通信系統與鐵路管理論文

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1LTE無線寬帶通信系統

LTE是一項寬帶無線通信技術，具有數據速率更高、成本更低、時延更短以及覆蓋質量、系統容量更好的特點。LTE是鐵路更早使用的GSM-R數字通信技術升級版的系統技術，與未來無線通信系統寬帶化、移動化以及IP化等發展趨勢相一致，可以為鐵路提供更加好的業務承載平臺。LTE技術可分為TD-LTE時分系統與FDD-LTE頻分系統，其中TD-LTE時分系統在國內占據主導地位，不但有知識產權，還具有配置比較靈活、頻譜利用率比較高的特點。

1.1TD-LTE網絡結構

TD-LTE網絡結構具有扁平化的特點，其組成部分即為eUTRAN演進無線接入網與eCN核心網。其中eCN核心網的組成部分就是服務網關和移動管理，其主要工作內容就是對用戶信息和數據安全性進行管理，還負責用戶鑒權、移動信令和軟交換等內容。而eUTRAN演進無線接入網的組成部分則是eNodeB基站，具有無線承載控制、無線資源管理和移動性管理以及數據尋址等功能。

1.2TD-LTE的技術特點

TD-LTE可以為核心網、具有增強功能的IP多媒體子系統、多媒體廣播多播技術等提供技術支持。同時還能夠對處于1.25～20MHz的帶寬單一頻段提供支持，而且并不需要進行上下行對稱頻譜。TD-LTE采用的技術包括正交頻分復用技術、多入多出技術、混合自動重傳技術以及AMC自適應調制編碼技術等，上、下行峰值的相關數據速率分別可以達到75Mbit/s、150Mbit/s。TD-LTE技術的頻譜利用率比較高，在進行數據傳輸時，其時延用戶面小于10ms（雙向），控制面小于100ms，而且還能支持具有非對稱性的上下行數據傳輸、多種方式的同頻組網、高速達到350km/h的移動用戶。另外，TD-LTE技術還為GSM-R系統升級提供技術支持，而且網絡建設成本比較低，比3G無線通信網絡低兩倍。TD-LTE技術還能夠通過VOIP協議開展承載話音等服務，為femto等微基站連接提供技術支持，具有比較靈活的覆蓋模式。

1.3TD-LTE頻率資源

國家分配給國內三大運營商的頻段分別為中國移動共獲得130MHz，分別為1880～1900MHz、2320～2370MHz、2575～2635MHz；中國聯通獲得40MHz，分別為2300～2320MHz、2555～2575MHz；中國電信獲得40MHz，分別為2370～2390MHz、2635～2655MHz。而較早使用在鐵路上的GSM-R技術則使用900MHz頻段，無法滿足TD-LTE寬帶通信數據移動業務的開展要求，因此可以考慮申請使用1785～1805MHz的TDD行業用戶頻段以及1447～1467MHz的固定移動用戶頻段等。

1.4TD-LTE系統容量

TD-LTE系統主要對通信的最大吞吐量這個要素進行考量，而且還會實現對最大用戶數的支持。在鐵路通信系統中，用戶數量和鏈狀覆蓋模式一般都比較有限，通常會用承載業務的質量與數量來表示吞吐量。而吞吐量的重要表征則是用戶峰值速率，一般都會受到控制信道開銷、時隙配比和調制方式等方面的因素影響。

1.5TD-LTE系統組網技術

TD-LTE為異頻、同頻以及混合等形式的組網提供技術支持。其中頻譜利用率最高的就是同頻組網，但是小區的同頻干擾會極大地影響到通信速率。而頻譜利用率較低的則是異頻組網，和同頻組網相反，不會對小區邊緣的通信速率產生太大影響。而混合組網雖然將同頻對控制信道的干擾減少了，也對邊緣通信質量與頻譜利用率進行了改善，但是卻仍然需要其他設備來為這項功能提供支持。因此，可以采用混合組網或者同頻來解決，將小區擴大，還要將小區邊緣重疊的區域進行壓縮并且減小，再結合ICIC小區干擾協調技術以實現對小區整體數據吞吐量的提高。LTE切換與GSM-R相似，其過程都是硬切換，由源eNodeB發起，再由UE進行輔助。當切換過程失敗之后，可以返回源小區。在切換的過程中，數據傳輸的時延至多只能是50ms。如果是二次連續進行切換，則其間隔最多為200ms。在對切換區進行設計時，列車經過的信號重疊區所用到的時間應該比切換間隔還要大。如果高鐵速度為350km/h，切換區長度至多只能是20m。而常規切換機制都要基于業務負荷控制、覆蓋功率預算、移動速度與移動位置，還需要對其進行強制切換。LTE在定位上精度要求比較高，一般可以達到10m量級。鐵路用戶的使用軌跡以及區域一般都具有固定性，采取的混合切換機制可以建立在功率預算以及位置之上。這樣，就可以將切換時間盡可能地減少，同時也能夠將切換的成功率切實提高起來。另外，減少切換時間，對小區邊緣的地方進行壓縮，還能夠實現對小區數據吞吐率的有效提高。

1.6隧道覆蓋技術

根據隧道漏纜覆蓋要求可以將允許路徑損耗值計算出來，如上行100.6dB，下行111.27dB。而當泄漏電纜頻段為1.8GHz，覆蓋長度為上行730m，下行為880m時，按照鐵路業務量的相關需求，每個射頻拉遠單元小區范圍可以達到4km。隧道內兩側都可以分別敷設一根漏纜，從而實現雙流多入多出。而通過RRU、直放站和TD-LTE數字射頻拉遠等中繼設備，可以將隧道LTE的覆蓋范圍進行有效擴大。

2TD-LTE在鐵路上的應用

由于IP具有連接特性以及LTE的高速寬帶等特點，LTE被廣泛應用于鐵路領域之中。其應用形式一般有列車視頻監控、列控車地傳輸、旅客多媒體業務服務、列車無線調度通信以及應急通信等等。如今LTE無線寬帶通信系統已經逐漸被應用于朔黃鐵路列控系統以及地鐵車地通信之中。而在鐵路中，TD-LTE網絡的主要業務組成有eCNS核心網和eUTRAN無線接入網、高速IP傳輸網、移動終端以及業務應用層。其中業務應用層包括RBC列控業務、TDCS業務、應急通信業務、視頻監控業務以及防災預警業務等等。

2.1無線調度系統

到目前為止，鐵路無線列調提供的業務只有兩種，包括窄帶數據業務和語音業務。通過VOIP技術，LTE可以使得一個eNB小區在同一時間滿足600個用戶的語音通信需求。另外，LTE技術還具備寬帶集群調度的功能，比GSM-R的系統容量更加大、時延也更加短，而且具有語音數據融合調度的特點。LTE還可以為視頻調度提供技術支持，有利于使用車輛的人進行精確定位，從而將列車調度的可靠性以及安全性有效提高起來。

2.2車載數據與視頻監控

車載數據具有五種類型：第一是列車設備運行監控數據，它可以對機車的電力與動力等相關設備狀態進行實時監控；第二是列車控制數據，其數據內容包括車機聯控、ATO、ATP以及列控等，具有較高的可靠性；第三是列車多媒體視頻廣播，能夠根據旅客的相關類型與地域的特點而播放高清視頻廣播，為旅客提供比較舒適的環境；第四是車廂視頻監控，可以對車廂以及乘客的狀態進行了解，從而為列車與乘客的安全提供保證；第五是列車外部視頻監控數據，能夠對司機的工作狀態進行監督以及了解，確保列車的駕駛安全。而調度中心也可以通過視頻而對車廂內外的實際情況隨時進行了解，從而掌握列車與乘客的狀態，確保列車與乘客安全。車載數據會通過數據而實現與單元之間的接入，然后再通過LTE把車內的IP局域網數據傳輸到地面上。TD-LTE列車與單元TAU相接入，可以支持多種專網頻段。而且在高速移動的前提下，TAU單元還能夠滿足其性能要求。在TAU單元中，可以將雙天線接口外置，而且能夠支持雙流以及多集。同時還可以內置NAT、DNS以及DNCPServer等多種功能，提供EEE802.3/3u的以太網接入。其管理界面以WEB方式建立，具有方便而且非常直觀的特點。TAU單元還對遠程維護功能提供支持，包括軟件升級、狀態管理以及配置管理三個方面。除此之外，還能夠與車廂內濕熱、高溫以及嚴酷電磁環境的相關使用要求相適應。

2.3LTE安全網絡

LTE網絡需要通過對容災進行備份而為鐵路安全數據提供可靠性的保證。首先就要采用雙層網絡與雙網冗余實現對核心網的連接，eNodeB板卡要進行冗余配備，然后再采用雙頻和雙網對其進行交織與覆蓋，必須要在系統安全冗余有保證的前提下，避免同頻干擾，從而為網絡的性能及其安全提供保證。

2.4旅客信息服務系統

如今社會經濟發展快速，信息化程度日漸提高，網絡越來越成為社會生活非常重要的一部分。而其中LTE可以通過單元TAU提供質量較優的多媒體信息服務，如網絡等。另外，還有高清視頻廣播服務以及乘客互聯網服務。其中高清視頻廣播服務采用的技術一般都是MPEG4或者H.264流媒體技術，乘客可以在車上觀看高清或者標清電視節目。其采用的技術碼率一般都是1.5～3Mbit/s。另外，還可以在實時性與數據丟包矛盾發生時，通過HARP重傳機制進行解決，從而使得圖像和視頻都能夠保持流暢以及穩定。而在乘客互聯網服務中，如果根據每輛列車有100個用戶來進行相關估計，當每個用戶都上網時，那么LTE網絡能夠提供的連接速率不會低于100kbit/s，能夠為乘客提供良好的互聯網服務，提高乘客舒適度以及滿意度。

3結語

TD-LTE在鐵路上的應用很廣泛，而且前景十分光明，但是卻依然存在一些不足之處。當采用同頻組網時，其干擾對邊緣數據帶寬帶來的影響比較嚴重，下降幅度比較大。在射頻方面，其發射功率受到一定程度的限制。而且，如果要對網絡進行優化，難度會比較大。因此，TD-LTE在不斷發展的過程中，也需要將各種存在的問題進行解決。如今有關于LTE-R的國際標準還沒有被頒布出來，但是LTE無線寬帶通信系統在被廣泛應用的同時，也在不斷被探索和研究。如今無線通信的發展趨勢就是高速寬帶，在對鐵路進行管理時，需要將鐵路建設的成本降低下來，從而實現對后期維護管理的簡化，推動鐵路無線寬帶通信的更進一步發展。

作者:許準單位:中國移動通信集團江蘇有限公司