敖青青

摘要：高速鐵路的快速發(fā)展給人們的出行帶來了方便，與此同時在高速環(huán)境下如何保證旅客高質(zhì)量的通信服務成了當下研究的熱點。第二代鐵路移動通信系統(tǒng)（GSM-R）是窄帶移動通信系統(tǒng)，不能很好的滿足用戶日益增長的業(yè)務需求和未來高速鐵路高質(zhì)量的通信服務。而LTE作為新一代的移動通信系統(tǒng)，結(jié)合了OFDM、MIMO等先進的無線技術，具有帶寬大、覆蓋能力強、頻譜效率高的特點，與以語音業(yè)務為主的第一代移動通信系統(tǒng)相比，更好的滿足了逐漸增長的多媒體業(yè)務的需求。

關鍵詞：GSM-R；LTE；調(diào)度算法

一直以來交通工具是人們生活中不可或缺的一部分，飛機，輪船，汽車，火車之間的競爭也愈演愈烈，飛機速度快，機動性高，輕松舒適使得它成為人們的“寵兒”。但是，近幾年高速列車的出現(xiàn)大大提高了火車在競爭中的優(yōu)勢地位，隨著列車速度的不斷提高，人們的目光漸漸轉(zhuǎn)移向高鐵。2008年8月1日，時速高達350km的中國第一條高速鐵路——京津城際高鐵正式開通運營，標志中國鐵路正式進入高鐵時代，高速鐵路的迅猛發(fā)展給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，我們的視野隨著一輛輛列車的疾馳越發(fā)的開闊，距離也隨著列車的疾馳進一步的拉近。目前我國許多城市已經(jīng)開通了高速鐵路，高鐵站川流不息的人群也印證了高鐵安全、高效、便捷的特點。但是作為鐵路信息化驅(qū)動力的鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)的更新就滯后很多。

GSM-R技術

GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway，全球鐵路移動通信系統(tǒng)）是一種基于目前世界最成熟、最通用的GSM（Global System for Mobile Communication）平臺上、專門為滿足鐵路應用而開發(fā)的數(shù)字式無線通信系統(tǒng)。它在GSM基礎上增加了鐵路基本業(yè)務包括功能號表示，功能尋址和基于位置的尋址等，提供了語音調(diào)度業(yè)務包括eMLPP（增強多優(yōu)先級與強占業(yè)務），VBS（語音廣播業(yè)務），VGCS（語音群呼業(yè)務）等，并開發(fā)了各種新的鐵路應用。它的引入既保證了基站和列車間的語音和數(shù)據(jù)傳輸，也保證了列車與列車間的通信。但是GSM-R系統(tǒng)是窄帶通信系統(tǒng)，并不能滿足人們對于寬帶業(yè)務的需求，也會限制更多鐵路應用（如：視頻監(jiān)控，多媒體廣播，高數(shù)據(jù)的旅客業(yè)務）的開發(fā)。無線技術發(fā)展日新月異，作為GSM-R基礎技術的GSM已逐步從產(chǎn)品生命周期的頂峰走向末期，從長遠考慮GSM-R必然向新技術演進。國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railway，UIC）也明確表示將LTE-R作為下一代鐵路無線移動通信系統(tǒng)。

新一代移動通信系統(tǒng)LTE（Long Term Evolution）在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡性能上較2G、3G系統(tǒng)都有了較大的改善，能夠獲得高的數(shù)據(jù)速率來支持多媒體業(yè)務（如：VoIP，視頻流，視頻游戲等）。2013年12月4日，工信部向中國移動通信集團公司、中國電信集團公司和中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司頒發(fā)了“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務（TD-LTE）”經(jīng)營許可，標志著我國4G時代的到來。與2G、3G技術相比，LTE系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢特點：

（1）擁有較高的吞吐量。在傳輸帶寬設定為20MHz時，下行和上行峰值數(shù)據(jù)速率分別為100Mbps和50Mbps。

（2）靈活的頻譜使用。提供了寬帶可變的體系結(jié)構(gòu)，最高支持20MHz的帶寬。

（3）為了更好的支持語音和互動游戲等對時延敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務，網(wǎng)絡延時設計為小于10ms，從而提高了保證業(yè)務QoS的能力。

（4）支持比較短的幀長度（10ms幀和1ms子幀），這樣允許更快的重發(fā)反饋，在終端移動速度高的情況下依然可以獲得高的效率。

（5）在支持高移動速率的基礎上，明確提出了改善低移動速率用戶質(zhì)量，提高小區(qū)邊緣比特率。

（6）采用IP體系結(jié)構(gòu)，與有線通信系統(tǒng)融合，支持后向兼容，支持自配置及自優(yōu)化網(wǎng)絡和技術，降低了安裝和管理成本。

LTE系統(tǒng)

目前中國移動已推出了LTE公用網(wǎng)絡并投入使用，LTE系統(tǒng)在鐵路上的應用也指日可待。歐美、日本等國家已經(jīng)相繼開展了相關的研究和試驗工作。在國內(nèi)，2010年中國鐵路在第七屆世界高速鐵路大會上提出發(fā)展LTE-R鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)，2013年高鐵聯(lián)合基金將“面向高速鐵路安全的寬帶移動通信網(wǎng)絡理論和關鍵技術研究”列為重點資助研究領域，這也預示著新一代鐵路移動通信系統(tǒng)的到來。

雖然LTE采用OFDM和MIMO等先進的無線傳輸技術，有效的擴大了無線資源，提高了頻譜利用率，但是頻譜資源的有限性仍然存在。更高的列車移動速度引起的更大的多普勒頻移，信道的快速變化等問題會使列車用戶通信環(huán)境更加惡劣，降低頻譜資源的利用率。另外，更短的傳輸時延，更多用戶數(shù)目和用戶業(yè)務，也都大大加大了對頻譜資源最大化合理利用研究的挑戰(zhàn)性。無線資源管理就是通過對無線通信系統(tǒng)中有限的無線資源進行分配調(diào)度和控制管理，使得系統(tǒng)性能潛質(zhì)發(fā)揮到極致，分組調(diào)度是無線管理中一項很關鍵的技術，調(diào)度算法在提高系統(tǒng)頻譜效率和資源利用率上有很重要的理論意義和實踐價值。一個好的調(diào)度算法可以有效提高無線資源利用率，提高系統(tǒng)的整個性能。

資源調(diào)度算法的研究現(xiàn)狀

不管在早期的有線網(wǎng)絡時代還是如今迅速發(fā)展的無線網(wǎng)絡時代，調(diào)度算法的研究一直是一個熱點。調(diào)度負責在每一個時間間隔內(nèi)控制共享資源在終端用戶問的合理分配，因此隨著高寬帶業(yè)務和智能移動設備的不斷增加，就更需要好的調(diào)度算法來解決資源調(diào)度的問題。早在20世紀80年代學者們就提出了資源調(diào)度算法，大體上可以分為兩類：

（1）信道依賴調(diào)度：給UE的資源塊分配建立在信道狀態(tài)的基礎上，例如：比例公平調(diào)度、最大載干比調(diào)度等；

62）信道無關調(diào)度：隨機的給UE分配資源塊，并且不建立在信道狀態(tài)的基礎上，例如：輪詢調(diào)度。

隨著人們對調(diào)度算法的不斷研究，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算法的基礎上提出了一種新型算法M-LWDF（Modified-Largest Weighted Delay First，改進的最大權(quán)重時延優(yōu)先算法）。M-LWDF算法中引入了丟包率、最大分組時延、首包時延參數(shù)，獲得了比PF算法更好的性能。文獻[1]中則在M-LWDF調(diào)度算法的基礎上將用戶的優(yōu)先級與不同的業(yè)務的優(yōu)先級進行關聯(lián)，提出了增加修正Q因子的改進的最大權(quán)重時延優(yōu)先算法MFQM-LWDF，并驗證了新算法性能的優(yōu)越性。

另外對調(diào)度算法的研究也需要考慮如無線承載的Qos需求，信道狀態(tài)信息，邊緣用戶公平性等方面，考慮因素不同，調(diào)度算法就不同。文獻[1]針對現(xiàn)有的LTE下行傳輸調(diào)度未能保證實時多媒體業(yè)務服務質(zhì)量的問題，提出了一種改進的支持多媒體業(yè)務QoS的兩層調(diào)度方案。文獻[2]中則是針對小區(qū)邊緣高速移動用戶公平性比較差的問題，提出了時域TTI分配算法，即每間隔一定數(shù)目TTI，分配一個只用來調(diào)度小區(qū)邊緣高速移動用戶的TTI，這樣小區(qū)邊緣用戶被服務的機會就大大的增加。另外還提出了面向高速移動用戶頻域的軟頻率復用算法，當頻域調(diào)度器中計算用戶頻域優(yōu)先級的時候，在功率較高的帶寬上將小區(qū)邊緣高速移動用戶的優(yōu)先級增加了一個系數(shù)，以此來提高目標用戶的吞吐量。