-R; mobile communication system

1　GSM-R向LTE-R演进的背景介绍

GSM-R作为专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，主要用于承载铁路车-地之间的无线通信业务，为铁路提供特有的业务，包括调度通信、铁路紧急通信、列尾信息等，为铁路安全运行承担着重要的责任。但随着高速铁路快速发展，列车运行速度提高，对通信技术的发展提出了更高的要求，在高速移动的列车进行顺畅高质的通信是通信技术领域的高难度挑战。

作为第二代移动通信技术的GSM-R属于窄带通信系统，带宽窄、频谱利用率、承载的数据速率较低，无法满足高速铁路下视频监控、视频会议、与高速数据相关的旅客服务、列车日志传送等车-地间不断出现的大数据量通信需求。

国际铁路联盟（International Union of Railways，UIC）曾经提出，目前铁路通信系统不适合采用现行的3G，而是应直接跨越现有的3G技术，向4G时代迈进。目前，高速铁路移动通信采用的技术战略为铁路宽带移动通信系统（LTE-R），并计划于2015—2017年开始制定下一代铁路通信系统的标准。并且在2010年的第七届世界铁路大会上，中国铁路提出发展LTE-R铁路宽带移动通信系统；次年，国家设立了“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”的研究课题。

2　LTE-R系统概述

2.1LTE-R系统的网络架构

LTE-R对传统的3G网络架构进行优化，网络结构扁平化，由接入网E-UTRAN和核心网EPC组成。几个基站eNodeB与终端用户设备（UE）共同组成接入网E-UTRAN。其中核心网EPC则是由服务网关S-GW、移动管理实体MME以及分组网关P-GW所组成。LTE的主要接口为：连接eNodeB与核心网的S1接口，实现eNodeB之间彼此互联的X2接口；是用户接入到系统的固定接口的LTE-Uu接口。

eNodeB主要功能为接收移动终端数据信息，以及部分无线资源管理。同时还负责把IP压缩和加密，终端用户设备（UE）附着移动管理实体(MME)的选择功能。此外还包括路由功能、寻呼功能、广播功能、上行传输层数据包的分类标示等。

管理NAS信令以及安全性是MME的主要功能。同时MME还负责把3GPP接入网络之间核心网节点之间移动性信令，漫游跟踪区列表管理，S-GW 和P-GW位于用户面分别面对用户和PDN终端，为用户实现路由选择、转发和QoS控制等管理。

S-GW主要功能为eNodeB之间切换时本地和3GPP之间移动性锚点，与2G或3G网络互连进行锚定，下行分组缓冲和网络初始化，移动性管理等。

其中IP地址系统分配则由P-GW来实现。其主要包括对上下行传输数据进行分类、对现有数据包信息进行过滤以及控制下行速率、合法监听等内容。

2.2LTE-R与GSM-R网络结构的对比

LTE-R对比GSM-R移动通信网络，接入网用eNodeB取代原有的GSM-R的BSC-BTS结构，eNodeB具备GSM-R系统BSC的无线资源控制、移动性管理；GSM-R系统的基站(BTS)需要经过BSC才能接入核心网，但eNodeB能够直接接入网络路由器，由此可提供更好的后向兼容性。LTE-R技术指标大部分已远远高于现有的GSM-R，由此大大改善了高速铁路移动通信系统的可靠性，保证了其有效性。

与GSM-R系统不同的是，LTE-R系统的核心网EPC是一个全IP移动网络，这是两个系统最显著的区别，包括话音业务在内的所有业务都是建立在分组域上的。在EPC中，IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）相当于GSM-R核心网中移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）的功能，IP多媒体子系统IMS能够提供系统的IP多媒体业务；同时，也能高效传输数据包分组业务和IP交互业务。

因此可知，LTE-R的网络结构与其他网络结构相比，具有设备数量、网络节点以及网络相对平滑等诸多优点，并且网络的部署也没有其他网络结构复杂，因此，建设成本较低。核心网系统的复杂度低，可有效降低系统的时延，提高传输速率，因需要维护的网络节点数量降低，网络部署变得更加容易、维护更加简单，同时减少了单点故障发生的可能性，增强了网络的稳定性，确保移动终端漫游时无缝切换。且EPC是一个多接入核心网络，多种不同的接入网络使得用户不再拘泥于一种接入环境，而是可以选择性的接入许多其他环境，这一技术突破了原有的单一接入环境。

2.3LTE-R系统的关键技术

LTE-R与GSM-R系统采用的技术截然不同，LTE-R比GSM-R系统应用了更多新技术，诸如多输入多输出技术、自适应调制编码技术以及正交频分复用技术，使得LTE-R系统中的峰值速率大大提升，并且为QoS在基于分组数据的纯IP架构上的数据传输提供技术支持和传输保障。

与传统的频分复用/频分多址技术相比，正交频分复用技术（OFDM）的传输速率较低，由于每个子信道的符号周期长于传统的频分复用/频分多址技术,因此采用OFDM不仅能够降低因无线信道延迟引起的系统时间扩散所带来的影响，也能够使得正交的信号在其接收端得到分离，减少信号之间的干扰，确保数据能够得到高效、快捷的传输。因此，OFDM技术的采用不仅解决当前传统技术频率不足的现象，而且也能够为LTE-R的传输提供较高的传输速率。

多输入多输出技术（MIMO）通过使用多天线在接收端和发送端同时接收和发送信号，构成多个并行的空间信道，使多个数据流可以在同一时间传送。此种模式能够充分利用空间资源，改进多径衰落信道中传输的可靠性，减少误比特率，并使多个用户同时获得服务，这样能够大幅度提升其系统容量，实现在没有增加传输带宽的情况下，有效提升数据传输速率的效果。

通常所说的，自适应技术包括自适应分配资源、控制功率以及调制编码等多项先进技术。这其中自适应调制编码技术指的是为使得通信质量可以达到最佳状态，在无线电磁的环境中，可以根据改变传输信道特征，对接收装置以及发送装置的特性及参数进行实时修改和调整，从而获得最佳通信方式。

通过应用上述技术，LTE-R能够实现高带宽、高传输效率和低传输时延。

3　LTE-R在铁路上的应用

LTE-R这一新兴的移动通信系统，其开发的初级目的就是为铁路通信服务。LTE-R不仅提供铁路特有的自动列车控制、列车信息传递等业务，还提供一些扩展业务，如增强型的多媒体广播、视频监控业务；并且作为铁路信息化建设平台，以更小的端到端传输时延，进一步提升列控安全性，更大的数据传输速率，为旅客提供丰富的数据体验。

自动列车控制(ATC)：LTE-R系统的双向天线通道提供车地间信息传输， eNodeB所发出的信号由列车上的天线接收，精确的定位信息由GPS或其他的定位系统经LTE-R传输获得。

LTE-R系统通过无线方式将列车信息进行传送，这些信息包括列车的停靠位置、运行位置、列车是否停稳以及运行速度等诸多的信息。

多媒体广播也是运用了LTE-R系统，使用户在移动终端例如手机、笔记本电脑、或者IPAD上随意浏览并观看收听广播及电视节目。不仅可以充实旅客的乘车时间，而且还可以通过这种业务插播一些广告，创造一些增值业务。

安防系统的核心为视频监控系统，其具有内容真实、直观形象以及及时传输等多种优点，备受铁路安全系统的青睐，为铁路安全系统的高速运行奠定了技术基础，提供了有利保障。

4　小结

本文从网络架构和关键技术两方面简要介绍了LTE-R系统，通过比较与GSM-R系统的不同，得出LTE-R系统在性能、安全、服务多样化方面的优势，铁路通信系统向LTE-R演进已成必然。但GSM-R向LTE-R的过渡，需要一个较长的阶段，随着研究的不断深入，技术不断成熟，最终逐步淘汰GSM-R系统，建立起完善的LTE-R系统。

参考文献

[1]滕辉.LTE-R通信系统安全设计与评估技术研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE―The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice (2nd Edition) [M]. UK. John Wiley & Sons, Ltd. 2011.

[3]周恩，张兴，吕召彪.下一代宽带无线通OFDM与MIMO技术[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4]夏云琦.铁路无线通信技术向LTE-R的演进[J].中国铁路，2012（8）：75-76.

[5]卜爱琴.铁路下一代移动通信技术LTE-R应用的探讨[J].信息通信，2014（2）：174-176.

收稿日期：（2015-01-26）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.005