TD—LTE無線通信系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用研究

劉金成

摘 要：TD-LTE無線通信技術(shù)作為國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)新型無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前已被應(yīng)用在我國(guó)鐵路系統(tǒng)當(dāng)中。論文介紹了TD-LTE無線通信技術(shù)的發(fā)展背景，提出了其發(fā)展方向，對(duì)TD-LTE無線通信技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、信道估計(jì)技術(shù)幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述，最后對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：TD-LTE技術(shù)；無線通信；鐵路；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

從2003年起，我國(guó)的鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)大多采用GSM-R技術(shù)，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了較大的成功。當(dāng)前我國(guó)的青藏線、大秦線、膠濟(jì)線等鐵路都采用GSM-R通信技術(shù)。隨著我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的高速化和現(xiàn)代化發(fā)展，現(xiàn)今的GSM-R技術(shù)已經(jīng)難以滿足其各方面的業(yè)務(wù)需求。因此，鐵路通信系統(tǒng)需要在原有的技術(shù)上進(jìn)行技術(shù)和結(jié)構(gòu)升級(jí)以適應(yīng)鐵路移動(dòng)通信的高傳輸率、高傳輸量、高帶寬承載能力、高可靠度、短時(shí)延的發(fā)展趨勢(shì)。

1 TD-LTE無線通信技術(shù)的發(fā)展背景

現(xiàn)存的GSM-R通信技術(shù)在引入了GSMS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，其通信系統(tǒng)在構(gòu)建方式和數(shù)據(jù)承載能力上都得到了一定程度的完善，但是從其技術(shù)本質(zhì)上來講，它仍然屬于第二代移動(dòng)通信技術(shù)。目前的GSM-R鐵路移動(dòng)通信技術(shù)在業(yè)務(wù)開展能力上已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代鐵路通信系統(tǒng)的需求，其業(yè)務(wù)處理能力必須得到改善和提升。因此，鐵路通信系統(tǒng)必須找到新的發(fā)展出路，結(jié)合我國(guó)鐵路的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀和未來發(fā)展動(dòng)態(tài)構(gòu)建符合新時(shí)期發(fā)展的鐵路通信系統(tǒng)。結(jié)合用戶對(duì)移動(dòng)通信的未來需求以及國(guó)際鐵路的無線通信發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)我國(guó)的鐵路通信工程發(fā)展現(xiàn)狀，采用與國(guó)際接軌的無線通信技術(shù)方案，以解決我國(guó)在無線通信技術(shù)領(lǐng)域相對(duì)薄弱的技術(shù)水平和建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過直接分享國(guó)際已有的研究成果，來降低研發(fā)成本，降低制式選擇所帶來的風(fēng)險(xiǎn)性。在此大背景下，選擇TD-LTE無線通信技術(shù)成為我為鐵路通信發(fā)展的新方向是準(zhǔn)確的，符合我國(guó)當(dāng)前的實(shí)際情況的。

2 TD-LTE無線通信技術(shù)

LTE是2008年由3GPP在Release 8標(biāo)準(zhǔn)中提出并定義的一種新型的無線空中接口標(biāo)準(zhǔn)。LTE技術(shù)是以移動(dòng)通信技術(shù)山3G過渡到4G的銜接性標(biāo)準(zhǔn)，LTE是移動(dòng)通信3G到4G技術(shù)的過渡標(biāo)準(zhǔn)，它是基于CMTS/HSPA和GSM/EDGE并在這兩種技術(shù)上，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)通信體系構(gòu)建與演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在通信結(jié)構(gòu)制式上，LTE主要分為兩種：一是LTE-FDD、二是TD-LTE。其中TD-LTE技術(shù)是我國(guó)通信企業(yè)普遍采用的一種LTE標(biāo)準(zhǔn)。TD-LTE與LTE-FDD兩種制式在設(shè)計(jì)主架構(gòu)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上是基本統(tǒng)一的，尤其是在高層協(xié)議方面。兩者之間的差異性主要體現(xiàn)在物理層上。這兩種制式是未來移動(dòng)通信的未來發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前在我國(guó)的鐵路通信系統(tǒng)當(dāng)中主要是采用TD-LTE制式，本論文部分也主要是講TD-LTE制式的應(yīng)用。

3 高速鐵路TD-LTE無線通信系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

下一代鐵路通信系統(tǒng)的TD-LTE結(jié)構(gòu)與LTE/SAE技術(shù)存在著相同與相似性。與現(xiàn)有的GSM-R通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比較，兩者之間的差異性主要表現(xiàn)在接入網(wǎng)技術(shù)和核心網(wǎng)組建技術(shù)上。就核心網(wǎng)技術(shù)而言，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與GSM-R的最大不同是前者采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。其采用HSS歸屬用戶服務(wù)器作為本地用戶服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶的注冊(cè)性資料信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。另一方面，TD-LTE采用IP多媒體子系統(tǒng)為系統(tǒng)提供IP多媒體服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸包的有效傳輸，通過會(huì)話初始化協(xié)議實(shí)現(xiàn)可以互操作的IP協(xié)議服務(wù)。與GSM-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比較，TD-LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)扁平和簡(jiǎn)潔，突出了系統(tǒng)的本質(zhì)作用性和實(shí)效性，從而極大的減少了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)維護(hù)成本，為網(wǎng)絡(luò)部署提供了更高的便利性，節(jié)省了運(yùn)營(yíng)商的開發(fā)成本的運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)采用基站與核心網(wǎng)直接相連的關(guān)鍵性技術(shù)，能夠大大減少信令的交換，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的整體效率。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）調(diào)制和信道編碼技術(shù)

下一代鐵路通信LTF制式可采用的調(diào)制編碼技術(shù)可以參考地而電信通信系統(tǒng)。其下行鏈路，PDSCH物理下行共享通道和PMCH物理多播信道可采用16QAM、64QAM和QPSK技術(shù)；PBCH物理廣播信道和物理控制格式指示信道可以采用QPSK技術(shù)；PCFICH物理控制格式指示信道可以采用QPSK、BPSK調(diào)制方式可以用于PHICH物理混合自動(dòng)重傳指示信道；上行鏈路中，物理上行共享信道PISCH可采用16QAM、64QAM和QPSK技術(shù)；PUCCH物理上行控制信道可采用QPSK。同時(shí)，所采用的BPSK調(diào)制方式還可以有效地降低峰均值比。

（2）OFDM和MIMO

與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的GSM-R技術(shù)相比，下一代鐵路通信LTF系統(tǒng)可以采用正交頻分復(fù)用OFDM和多輸入多輸出MIMO技術(shù)。OFDM技術(shù)的功能實(shí)原理為通過串并交換技術(shù)將高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為較低的傳輸速率并同時(shí)分配到多個(gè)相互正交的子通道。通過利用每個(gè)子通道相對(duì)較長(zhǎng)的符號(hào)周期，來緩解無線通道的時(shí)延擴(kuò)展問題。同時(shí)，可以在OFDM傳輸信號(hào)之間插入保護(hù)間隔，并將保護(hù)間隔的設(shè)置方式為大于信道的最大時(shí)延擴(kuò)散，從而使時(shí)延現(xiàn)象得以緩解，從最大化的消除信號(hào)傳輸時(shí)候所帶來的彼此之間的干擾。同時(shí)，為了滿足下一代鐵路通信系統(tǒng)對(duì)高傳輸速率和高信息傳輸量的要求，高速鐵路TD-LTF系統(tǒng)可以引入MIMO技術(shù)。

在MIMO技術(shù)的系統(tǒng)配置方面，下行天線的基本配置可以采用2×2的模式，即采用2天線發(fā)送和2天線接收的技術(shù)，在系統(tǒng)擴(kuò)展技術(shù)支持上最大滿足4天線進(jìn)行信息的下行四層傳輸，其中所指的天線為MIMO的虛擬天線技術(shù)。信號(hào)的上行傳輸一般采用1×2的天線傳輸模式是1×2.即一個(gè)發(fā)送天線和兩根接收天線。MIMO技術(shù)通過正交頻分多址技術(shù)將信號(hào)傳輸分配成多個(gè)相互正交的通信子信道，MIMO技術(shù)對(duì)每個(gè)子信道進(jìn)行信號(hào)處理，從而極大意義上簡(jiǎn)化了信號(hào)傳輸頻率選擇次數(shù)，降低了信號(hào)檢測(cè)難度。其中，采用MIMO處理技術(shù)可以針對(duì)每個(gè)子信道應(yīng)用獨(dú)立的調(diào)制編碼方式，使信道傳輸速率與MIMO信息容量達(dá)到最大程序上的適配，在寬帶不增加的情況下有效地提升頻譜效率。

（3）信道估計(jì)技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸體系向高速化方向發(fā)展是必然趨勢(shì)。同時(shí)，鐵路的高速運(yùn)行信息通信系統(tǒng)的建設(shè)也帶來了難度。受到鐵路高速運(yùn)行的影響，傳輸信道的時(shí)變性轉(zhuǎn)換度增大，同時(shí)運(yùn)行所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸也帶來技術(shù)處理上的難度。為了克服鐵路高速運(yùn)行所帶來的信號(hào)衰落率增大的現(xiàn)象，有必要采用信道估計(jì)技術(shù)來使其誤差降低到最小化。

下一代鐵路通信TD-LTF系統(tǒng)可以一般性信道估計(jì)技術(shù)為參考，并結(jié)合鐵路系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)上的適應(yīng)性調(diào)整。其中，信息傳輸?shù)纳闲型ǖ拦烙?jì)技術(shù)可以采用Turbo譯碼迭代信道估計(jì)方法，其功能實(shí)現(xiàn)的原理為：利用Turbo譯碼技術(shù)對(duì)信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出判斷對(duì)比，然后根據(jù)比對(duì)結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn)行硬判決處理，將比對(duì)處理后的信號(hào)發(fā)送到信號(hào)解制解調(diào)模塊，將產(chǎn)生的最終信號(hào)反饋到信號(hào)估計(jì)模塊，作為下一個(gè)信號(hào)的信道估計(jì)可參照依據(jù)。

下行信道估計(jì)技術(shù)可以采用基于內(nèi)插的技術(shù)處理方法，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)依據(jù)為：符號(hào)在其他載波位置上的信道估計(jì)數(shù)值的提取可以通過一維線性插值來確定出同一符號(hào)中的相鄰導(dǎo)頻值，以此確定的導(dǎo)頻值為相關(guān)信道的估計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)。利用線性插值技術(shù)進(jìn)行信道估計(jì)，可以允許信道在時(shí)域內(nèi)快速變化，從而有效地解決鐵路快速運(yùn)行所產(chǎn)生的信號(hào)衰變問題，這是利用了插值可以在每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)完成的技術(shù)，因?yàn)樾诺赖南嚓P(guān)時(shí)間在實(shí)際中是非常短，能夠通過此技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的移動(dòng)接收，如果信道帶寬大于導(dǎo)頻信道的間隔帶寬，就能準(zhǔn)確地進(jìn)行信道估計(jì)。

（4）差錯(cuò)控制技術(shù)

在信息通信系統(tǒng)中，可以采用兩種應(yīng)用比較廣泛的差錯(cuò)控制技術(shù)，即前向糾錯(cuò)FFC技術(shù)和自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求ARQ技術(shù)。兩種差錯(cuò)控制技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中FFC前向糾錯(cuò)技術(shù)的效率較高，但在可靠度上遠(yuǎn)不及ARQ技術(shù)。ARQ系統(tǒng)的效率是信道誤碼率的函數(shù)，其效率性很大程度上受制約與信道誤碼率的增加，這就導(dǎo)致在信道受干擾度較大時(shí)難以使用。而采用先進(jìn)的HARQ技術(shù)可以融合FFC技術(shù)與ARQ技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得幣ARQ更高的效率，且能有效對(duì)差錯(cuò)進(jìn)行控制，從而大大提高了可靠性。

4 TD-LTE無線通信系統(tǒng)的鐵路應(yīng)用

4.1 TD-LTE在無線調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)鐵路無線列調(diào)提供的業(yè)務(wù)只有兩種，包括窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)。通過VOIP技術(shù)，LTE可以使得一個(gè)e NB小區(qū)在同一時(shí)間滿足600個(gè)用戶的語音通信需求。另外，LTE技術(shù)還具備寬帶集群調(diào)度的功能，比GSM-R的系統(tǒng)容量更加大、時(shí)延也更加短，而且具有語音數(shù)據(jù)融合調(diào)度的特點(diǎn)。LTE還可以為視頻調(diào)度提供技術(shù)支持，有利于使用車輛的人進(jìn)行精確定位，從而將列車調(diào)度的可靠性以及安全性有效提高起來。

4.2 TD-LTE在車載數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

在當(dāng)前車載數(shù)據(jù)類型應(yīng)用如下：

（1）列車設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)：實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車動(dòng)力、電力等設(shè)備狀態(tài)。

（2）列車控制數(shù)據(jù)：列控以及ATP，ATO和車機(jī)聯(lián)控等高可靠數(shù)據(jù)。

（3）列車多媒體視頻廣播：根據(jù)地域特點(diǎn)和旅客類型進(jìn)行高清視頻廣播，提供旅客舒適性。

（4）車廂視頻監(jiān)控：了解乘客和車廂狀態(tài)，保證列車和乘客安全。

（5）列車外部視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)：了解司機(jī)工作狀態(tài)，保證駕駛安全，調(diào)度中心通過視頻，可以隨時(shí)了解車廂內(nèi)外實(shí)際情況。

車載數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接入單元（TAU），將車內(nèi)的IP局域網(wǎng)數(shù)據(jù)通過TD-LTE傳輸?shù)降孛?。TAU單元特點(diǎn)如下：

（1）TD-LTE列車接入單元TAU支持多種專網(wǎng)頻段。

（2）滿足高速移動(dòng)情況下的性能要求。

（3）外置雙天線接口，支持多集和雙流。

（4）提供IEEE802.3/3u以太網(wǎng)接入。

（5）內(nèi)置DHCP Server，DNS及NAT功能。

（6）基于WEB方式管理界面，方便直觀。

（7）支持遠(yuǎn)程維護(hù)，包括狀態(tài)管理、配置管理、軟件升級(jí)等。

（8）適應(yīng)車廂內(nèi)嚴(yán)酷電磁環(huán)境和高溫、濕熱環(huán)境使用要求。

4.3 TD-LTE安全網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

LTE網(wǎng)絡(luò)需要通過對(duì)容災(zāi)進(jìn)行備份而為鐵路安全數(shù)據(jù)提供可靠性的保證。首先就要采用雙層網(wǎng)絡(luò)與雙網(wǎng)冗余實(shí)現(xiàn)對(duì)核心網(wǎng)的連接，e Node B板卡要進(jìn)行冗余配備，然后再采用雙頻和雙網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行交織與覆蓋，必須要在系統(tǒng)安全冗余有保證的前提下，避免同頻干擾，從而為網(wǎng)絡(luò)的性能及其安全提供保證。

4.4 在旅客信息服務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已成為人們生活中的重要組成部分，同時(shí)也成為了乘客需要服務(wù)的部分。LTE通過TAU為乘客提供網(wǎng)絡(luò)等多媒體信息服務(wù)。高清視頻廣播服務(wù)：采用H.264或MPEG4流運(yùn)行在多個(gè)典型場(chǎng)景下的無線信道環(huán)境。該結(jié)果驗(yàn)證了提出的無線信道仿真機(jī)制能夠支持變化的場(chǎng)景下GSM-R系統(tǒng)的無線信道仿真。

結(jié)語

綜上所述，TD-LTE在鐵路上的應(yīng)用很廣泛特別是在鐵路單元重載、高密度、高速度條件下對(duì)提升運(yùn)輸效率、持續(xù)擴(kuò)大運(yùn)能具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且前景十分光明。當(dāng)前很多路段都已一次性升級(jí)為TD-LTF通信系統(tǒng)。但是在D-LTE在不斷發(fā)展的過程中，也需要將各種存在的問題進(jìn)行解決，如今無線通信的發(fā)展趨勢(shì)就是高速寬帶，在對(duì)鐵路通信系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)管理過程中，需要對(duì)后期維護(hù)管理進(jìn)行簡(jiǎn)化，推動(dòng)鐵路無線寬帶通信的更進(jìn)一步發(fā)展。

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