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        GSM-R系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)發(fā)展方向

        2011-12-31 13:41:26蔣笑冰
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2011年2期
        關(guān)鍵詞:天線無線鐵路

        ■ 蔣笑冰

        1 概述

        隨著移動通信技術(shù)發(fā)展和第三代移動通信協(xié)議(3GPP)版本的不斷升級,以及各大設(shè)備供應(yīng)商產(chǎn)品的更新?lián)Q代,GSM-R系統(tǒng)設(shè)備可能面臨技術(shù)支持停止的難題。因此,國際鐵路聯(lián)盟(UIC)已著手開展未來寬帶移動通信系統(tǒng)在鐵路應(yīng)用的研究工作,并對鐵路長期演進(jìn)(LTE,Long Term Evolution)系統(tǒng)的需求進(jìn)行深入分析。

        2010年11月30日,UIC召開會議公布了2010年在未來鐵路移動通信系統(tǒng)方面的研究成果。公眾移動通信技術(shù)將演進(jìn)到LTE,即第四代移動通信技術(shù)將影響第二代移動通信技術(shù)(GSM),當(dāng)GSM到達(dá)生命周期末端時,GSM-R生存也將是個問題。LTE當(dāng)前處于成熟期,主要應(yīng)用業(yè)務(wù)仍為語音通信,預(yù)計選擇LTE技術(shù)可能會在未來幾年之內(nèi)實現(xiàn)。UIC正在進(jìn)行GSM-R技術(shù)演進(jìn)到LTE的研究和有關(guān)試驗。

        2 業(yè)務(wù)需求分析

        2.1 GSM-R承載業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

        GSM-R系統(tǒng)被確定為我國鐵路移動通信系統(tǒng)的技術(shù)體制后,承載了大量移動通信業(yè)務(wù)(見表1)。

        鐵路快速發(fā)展對移動通信提出越來越多的需求,除傳統(tǒng)話音通信外,移動至固定、移動至移動的數(shù)據(jù)通信需求呈不斷上升趨勢。隨著技術(shù)的發(fā)展,新一代通信技術(shù)比GSM-R具有更高的通信業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS),可實時可靠地傳遞列車控制信息。隨著業(yè)務(wù)需求的不斷擴(kuò)展,視頻監(jiān)控、電視會議等寬帶業(yè)務(wù)移動接入的需求不斷增加,GSM-R系統(tǒng)將難以作為統(tǒng)一的平臺承載寬帶業(yè)務(wù)。

        表1 GSM-R系統(tǒng)承載的鐵路通信業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

        2.2 未來鐵路移動通信承載業(yè)務(wù)需求

        (1)未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)并提高QoS,并且能夠支持實時應(yīng)用(如列車控制運(yùn)行類業(yè)務(wù)等)。從鐵路應(yīng)用基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方式可以看出,對實時性、可靠性要求較高的鐵路應(yīng)用(如列車運(yùn)行控制),一般采用電路域數(shù)據(jù)通信方式。此方式下,為每個用戶分配一個固定信道,保證其無線通信資源。電路域數(shù)據(jù)通信在網(wǎng)絡(luò)側(cè)由M SC負(fù)責(zé)處理,隨著大量待建和正在建設(shè)的鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)投入使用,資源占用將越來越多,對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求越來越高,對其可靠性和安全性也提出了更高的要求。

        (2)未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)基于全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)將簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),降低運(yùn)營維護(hù)成本,基于標(biāo)準(zhǔn)接口,將增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)組成部分之間的互通。靈活建立核心網(wǎng)、無線網(wǎng)冗余備份機(jī)制,形成一個完全互通、安全可靠的鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò),使其更好地滿足鐵路移動信息化和列車自動控制需要,滿足高速及貨運(yùn)重載列車不間斷運(yùn)行的高可靠要求。

        (3)未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)為語音、視頻、多媒體和數(shù)據(jù)提供(寬帶)基于IP的業(yè)務(wù)??梢灶A(yù)知,鐵路對移動通信業(yè)務(wù)的需求將朝著寬帶數(shù)據(jù)通信發(fā)展。提供列車運(yùn)行安全監(jiān)控類,如綜合視頻監(jiān)控、貨車運(yùn)行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)(TFDS)、貨車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)等信息的傳遞。在歐洲鐵路道口試驗中,一旦列車經(jīng)過應(yīng)答器,來自道口的實時圖像就會發(fā)送給列車司機(jī),使其了解當(dāng)?shù)厍闆r并作出決定。

        (4)未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足列車在低速(低至0 km/h)和高速(高達(dá)500 km/h)運(yùn)行情況下的工作。已經(jīng)證明GSM-R可以在500 km/h的高速情況下工作,任一未來技術(shù)在鐵路上應(yīng)用至少都應(yīng)該與前一技術(shù)有相同的表現(xiàn),并且滿足UIC提出的鐵路專用通信需求。

        (5)未來鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與不同的移動通信技術(shù)互通,包括2G(如GSM-R),3G,LTE,微波存取全球互通技術(shù)(W iM AX,IEEE802.16)及無線本地局域網(wǎng)(W LAN,IEEE802.11)等。技術(shù)互通支持向未來鐵路移動通信系統(tǒng)過渡。通過這種方式,當(dāng)支持舊(傳統(tǒng))技術(shù)和新技術(shù)的新移動臺可以在新舊2種網(wǎng)絡(luò)下工作時,互通可以更加靈活地鋪設(shè)未來網(wǎng)絡(luò),在系統(tǒng)中使用不同的無線接入技術(shù),引進(jìn)專為特定移動通信技術(shù)設(shè)計的新應(yīng)用。例如,全球貨運(yùn)已使用不同的運(yùn)輸工具(如火車、卡車、集裝箱船和飛機(jī)),鐵路移動通信系統(tǒng)(包括其移動臺)支持使用各種不同的運(yùn)輸系統(tǒng),并且與其所使用的移動通信系統(tǒng)互通,如在港口和機(jī)場(使用W LAN或W iM AX)所有鋼軌可以接到相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域。

        3 LTE技術(shù)分析

        3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

        LTE由演進(jìn)型分組核心網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩部分構(gòu)成,系統(tǒng)構(gòu)架向扁平化發(fā)展(見圖1)。無線網(wǎng)絡(luò)由eNodeB(eNB)組成,無線射頻及無線管理功能全部集中于該節(jié)點上。eNB之間通過X2接口互連,eNB與演進(jìn)型分組核心網(wǎng)之間通過S1接口互連。演進(jìn)型分組核心網(wǎng)絡(luò)由移動性管理實體(MM E)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)組成,eNB與演進(jìn)型分組核心網(wǎng)絡(luò)之間S1接口的用戶面終止在S-GW上,控制面終止在MME上。

        與GSM,CDM A和UM TS技術(shù)比較,LTE/SAE(系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn))架構(gòu)的用戶面上只有2個節(jié)點:LTE的“基站”(eNB)和服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-WG)(見圖2)。在LTE/SAE系統(tǒng)中,不論是基站控制器(BSC)還是無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)都不再需要。扁平結(jié)構(gòu)減少了節(jié)點數(shù)量及多界面引起的信號和路徑選擇的復(fù)雜度,提高了實時性。隨著BSC和RNC的功能都并入增強(qiáng)型節(jié)點B(eNB),切換將由eNB之間直接進(jìn)行協(xié)商和管理。

        圖1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

        圖2 GSM-R與LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較圖

        3.2 關(guān)鍵技術(shù)

        3.2.1 SC-FDMA技術(shù)

        單載波頻分復(fù)用技術(shù)(SC-FDM A)是基于單載波頻域均衡技術(shù)和基于離散傅立葉變換的預(yù)編碼,不僅可以有效對抗信道的頻率選擇性衰落,而且能取得較低的峰值平均功率比,是目前LTE空中接口在上行鏈路采用的無線傳輸技術(shù)。它的實現(xiàn)比正交頻分復(fù)用/正交頻分多址(OFDM/OFDM A)簡單,但性能遜于OFDM/OFDM A。相對于OFDM/OFDM A,SC-FDM A具有較低的峰值平均功率比(PAPR)。發(fā)射機(jī)效率較高,能提高小區(qū)邊緣的網(wǎng)絡(luò)性能。最大好處是降低了發(fā)射終端的峰均功率比、減小了終端的體積和成本,這是選擇SC-FDM A作為LTE上行信號接入方式的一個主要原因。其特點還包括頻譜帶寬分配靈活、子載波序列固定、采用循環(huán)前綴對抗多徑衰落和可變的傳輸時間間隔等。

        3.2.2 OFDM技術(shù)

        OFDM的基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸,從而使子載波上的符號速率大大降低,符號持續(xù)時間大大加長,因而對時延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力,減小了符號間干擾的影響。通常在OFDM符號前加入保護(hù)間隔,只要保護(hù)間隔大于信道的時延擴(kuò)展則可以完全消除符號間干擾ISI。

        OFDM參數(shù)設(shè)定對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生決定性影響,如循環(huán)前綴(CP)。它主要用于有效地消除符號間干擾,其長度決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利于克服多徑干擾、支持大范圍覆蓋,但系統(tǒng)開銷也會相應(yīng)增加,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。為了達(dá)到小區(qū)半徑100 km的覆蓋要求,LTE系統(tǒng)采用長短2套循環(huán)前綴方案,根據(jù)具體場景進(jìn)行選擇:短CP方案為基本選項,長CP方案用于支持LTE大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。

        3.2.3 MIMO技術(shù)

        多輸入多輸出(M IMO)作為提高系統(tǒng)傳輸率的最主要手段,受到廣泛關(guān)注。由于OFDM的子載波衰落情況相對平坦,十分適合與M IMO技術(shù)相結(jié)合,提高系統(tǒng)性能。M IM O系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣判天線)和多通道。多天線接收機(jī)利用空時編碼處理能夠分開并解碼數(shù)據(jù)子流,從而實現(xiàn)最佳處理。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立,則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息,數(shù)據(jù)速率必然可以提高。M IMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)行優(yōu)化,從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率,這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。當(dāng)功率和帶寬固定時,多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下,在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng),其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。

        LTE的基本M IM O模型是下行2×2,上行1×2個天線,但同時也正在考慮更多的天線配置(最多4×4)。LTE在上行還采用虛擬M IMO以增大容量,被考慮的技術(shù)還包括空間復(fù)用、空分多址、預(yù)編碼、秩自適應(yīng)及開環(huán)發(fā)射分集等。

        3.2.4 高階調(diào)制技術(shù)

        LTE在下行方向采用四相相移鍵控(Q PSK)、16QAM(正交幅度調(diào)制)和64QAM,在上行方向采用QPSK和16QAM。高峰值傳送速率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實現(xiàn)系統(tǒng)下行100 M b/s峰值速率的目標(biāo),在3G原有的QPSK,16QAM基礎(chǔ)上,LTE系統(tǒng)增加了64QAM高階調(diào)制。64QAM的頻譜利用率高,但是其歸一化比特信噪比與QPSK相比降低了很多,即頻譜利用率的提高是在犧牲信噪比和可靠性的前提下獲得的。采用64QAM從信道利用率的角度看,可以將信道利用率提高60%,在以高速數(shù)據(jù)傳輸為主要目的LTE中,是一個很好的解決方案。不過,64QAM頻譜利用率的提高勢必要損失一些抗干擾能力,為達(dá)到相同的誤碼性能,需要增加歸一化信噪比,設(shè)備復(fù)雜性和設(shè)備成本有所增加。

        3.3 技術(shù)優(yōu)勢

        基于新的多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)及天線技術(shù),LTE系統(tǒng)具有更高吞吐量、更小傳輸時延及更高頻譜利用率。同時,LTE系統(tǒng)采用扁平化全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單。LTE系統(tǒng)的優(yōu)勢主要包括以下幾方面:

        (1)帶寬選擇靈活,包括1.4 M H z,3 M H z,5 MHz,10 MHz,15 MHz和20 MHz。

        (2)扁平的基于IP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),內(nèi)置IP骨干傳輸。

        (3)更好的無線數(shù)據(jù)通信帶寬和質(zhì)量?;谛录夹g(shù)的LTE系統(tǒng)可以對變化的電波傳播環(huán)境迅速作出反應(yīng)。最小傳輸時間間隔(TTI)規(guī)定只有1 m s?;诘蚑TI值,新的移動通信技術(shù)支持非常快的調(diào)制適應(yīng)性及短的往返時間(RTT),短RTT在實時業(yè)務(wù)中是必須的。

        (4)LTE提供自配置和自優(yōu)化,減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。

        (5)新技術(shù)將提供軟件無線電(SDR)功能。SDR很靈活,無線參數(shù)可以根據(jù)當(dāng)前采用的無線技術(shù)而改變、修正、適應(yīng)和優(yōu)化。

        (6)支持多種網(wǎng)絡(luò)接入,包括2G,3G,W iM ax,W iFi等。

        可以看出,LTE技術(shù)基本滿足未來鐵路移動通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

        4 GSM-R向LTE/SAE演進(jìn)

        4.1 演進(jìn)路線

        由于LTE采用的關(guān)鍵技術(shù)與2G,3G系統(tǒng)差別較大,系統(tǒng)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、設(shè)備功能等方面有了很大的改進(jìn),因此后向兼容性較差。2G,3G系統(tǒng)向LTE過渡時,除機(jī)房、鐵塔、電源、傳輸?shù)扰涮自O(shè)備可重復(fù)利用外,系統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)行大規(guī)模軟硬件更新改造。

        (1)核心網(wǎng)側(cè):可以對現(xiàn)有GPRS系統(tǒng)的SGSN,GGSN進(jìn)行軟硬件升級改造,向LTE核心網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。

        (2)無線網(wǎng)側(cè):需要對現(xiàn)有無線設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模軟硬件升級改造。

        4.2 演進(jìn)過程

        GSM-R向LTE過渡是一個長期演進(jìn)的過程。根據(jù)UIC對LTE-R系統(tǒng)的演進(jìn)計劃(見圖3),到2016年LTE/SAE系統(tǒng)將應(yīng)用于鐵路移動通信。

        結(jié)合目前我國GSM-R發(fā)展前景、現(xiàn)階段各類業(yè)務(wù)需求劃分,以及UIC對LTE項目的部署,我國鐵路移動通信由GSM-R系統(tǒng)向LTE的演變可劃分為以下3個階段(見圖4)。

        (1)階段一:規(guī)劃期內(nèi),隨著我國高速鐵路建設(shè)及既有線改造,GSM-R系統(tǒng)仍然是鐵路移動通信業(yè)務(wù)的承載平臺,為鐵路話音通信、列控業(yè)務(wù)以及小容量非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的承載平臺。應(yīng)密切關(guān)注UIC對LTE/SAE系統(tǒng)的研究、試驗及應(yīng)用情況。

        (2)階段二:隨著鐵路車-地寬帶移動通信及站場、樞紐地區(qū)寬帶無線通信需求的不斷增長,可采用LTE/SAE承載大容量、非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。鐵路話音通信及列控類業(yè)務(wù)可仍由GSM-R系統(tǒng)承載,LTE/SAE與GSM-R系統(tǒng)融合發(fā)展。

        (3)階段三:LTE/SAE可逐步通過Vo IP(IP電話)方式提供鐵路話音通信業(yè)務(wù),隨著LTE/SAE QoS不斷優(yōu)化,可逐步試驗并承載列控類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。LTE/SAE取代GSM-R系統(tǒng),成為鐵路未來寬帶移動通信的承載平臺。

        圖3 UIC對LTE項目工作計劃

        圖4 GSM-R向LTE/SAE的演進(jìn)階段圖

        5 結(jié)束語

        為使我國鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、均衡、有序、高效發(fā)展,需要進(jìn)一步跟蹤UIC研究成果,實時結(jié)合我國GSM-R的發(fā)展情況和業(yè)務(wù)需求,不斷調(diào)整我國GSM-R向LTE技術(shù)演進(jìn)過程,以保證鐵路運(yùn)輸安全可靠,并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

        [1] 鐘章隊. 鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)應(yīng)用基礎(chǔ)理論[M].北京:中國鐵道出版社,2009

        [2] 周興圍, 趙紹剛,李岳夢,等. UMTS LTE/SAE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)詳解[M]. 北京:人民郵電出版社,2009

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