高速铁路通信系统研究综述

敖青青

摘要：高速铁路的快速发展给人们的出行带来了方便，与此同时在高速环境下如何保证旅客高质量的通信服务成了当下研究的热点。第二代铁路移动通信系统（GSM-R）是窄带移动通信系统，不能很好的满足用户日益增长的业务需求和未来高速铁路高质量的通信服务。而LTE作为新一代的移动通信系统，结合了OFDM、MIMO等先进的无线技术，具有带宽大、覆盖能力强、频谱效率高的特点，与以语音业务为主的第一代移动通信系统相比，更好的满足了逐渐增长的多媒体业务的需求。

关键词：GSM-R；LTE；调度算法

一直以来交通工具是人们生活中不可或缺的一部分，飞机，轮船，汽车，火车之间的竞争也愈演愈烈，飞机速度快，机动性高，轻松舒适使得它成为人们的“宠儿”。但是，近几年高速列车的出现大大提高了火车在竞争中的优势地位，随着列车速度的不断提高，人们的目光渐渐转移向高铁。2008年8月1日，时速高达350km的中国第一条高速铁路——京津城际高铁正式开通运营，标志中国铁路正式进入高铁时代，高速铁路的迅猛发展给人们的生活带来了翻天覆地的变化，我们的视野随着一辆辆列车的疾驰越发的开阔，距离也随着列车的疾驰进一步的拉近。目前我国许多城市已经开通了高速铁路，高铁站川流不息的人群也印证了高铁安全、高效、便捷的特点。但是作为铁路信息化驱动力的铁路数字移动通信系统的更新就滞后很多。

GSM-R技术

GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway，全球铁路移动通信系统）是一种基于目前世界最成熟、最通用的GSM（Global System for Mobile Communication）平台上、专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统。它在GSM基础上增加了铁路基本业务包括功能号表示，功能尋址和基于位置的寻址等，提供了语音调度业务包括eMLPP（增强多优先级与强占业务），VBS（语音广播业务），VGCS（语音群呼业务）等，并开发了各种新的铁路应用。它的引入既保证了基站和列车间的语音和数据传输，也保证了列车与列车间的通信。但是GSM-R系统是窄带通信系统，并不能满足人们对于宽带业务的需求，也会限制更多铁路应用（如：视频监控，多媒体广播，高数据的旅客业务）的开发。无线技术发展日新月异，作为GSM-R基础技术的GSM已逐步从产品生命周期的顶峰走向末期，从长远考虑GSM-R必然向新技术演进。国际铁路联盟（International Union of Railway，UIC）也明确表示将LTE-R作为下一代铁路无线移动通信系统。

新一代移动通信系统LTE（Long Term Evolution）在网络结构，网络性能上较2G、3G系统都有了较大的改善，能够获得高的数据速率来支持多媒体业务（如：VoIP，视频流，视频游戏等）。2013年12月4日，工信部向中国移动通信集团公司、中国电信集团公司和中国联合网络通信集团有限公司颁发了“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可，标志着我国4G时代的到来。与2G、3G技术相比，LTE系统具有以下优势特点：

（1）拥有较高的吞吐量。在传输带宽设定为20MHz时，下行和上行峰值数据速率分别为100Mbps和50Mbps。

（2）灵活的频谱使用。提供了宽带可变的体系结构，最高支持20MHz的带宽。

（3）为了更好的支持语音和互动游戏等对时延敏感的数据业务，网络延时设计为小于10ms，从而提高了保证业务QoS的能力。

（4）支持比较短的帧长度（10ms帧和1ms子帧），这样允许更快的重发反馈，在终端移动速度高的情况下依然可以获得高的效率。

（5）在支持高移动速率的基础上，明确提出了改善低移动速率用户质量，提高小区边缘比特率。

（6）采用IP体系结构，与有线通信系统融合，支持后向兼容，支持自配置及自优化网络和技术，降低了安装和管理成本。

LTE系统

目前中国移动已推出了LTE公用网络并投入使用，LTE系统在铁路上的应用也指日可待。欧美、日本等国家已经相继开展了相关的研究和试验工作。在国内，2010年中国铁路在第七届世界高速铁路大会上提出发展LTE-R铁路宽带移动通信系统，2013年高铁联合基金将“面向高速铁路安全的宽带移动通信网络理论和关键技术研究”列为重点资助研究领域，这也预示着新一代铁路移动通信系统的到来。

虽然LTE采用OFDM和MIMO等先进的无线传输技术，有效的扩大了无线资源，提高了频谱利用率，但是频谱资源的有限性仍然存在。更高的列车移动速度引起的更大的多普勒频移，信道的快速变化等问题会使列车用户通信环境更加恶劣，降低频谱资源的利用率。另外，更短的传输时延，更多用户数目和用户业务，也都大大加大了对频谱资源最大化合理利用研究的挑战性。无线资源管理就是通过对无线通信系统中有限的无线资源进行分配调度和控制管理，使得系统性能潜质发挥到极致，分组调度是无线管理中一项很关键的技术，调度算法在提高系统频谱效率和资源利用率上有很重要的理论意义和实践价值。一个好的调度算法可以有效提高无线资源利用率，提高系统的整个性能。

资源调度算法的研究现状

不管在早期的有线网络时代还是如今迅速发展的无线网络时代，调度算法的研究一直是一个热点。调度负责在每一个时间间隔内控制共享资源在终端用户问的合理分配，因此随着高宽带业务和智能移动设备的不断增加，就更需要好的调度算法来解决资源调度的问题。早在20世纪80年代学者们就提出了资源调度算法，大体上可以分为两类：

（1）信道依赖调度：给UE的资源块分配建立在信道状态的基础上，例如：比例公平调度、最大载干比调度等；

62）信道无关调度：随机的给UE分配资源块，并且不建立在信道状态的基础上，例如：轮询调度。

随着人们对调度算法的不断研究，有更多基于比例公平算法的新算法被提出。M.Andrews、K.Kumaran、K.Ramanan等人在PF算法的基础上提出了一种新型算法M-LWDF（Modified-Largest Weighted Delay First，改进的最大权重时延优先算法）。M-LWDF算法中引入了丢包率、最大分组时延、首包时延参数，获得了比PF算法更好的性能。文献[1]中则在M-LWDF调度算法的基础上将用户的优先级与不同的业务的优先级进行关联，提出了增加修正Q因子的改进的最大权重时延优先算法MFQM-LWDF，并验证了新算法性能的优越性。

另外对调度算法的研究也需要考虑如无线承载的Qos需求，信道状态信息，边缘用户公平性等方面，考虑因素不同，调度算法就不同。文献[1]针对现有的LTE下行传输调度未能保证实时多媒体业务服务质量的问题，提出了一种改进的支持多媒体业务QoS的两层调度方案。文献[2]中则是针对小区边缘高速移动用户公平性比较差的问题，提出了时域TTI分配算法，即每间隔一定数目TTI，分配一个只用来调度小区边缘高速移动用户的TTI，这样小区边缘用户被服务的机会就大大的增加。另外还提出了面向高速移动用户频域的软频率复用算法，当频域调度器中计算用户频域优先级的时候，在功率较高的带宽上将小区边缘高速移动用户的优先级增加了一个系数，以此来提高目标用户的吞吐量。