■ 王策斌 包建飛

1 概述

自1992年GSM-R技術在法國、德國和意大利組建試驗網(wǎng)以來，經(jīng)歷10多個春秋。目前，GSM-R網(wǎng)絡從歐洲逐步蔓延到包括中國、俄羅斯、印度、澳大利亞等在內(nèi)的30多個國家。

盡管GSM-R技術取得了蓬勃發(fā)展，但該技術發(fā)展的步伐與整體市場的巨大發(fā)展形成了強烈反差，GSM-R技術和公眾無線網(wǎng)絡技術差距日益拉大。無線寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務需求的爆發(fā)性增長，使得以多載波功放技術、分布式基站技術，以及IP化為代表的技術成為公眾無線網(wǎng)絡的應用主流，傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡逐步向3G網(wǎng)絡和LTE網(wǎng)絡演進已大勢所趨。

信息化的浪潮席卷而來，人們尋求無所不在的無線寬帶接入，人們在乘坐高速列車時也不例外。與此同時，列車運行調(diào)度指揮和控制智能化的進一步發(fā)展，也要求更多的列車實時監(jiān)控數(shù)據(jù)能準確及時地傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹１M管乘客的無線寬帶接入需求與列車運行控制無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笮再|(zhì)不同，對無線傳輸系統(tǒng)的帶寬、安全、穩(wěn)定性的要求也不盡相同，但從投資效益的角度來看，建設既能滿足鐵路專網(wǎng)調(diào)度、列控和各種寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務，以及相關安全性需求，又能滿足乘客無線寬帶業(yè)務需求的網(wǎng)絡勢在必行。

2 探索

許多廠商、公網(wǎng)運營商和鐵路公司為滿足鐵路乘客無線寬帶接入需求，在車-地寬帶無線通信技術領域進行了很多有益嘗試。車載直放站技術、漏泄電纜技術、衛(wèi)星通信技術、3G和準4G技術及各種長、短距離寬帶無線通信技術等在高速列車環(huán)境進行過相關試驗。

歐洲聯(lián)盟牽頭的移動寬帶全球連接系統(tǒng)（M OW GLY）項目旨在解決寬帶接入衛(wèi)星架構(gòu)發(fā)展、部署和演進過程中的重大技術課題，方案采用衛(wèi)星傳輸實現(xiàn)部分列車VIP客戶或列車運行控制重要數(shù)據(jù)的車-地傳輸。該方案優(yōu)點在于無需布設軌道沿線的基站，可節(jié)省部署成本。但衛(wèi)星鏈路帶寬較低，租賃費用較為昂貴，另外在一些隧道和陰影區(qū)域無法使用衛(wèi)星鏈路，必須借助于其他陸地通信網(wǎng)絡作為備份。因此，比較有效的思路是將衛(wèi)星傳輸和其他陸地寬帶無線接入手段進行融合，兩者互為補充和備份。

為解決列車高速移動帶來的多普勒頻偏和信號快衰落，克服列車的高車體穿透損耗，有的廠商采用車載直放站技術或在軌道沿線鋪設漏泄電纜的解決方案。如日本新干線N700項目，全程采用漏泄電纜將W iFi基站的信號覆蓋到列車車廂，由于泄漏電纜造價比較昂貴，一般只適用于隧道較多的應用場合（如地鐵等）。

另一種比較主流的方案是在車廂內(nèi)安裝多制式融合的有線無線寬帶一體化接入系統(tǒng)，通過車載天線和軌道旁基站的無線通信，完成車-地寬帶數(shù)據(jù)的回傳。包括3G，LTE，W iM ax等在內(nèi)的哪幾種寬帶無線技術更適合作為車-地寬帶無線回傳技術，到目前為止沒有統(tǒng)一認識。

目前，采用TD-LTE技術研究高速鐵路寬帶通信，對多普勒頻偏補償技術、高速無線傳播環(huán)境下的多輸入輸出天線（M IMO）性能提升等關鍵技術進行研究已取得重大突破。TD-LTE頻偏估計和補償算法，能準確地跟蹤TD-LTE協(xié)議（高速鐵路模型）規(guī)定的正負1 150 Hz（對應車速496.8 km/h）的頻偏跳變。針對鐵路場景下多天線空間分集特性小、利用常規(guī)多天線空間分集進行M IMO傳輸性能差的問題，提出采用雙極化天線形式的M IM O技術，并在TD商用網(wǎng)絡中得到很好的驗證和應用。這些技術的有效突破，改變了對時分雙工（TDD）方式不適于高速鐵路的看法，使TDD LTE技術成為我國高速鐵路車-地寬帶無線回傳技術的一種可選方案。

此外，國外也開展W iM ax技術和頻分雙工（FDD）LTE技術的研究和試驗。無論未來采用哪幾種技術，最終都應考慮用戶的全球無縫移動和接入需求，以及異構(gòu)網(wǎng)絡的融合。

從鐵路專網(wǎng)系統(tǒng)的技術演進路線看，目前國際鐵路聯(lián)盟（U IC）已經(jīng)明確將LTE-R作為未來GSM-R的演進方向，GSM-R將跳過3G技術直接向LTE-R演進。U IC的車-地通信研究小組發(fā)表最新研究結(jié)論，稱未來的車-地寬帶無線通信應該與GSM-R的演進方向（即LTE-R）一起，構(gòu)成一個完整的獨立網(wǎng)絡。

3 分析與建議

為滿足鐵路通信需求并立足未來技術演進方向，提出融合的Un i-R解決方案（見圖1）。

融合鐵路乘客寬帶接入和列車專用業(yè)務接入的Un i-R車-地寬帶無線通信系統(tǒng)包含車廂內(nèi)有線無線接入系統(tǒng)、車-地無線回傳系統(tǒng)及核心網(wǎng)系統(tǒng)。

車廂內(nèi)的接入系統(tǒng)由路由器、各種多制式無線AP和有線接入單元組成。系統(tǒng)設計考慮整合各種異構(gòu)無線接入網(wǎng)，支持諸如W iFi，GSM，3G等各種無線接入制式及各種車載設備（如車載監(jiān)控設備、機車臺、車載安全計算機等各種業(yè)務終端）的并發(fā)接入；由于不同業(yè)務對服務質(zhì)量（QoS）、安全性等方面的要求有著明顯差異，因此必須能夠?qū)崿F(xiàn)完備的QoS策略和安全策略。

該方案中，LTE-R技術具有車-地語音和數(shù)據(jù)傳輸功能，同時也作為車-地寬帶無線回傳網(wǎng)絡進行使用。在我國未來LTE-R究竟采用FDD LTE技術還是采用TDD LTE，仍處于討論階段。但選擇技術時，除需仔細評估該技術在列車高速移動場景下能否提供穩(wěn)定的傳輸和足夠的帶寬，是否能夠有效地解決包括多普勒頻偏、快衰落、信號干擾和頻繁的跨站點切換等關鍵技術難題外，還需考慮盡量能同時滿足鐵路專網(wǎng)運營和乘客公網(wǎng)接入的兩方面需求，盡量避免網(wǎng)絡的重復建設，節(jié)省設備和運維投資。此外，還應考慮新技術和已建成的GSM-R網(wǎng)絡之間的互操作、資源共享和平滑演進問題。2011年1季度，基于SDR平臺的FDD LTE/TD-LTE共站解決方案，由中國移動通信集團公司、荷蘭KPN德國子公司E-Plus進行聯(lián)合測試。TDD/FDD統(tǒng)一的基站平臺可使未來對TDD LTE和FDD LTE的抉擇變得容易。

盡管我國關于TDD LTE和FDD LTE用于車-地寬帶無線接入的研究剛剛起步，但對于正在廣泛部署的GSM-R網(wǎng)絡來說，有必要將GSM-R的平滑過渡和演進作為現(xiàn)階段GSM-R網(wǎng)絡建設的重點考慮內(nèi)容。

圖1 融合的Uni-R解決方案

（1）全IP的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)成為未來有線和無線網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。對于傳輸承載網(wǎng)絡來說，建設全IP的承載網(wǎng)絡將是未來車-地寬帶無線通信系統(tǒng)的必然要求。目前，我國鐵路傳輸網(wǎng)絡的建設基本采用傳統(tǒng)同步數(shù)字體系（SDH）或基于SDH的M STP技術，在以語音業(yè)務為主兼有少量數(shù)據(jù)業(yè)務的應用中，M STP是最佳的承載網(wǎng)解決方案。不過隨著IP業(yè)務的比重增加，M STP“接口分組化、內(nèi)核電路化”的特點已不再適應未來需求，傳輸設備必將由“分組的接口適應性”向“分組的內(nèi)核適應性”演進。分組傳輸網(wǎng)（PTN）技術基于分組的架構(gòu)，繼承了M STP的理念，融合了以太網(wǎng)（Ethernet）和M STP的優(yōu)點，逐步成為行業(yè)內(nèi)認同的，適合電信級分組化的承載技術。目前各大主流移動運營商都開始建設適應未來發(fā)展的PTN網(wǎng)絡，進行傳輸骨干網(wǎng)的改造。為了更好地面對未來業(yè)務發(fā)展需求，鐵路系統(tǒng)的傳輸專網(wǎng)同樣也要借鑒先進的技術和理念，逐步加大對傳輸網(wǎng)絡IP化改造，以及核心網(wǎng)、接入網(wǎng)IP化改造的嘗試和投入。

（2）為了更好地適應GSM-R系統(tǒng)向未來的車-地寬帶通信技術如LTE-R演進，鐵路行業(yè)應大膽借鑒公網(wǎng)移動運營商的經(jīng)驗，積極進行分布式基站和基于多載波功放（M CPA）技術的軟基站技術嘗試和應用，為后期GSM-R技術的平滑過渡和演進到LTE技術奠定基礎，并節(jié)省后期建設的成本。

（3）GSM-R設備制造商提出的分布式基站技術采用基帶和射頻相分離的原則，在鐵路沿線覆蓋場景下相比傳統(tǒng)基站方案無論在建設成本、覆蓋效果等方面具有特別明顯的優(yōu)勢。更為重要的是，這種架構(gòu)有效地適應了未來僅通過軟件升級便能夠從容將GSM-R技術過渡到LTE技術，并完美實現(xiàn)兩者技術的共存和統(tǒng)一，節(jié)省硬件投資。目前公網(wǎng)運營市場已經(jīng)廣泛采用基于M CPA架構(gòu)的軟件無線電（SDR）基站或遠端射頻單元（RRU）進行組網(wǎng)，并已開始應用支持M IMO的多模SDR基站。對于鐵路GSM-R專網(wǎng)來說，需要加快規(guī)模推廣分布式基站技術的進度。

（4）盡管與LTE技術相比，EDGE提供的帶寬還比較低，單載頻提供速率只有480 kb/s，但基于EDGE技術仍可實現(xiàn)許多列車自動監(jiān)控、診斷數(shù)據(jù)、勤務服務和乘客服務等相關業(yè)務功能。EDGE技術已經(jīng)非常成熟，在鐵路GSM-R系統(tǒng)中發(fā)展基于EDGE的中低速寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務，可作為向未來LTE-R技術的過渡，更可以充分發(fā)掘現(xiàn)有GSM-R網(wǎng)絡的潛力，實現(xiàn)效益最大化。

4 結(jié)束語

隨著高速鐵路和信息化革命的持續(xù)發(fā)展，未來GSM-R網(wǎng)絡演進方向必然是融合鐵路專網(wǎng)調(diào)度、列控、各種寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務和乘客無線寬帶業(yè)務需求的統(tǒng)一網(wǎng)絡，而LTE-R技術（無論是TDD LTE還是FDD LTE）將成為未來車-地寬帶回傳網(wǎng)絡的首選技術。GSM-R技術需要通過對公網(wǎng)成熟技術和先進技術的吸收和消化而不斷發(fā)展，對分布式基站技術、基于M CPA的軟基站技術以及IP化承載技術進行充分探索和引進，才能適應迅速發(fā)展的市場需求。