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铁路无线通信工程中的LTE—R技术研究
作者：黄勇
来源：《科学与财富》2017年第09期
摘要：在铁路交通的发展过程中，传统GSM-R技术不能跟目前列车和乘客的数据需求相吻合。目前在火车上的乘客对移动宽带的需求是比较旺盛的。使用笔记本、手机等移动设备开展商务工作或娱乐休闲活动，这已经逐渐成为一种大趋势。所以，对于LTE-R技术在铁路无线通信工程中的应用具有较大的实际意义。 关键词：铁路无线通信工程；LTE-R技术 1.铁路无线通信技术向LTE-R演进的必要性 1.1窄带系统无法满足宽带业务需求
当前，铁路通信系统可为GSM-R系统提供很多铁路通信标准功能，可开展的业务有视频监控、信息共享及旅客的无线宽带接入等。从通信制式方面看，GSM-R立足于二代窄带技术，本身数据承载能力有限：电路交换数据业务（CSD）速率低，为kb/s级别，仅能承载流量要求较小的专用列控数据；而通用分组无线服务（GPRS）可供使用的带宽也有限，无法满足日益增长的上层应用需求。通过实践发现，车-地间人员通常只可使用语音相互沟通和交流，地面上的工作人员不能远程掌握现场情况，难以采集到现场的准确信息。这种缺陷在重大事故出现的时候表现非常明显。倘若车厢内有无线宽带通信服务，那么有关工作人员就可以通过无线通讯设备快速准确地传递现场视频信息，通过这些信息使车-地工作人员快速协同合作完成救援任务。当遇到乘客产生纠纷时，可使用视频监控控制好事态的发展方向，同时，也可以在事故发生之后，找到事故发生的原因，从而为以后预防事故吸取经验教训。除此之外，为了提供一些常规性的服务，车厢内可配备车载信息系统，可及时向乘客提供列车运行时刻表和天气预报等信息，大大提升乘客的出行便捷性。这些应用是在视频传输的基础之上进行的。视频交流对与传输速率的要求是比较高的。 1.2LTE系统可为旅客提供无线宽带
在网络的开放性角度看来，GSM-R是一种铁路专网，公众旅客通信服务难以实现。首先，为了顾及到系统的安全性，使用了封闭式的运营管理。其次，考虑到系统容量的限制性，由于业务接入量有上限，所以一般情况下会首先满足铁路运营人员的使用需求。但是，为了运输更加便利化，实现高铁跟旅客之间的通信连接，应实现对公务处理和网络娱乐的远程控制。当前，在途铁路旅客的通信需求通常情况下只可通过公共通信网络实现，在列车速度逐渐增加之后，公网通信的语音质量可能会变差，难以为乘客提供高质量的宽带接入服务。如果能在铁路沿线开通LTE网络，不仅对铁路员工开放，还可对乘客开放，那么就能为乘客提供更加友好的服务体验。当然，在这个过程中，要保障铁路运营的安全和高效性。
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2.LTE系统的性能介绍
在GSM阵营中，LTE是其中比较前沿的网络系统，在设计的过程中，应当考虑到该系统具有移动性和宽带性。灵活信道带宽要求对于LTE网络的数据传输能力提出了严峻的考验。现在看来，LTE在公网运营中已吸取了很多经验教训，它在移动通信制式里面是比较成熟的。根据LTE的特点，可知该系统比较适合于铁路通信。LTE系统采用的组网的网络结构是扁平化的结构，不仅能使系统延时，还能改善系统的整体性能，提高用户体验度。在控制面，从空闲模式到激活模式，用时小于100ms；从休眠模式到激活模式，用时小于50ms。在用户面，最小时延可达到5ms。在频谱效率方面，采用正交频分复用（OFDM）技术，下行20M频谱带宽内，峰值速率为100Mb/s，频谱效率达到5b/s/Hz。上行20M频谱带宽内，峰值速率为50Mb/s，频谱效率达到2.5b/WHz。 3.铁路无线通信中的LTE-R技术的应用 3.1支撑新型铁路业务的传输技术
在铁路未来的发展过程中，通信业务仍然需要大量开发。其中视频监控与旅客多媒体服务就是两项需要开发的通信业务，他们对LTE-R技术的应用提出了更高的要求。LTE-R技术对传输技术提出了一定的要求，按照相关的验证结果，应当使用QoS指标来确保LTE-R技术的业务承载性能。从细节角度来讲，可从下面三个方面来对传输技术进行改进。第一，对铁路场景中的上下行配比进行优化和改善。旧有的公网LTE技术一般情况是使用下行通道对承载业务进行传输。铁路无线通信工程建设中的LTE-R技术对上行通信带宽提出了一定的要求。2、上行链路自适应提升技术。LTE-R技术在上行吞吐率上的要求比较高，甚至会远远高出当前LTE中的上行业务，这时就可以使用链路自适应技术来提升上行传输能力。3、组织呼叫和广播语音技术。在HSS网元中增设了组呼信息、广播信息和呼叫控制功能，使之能像GSM-R系统一样实现GLR功能。 3.2改进网络结构
LTE-R技术为了达到铁路无线通信的技术标准，要对网络结构进行一定的研究。铁路无线通信对组呼和电话调度等语音通信提出了较高的要求。这其中的原因是LTE技术中的核心网采用复用形式，可实现包交换，其难以实现电路交换下的语音业务。在实验室中进行2G语音回落模块和IMS等支持电路域交换的LTE网元测试 3.3改进型小区切换技术
根据在某LTE项目的实施经验，减小小区切换时延和切换重叠区，以适应铁路应用要求。在铁路应用中，切换重叠区的缩短便于开展频率规划，减小系统内干扰。同时，在重载铁路项目中，切换时间的减小有利于保证重载列车操控和列尾数据的完整、有效传输。 4.小结
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在经济全球化的发展浪潮中，我国的经济建设也得到了飞速发展，铁路通信信息化需求也更旺盛了。因此，从GSM-R向LTE-R的转变是必然的。在GSM窄带通信到LTE宽带网络过程中，信息传递变得更加便利化和更加安全。在铁路领域中，无线通信技术得到了持续发展，如果能够对铁路运能实现改善，那么，这毫无疑问能促进我国经济的可持续性发展。