車-地寬帶無線通信及未來GSM-R技術(shù)演進(jìn)思路

■ 王策斌 包建飛

1 概述

自1992年GSM-R技術(shù)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(luò)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(shù)取得了蓬勃發(fā)展，但該技術(shù)發(fā)展的步伐與整體市場的巨大發(fā)展形成了強(qiáng)烈反差，GSM-R技術(shù)和公眾無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)差距日益拉大。無線寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆發(fā)性增長，使得以多載波功放技術(shù)、分布式基站技術(shù)，以及IP化為代表的技術(shù)成為公眾無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主流，傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)逐步向3G網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)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(yùn)行調(diào)度指揮和控制智能化的進(jìn)一步發(fā)展，也要求更多的列車實時監(jiān)控數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確及時地傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。盡管乘客的無線寬帶接入需求與列車運(yùn)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(shè)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(wù)，以及相關(guān)安全性需求，又能滿足乘客無線寬帶業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)勢在必行。

2 探索

許多廠商、公網(wǎng)運(yùn)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(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了很多有益嘗試。車載直放站技術(shù)、漏泄電纜技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、3G和準(zhǔn)4G技術(shù)及各種長、短距離寬帶無線通信技術(shù)等在高速列車環(huán)境進(jìn)行過相關(guān)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(jìn)過程中的重大技術(shù)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(yùn)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(shè)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(fèi)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(luò)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(jìn)行融合，兩者互為補(bǔ)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(shù)或在軌道沿線鋪設(shè)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(yīng)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(shù)更適合作為車-地寬帶無線回傳技術(shù)，到目前為止沒有統(tǒng)一認(rèn)識。

目前，采用TD-LTE技術(shù)研究高速鐵路寬帶通信，對多普勒頻偏補(bǔ)償技術(shù)、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(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究已取得重大突破。TD-LTE頻偏估計和補(bǔ)償算法，能準(zhǔn)確地跟蹤TD-LTE協(xié)議（高速鐵路模型）規(guī)定的正負(fù)1 150 Hz（對應(yīng)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(jìn)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(shù)，并在TD商用網(wǎng)絡(luò)中得到很好的驗證和應(yīng)用。這些技術(shù)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(shù)成為我國高速鐵路車-地寬帶無線回傳技術(shù)的一種可選方案。

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

從鐵路專網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)演進(jìn)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(jìn)方向，GSM-R將跳過3G技術(shù)直接向LTE-R演進(jìn)。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(yīng)該與GSM-R的演進(jìn)方向（即LTE-R）一起，構(gòu)成一個完整的獨立網(wǎng)絡(luò)。

3 分析與建議

為滿足鐵路通信需求并立足未來技術(shù)演進(jìn)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(wù)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?zé)o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(shè)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(shè)備（如車載監(jiān)控設(shè)備、機(jī)車臺、車載安全計算機(jī)等各種業(yè)務(wù)終端）的并發(fā)接入；由于不同業(yè)務(wù)對服務(wù)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(shù)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(luò)進(jìn)行使用。在我國未來LTE-R究竟采用FDD LTE技術(shù)還是采用TDD LTE，仍處于討論階段。但選擇技術(shù)時，除需仔細(xì)評估該技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)難題外，還需考慮盡量能同時滿足鐵路專網(wǎng)運(yùn)營和乘客公網(wǎng)接入的兩方面需求，盡量避免網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)，節(jié)省設(shè)備和運(yùn)維投資。此外，還應(yīng)考慮新技術(shù)和已建成的GSM-R網(wǎng)絡(luò)之間的互操作、資源共享和平滑演進(jìn)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(tuán)公司、荷蘭KPN德國子公司E-Plus進(jìn)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(guān)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(luò)來說，有必要將GSM-R的平滑過渡和演進(jìn)作為現(xiàn)階段GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點考慮內(nèi)容。

圖1 融合的Uni-R解決方案

（1）全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為未來有線和無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。對于傳輸承載網(wǎng)絡(luò)來說，建設(shè)全I(xiàn)P的承載網(wǎng)絡(luò)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(luò)的建設(shè)基本采用傳統(tǒng)同步數(shù)字體系（SDH）或基于SDH的M STP技術(shù)，在以語音業(yè)務(wù)為主兼有少量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用中，M STP是最佳的承載網(wǎng)解決方案。不過隨著IP業(yè)務(wù)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(yīng)未來需求，傳輸設(shè)備必將由“分組的接口適應(yīng)性”向“分組的內(nèi)核適應(yīng)性”演進(jìn)。分組傳輸網(wǎng)（PTN）技術(shù)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(rèn)同的，適合電信級分組化的承載技術(shù)。目前各大主流移動運(yùn)營商都開始建設(shè)適應(yīng)未來發(fā)展的PTN網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行傳輸骨干網(wǎng)的改造。為了更好地面對未來業(yè)務(wù)發(fā)展需求，鐵路系統(tǒng)的傳輸專網(wǎng)同樣也要借鑒先進(jìn)的技術(shù)和理念，逐步加大對傳輸網(wǎng)絡(luò)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(yīng)GSM-R系統(tǒng)向未來的車-地寬帶通信技術(shù)如LTE-R演進(jìn)，鐵路行業(yè)應(yīng)大膽借鑒公網(wǎng)移動運(yùn)營商的經(jīng)驗，積極進(jìn)行分布式基站和基于多載波功放（M CPA）技術(shù)的軟基站技術(shù)嘗試和應(yīng)用，為后期GSM-R技術(shù)的平滑過渡和演進(jìn)到LTE技術(shù)奠定基礎(chǔ)，并節(jié)省后期建設(shè)的成本。

（3）GSM-R設(shè)備制造商提出的分布式基站技術(shù)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(shè)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(yīng)了未來僅通過軟件升級便能夠從容將GSM-R技術(shù)過渡到LTE技術(shù)，并完美實現(xiàn)兩者技術(shù)的共存和統(tǒng)一，節(jié)省硬件投資。目前公網(wǎng)運(yùn)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(yuǎn)端射頻單元（RRU）進(jìn)行組網(wǎng)，并已開始應(yīng)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(shù)的進(jìn)度。

（4）盡管與LTE技術(shù)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(shù)仍可實現(xiàn)許多列車自動監(jiān)控、診斷數(shù)據(jù)、勤務(wù)服務(wù)和乘客服務(wù)等相關(guān)業(yè)務(wù)功能。EDGE技術(shù)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(wù)，可作為向未來LTE-R技術(shù)的過渡，更可以充分發(fā)掘現(xiàn)有GSM-R網(wǎng)絡(luò)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(luò)演進(jìn)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(wù)和乘客無線寬帶業(yè)務(wù)需求的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，而LTE-R技術(shù)（無論是TDD LTE還是FDD LTE）將成為未來車-地寬帶回傳網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。GSM-R技術(shù)需要通過對公網(wǎng)成熟技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)的吸收和消化而不斷發(fā)展，對分布式基站技術(shù)、基于M CPA的軟基站技術(shù)以及IP化承載技術(shù)進(jìn)行充分探索和引進(jìn)，才能適應(yīng)迅速發(fā)展的市場需求。