摘 要：隨著通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的GSM-R鐵路通信系統(tǒng)越來越不能滿足當代高速鐵路的通信需求。GSM-R系統(tǒng)正面臨著信號穩(wěn)定性差，抗干擾能力弱以及數(shù)據(jù)傳輸安全性的問題。本文通過探討TD-LTE 制式下的4G技術(shù)特點，并分析相關(guān)參數(shù)，對4G技術(shù)運用在高鐵通信系統(tǒng)作可行性展望。

關(guān)鍵詞：GSM-R系統(tǒng)；高速鐵路；4G技術(shù)；鐵路移動通信

一、引言

GSM-R系統(tǒng)是專門為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)。屬于專用移動通信的一種，專用于鐵路的日常運營管理。它在高級語音呼叫功能和強拆業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，加入了基于位置尋址和功能尋址等功能，適用于鐵路通信特別是鐵路專用調(diào)度通信的需要。

然而，在經(jīng)過了全國鐵路大提速之后，GSM-R的通信問題開始暴露。特別是當列車時速超過140 km/h后采用GSM信號，會降低通信質(zhì)量，提高誤碼率。甚至當服務(wù)質(zhì)量達到最低閾值時，有關(guān)的數(shù)據(jù)將被中斷，從而導(dǎo)致列車不必要的停車或減速。

（一）GSM-R通信系統(tǒng)簡介

GSM-R采用900MHz工作頻段，885MHz～889MHz（移動臺發(fā)，基站收）、930MHz～934MHz（基站發(fā)，移動臺收）；共4MHz頻率帶寬；雙工收發(fā)頻率間隔45MHz，相鄰頻道間隔為200kHz。共有21個載頻。實際可用頻道19個。

GSM-R系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運行和業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)（OSS/BSS）和終端設(shè)備等四個部分。其中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包括移動交換子系統(tǒng)（SSS）、移動智能網(wǎng)（IN）子系統(tǒng)和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）子系統(tǒng)。GSM-R通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1GSM-R通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（二）GSM-R技術(shù)與GSM的區(qū)別

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面，GSM公眾移動通信網(wǎng)的建網(wǎng)目的是在保證用戶滿意度的前提下，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)投資。而專用移動通信網(wǎng)絡(luò)是保證行業(yè)生產(chǎn)的安全可靠性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不僅要考慮經(jīng)濟效益，還要注重網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性。

GSM-R與GSM總的區(qū)別沒有多大，但有一點要明確的是，GSM-R是鐵路通信專網(wǎng)，對于安全有很高的要求。而GSM是公網(wǎng)，主要是解決容量和覆蓋質(zhì)量問題。

（三）GSM-R系統(tǒng)的缺點

由于GSM-R采取了和GSM相似的制式，所以存在以下缺陷。

1、系統(tǒng)容量有限。不能從根本上解決目前用戶數(shù)量急增與頻率資源有限之間的矛盾。

2、編碼質(zhì)量不夠高。GSM-R系統(tǒng)的編碼速度為13 kb/s，這種質(zhì)量很難達到有線電話的質(zhì)量水平。

3、終端接入速率有限。GSM-R系統(tǒng)的業(yè)務(wù)綜合能力較高， 能進行數(shù)據(jù)和話音的綜合， 但終端接入速率有限。

4、切換功能較差。GSM-R系統(tǒng)軟切換功能較差，因而容易掉話，影響服務(wù)質(zhì)量。

5、漫游能力有限。GSM-R系統(tǒng)還不能實現(xiàn)真正的國際漫游功能。

二、4G技術(shù)在高鐵通信中的應(yīng)用

（一）高鐵通信面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)未來高鐵的發(fā)展趨勢，高鐵覆蓋方案應(yīng)該能滿足350km/h以上速度。根據(jù)建成后的京津高鐵GSM-R專用通信網(wǎng)推斷，高鐵覆蓋方案在最短發(fā)車間隔狀態(tài)下應(yīng)該滿足300名左右旅客的話務(wù)量需求，網(wǎng)絡(luò)接通率超過95%，覆蓋率為99.5%。因此高速列車場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨以下挑戰(zhàn)。

1、車體穿透損耗大。高速列車采用密閉式廂體設(shè)計，增大了車體損耗。

2、多普勒頻偏。高速覆蓋場景對FDD LTE系統(tǒng)性能影響最大的是多普勒效應(yīng)。

3、高速影響性能。在UE（用戶設(shè)備）高速場景下，對切換的性能會有較大的影響。會造成用戶的QoS下降甚至掉話。

4、公網(wǎng)和高鐵覆蓋專網(wǎng)相互影響。專網(wǎng)和公網(wǎng)之間應(yīng)避免形成空洞和過度重疊覆蓋，特別要避免大網(wǎng)站點越過高鐵軌道進行覆蓋。

（二）4G技術(shù)簡介

4G指的是第四代移動通信技術(shù)，該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。4G是集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbps以上的速度下載并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。

不同覆蓋面積移動性與速率對比如圖2所示。

圖2 2g，3g，4g覆蓋面積移動性與速率對比

（三）4G技術(shù)特點

1、多網(wǎng)絡(luò)融合。多種無線通信技術(shù)系統(tǒng)共存?？梢圆捎枚喾N無線接入方式，比如IEEE802.11，WCDMA， Bluetooth，HyperLAN等。

2、用戶容量更大。容量至少為3G系統(tǒng)的10倍。4G系統(tǒng)的頻譜效率應(yīng)當為3G系統(tǒng)的5到10倍。

3、無縫的全球覆蓋。用戶可在任何時間、任何地點使用無線網(wǎng)絡(luò)。4G系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)全球范圍內(nèi)多個移動網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游，并實現(xiàn)高速移動中系統(tǒng)間切換和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

4、帶寬更寬。更高的單位信道帶寬和頻譜傳輸效率。

5、智能靈活性。用戶的無線網(wǎng)絡(luò)可以通過其他網(wǎng)絡(luò)擴展其應(yīng)用業(yè)務(wù)，自適應(yīng)地變換不同信道。

6、兼容性。兼容多種制式的通訊協(xié)議和終端應(yīng)用環(huán)境，及各種終端硬件設(shè)備。4G系統(tǒng)兼容性如圖3所示。

圖3 4G兼容性示意圖

三、LTE高鐵覆蓋解決方案

針對高鐵覆蓋所面臨的大頻偏、頻繁切換等技術(shù)難點，中興通訊提供專業(yè)的LTE高鐵覆蓋方案。

1、自適應(yīng)頻偏校正算法。對于列車時速高達300km/h的場景而言，如果頻偏跟蹤速度太慢，會導(dǎo)致性能嚴重惡化。自適應(yīng)頻偏校正算法能在基帶層面實時檢測出當前子幀頻率偏移的相關(guān)信息，對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正，提升基帶性能解調(diào)。

2、單小區(qū)多RRU級聯(lián)技術(shù)。首創(chuàng)的SDR平臺，設(shè)備體積小、重量輕，功耗低，環(huán)境適應(yīng)能力強。BBU+RRU技術(shù)，可以將多個RRU 組網(wǎng)，利用基帶合并技術(shù)組合到一個小區(qū)內(nèi)，有利于增加覆蓋信號強度。

3、公網(wǎng)和專網(wǎng)的切換原則。要重點考慮公網(wǎng)和專網(wǎng)的切換原則和對應(yīng)關(guān)系，保證公網(wǎng)用戶順利切入高鐵專網(wǎng)，并保證離開站臺時，避免發(fā)生乒乓位置更新。

4G技術(shù)運用于高鐵通訊系統(tǒng)的模擬圖如圖4所示。

圖4 4G運用于高鐵通信系統(tǒng)的模擬圖

四、結(jié)束語

使用全新的4G技術(shù)替代GSM-R可以提供多運營商接入，減少建站成本。鐵路沿線部署一套TD-LTE無線回傳網(wǎng)絡(luò)，減少站點投資，同時現(xiàn)低成本快速建網(wǎng)。領(lǐng)先的SDR基站系列產(chǎn)品，支持上行30Mbps和下行100Mbps的傳輸速率，覆蓋廣，保障回傳網(wǎng)的低成本建網(wǎng)和運營。良好的車內(nèi)無線通信環(huán)境，通信質(zhì)量得到大幅提升。利用車載臺和外置車載天線進行發(fā)射和接收，保證了車廂內(nèi)部信號強度，改善無線通信環(huán)境。車廂內(nèi)部采用泄露線纜進行分布式覆蓋，保證無線信號覆蓋均勻、穩(wěn)定。先進的頻偏補償算法支持速度不小于350km/h的頻率偏差，能克服大于2000Hz的頻偏。優(yōu)化小區(qū)切換、重選參數(shù)，簡化呼叫、切換流程，優(yōu)化鄰區(qū)配置，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋，保障切換成功率。本文在重點探討了4G技術(shù)的特點和性能后發(fā)現(xiàn)，4G通信系統(tǒng)應(yīng)用于高速鐵路通信系統(tǒng)存在理論上的可行性。

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