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浅谈铁路无线通信技术发展 摘要:阐述了450M无线列车调度系统和GSM-R系统的组成、功能和特点。 结合铁路未来发展需求,分析了当前高铁无线通信存在的主要问题,即可用带宽窄、传输速率低、纠错能力弱以及多普勒频移的影响等。分析了目前需要做的一些关键技术,研究方向包括宽带信道建模、MIMO技术、高铁场景下的无线资源管理优化、新型组网技术等。 并结合这些技术发展趋势,分析了铁路无线通信系统的演进方向和趋势。 关键词:铁路; 无线通信; 我国铁路无线通信技术的发展始于20世纪50年代。 经过几十年的发展,取得了举世瞩目的成就。 从传统的单通道模拟通信系统到GSM-R全路覆盖数字移动通信系统。 无线列车调度系统始于20世纪50年代,是单工、双工或单双工兼容的通信系统,频率为150M和450M。 21世纪,450M无线列车调度系统在原有机车、车站电台、调度站调度总机的基础上,开发了调度指令发射机、无线车号接收解码装置、编码器设备,实现了TDCS 、调度命令、无线车号验证等功能。 我国于2000年决定采用GSM-R作为我国铁路无线通信的发展方向。目前,我国铁路GSM-R系统已建成核心网节点约16个,待建3个。

但另一方面,随着高速铁路的不断发展,GSM-R作为一种窄带通信系统,已经无法满足未来铁路发展对列车诊断与维护、视频监控、旅客信息等宽带通信的需求。服务。 建立高速列车与地面之间的宽带数据传输通道。 1 450M无线列车调度系统及延伸系统 1.1 450M无线列车调度系统 无线列车调度系统由车站广播站、机车广播站、路段弱场中继设备(区间无线直放站、光纤真放站、及区间互控电台)、泄漏电缆等设备)、手持台、调度总机及检测监控设备。 目前,采用A、B、C三种标准来实现铁路列车指挥系统的“大三角”和“小三角”通信服务。 1.2 扩展服务系统 450M无线列车调度扩展服务系统是在450M无线列车调度系统的基础上,扩展了TDCS机车编码器和调度命令接收装置; 地面接收解码器和调度命令无线转发控制器。 实现无线车号和调度命令的传输。 1.3 系统特点 450M无线列车调度系统从系统设备和运行情况来看,具有设备简单、易于制造、成本低、设备量大的特点。 但适应铁路数字化、智能化还存在以下问题:设备种类、类型较多; 频率分散,标准不同; 技术基础特别是标准落后,功能扩展非常困难; 无法形成大网络,功能孤立,调用范围有限; 大三角通信实现复杂; 数据传输的可靠性较低。

2 GSM-R铁路数字移动通信系统 2.1 GSM-R铁路数字移动通信系统 GSM-R是建立在公网GSM之上,增加了铁路调度通信功能和高速环境要素的技术系统。 系统一般由交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、操作维护子系统(OMC)、终端子系统、移动智能网子系统(IN)、GPRS等组成。 GSM-R支持高级语音呼叫(ASCI),可以覆盖当前的各种无线通信系统服务。 同时可提供货运信息、船上旅客信息服务等增值服务。 特别是还满足高速列车运行下传输列车控制信息的任务。 2.2 系统特点 GSM-R虽然具有安全可靠、寻址能力强、功能丰富等突出优点。 但它是窄带通信系统,可用带宽只有4MHZ,只能提供9.6kbps的电路域数据传输或几十kbps的分组域数据传输。 所以容量非常有限。 3 现有铁路无线通信存在的问题及相关关键技术研究3.1 现有铁路存在的问题随着高速铁路的发展,对无线通信的功能需求提出了新的要求。 各类动态数据可实现列车视频监控、列车组织、远程故障诊断与维护等功能。 其次,列车上的乘客对无线宽带多媒体和移动互联网的需求迫切。

因此,有必要建立一套传输速率高、时延低、可靠性高、安全性好的车间无线宽带接入网络来承载这些业务。 但铁路现有的450M无线列车调度系统和GSM-R远远不能满足未来铁路的发展需求。 铁路无线通信向宽带化发展是必然趋势。 但GSM-R的应用场景与公网不同。 能够成功应用于公网的无线宽带通信系统应用于高铁环境时,将面临诸多弊端。 主要有以下几点: 3.1.1突然的干扰。 宽带通信可用的频谱更宽,获得的传输速率高,但受到干扰的可能性也增加。 高铁电磁干扰相对复杂,电气化设备较多。 电气设备产生的各种脉冲干扰和其他电磁干扰将严重影响无线宽带通信系统的性能。 3.1.2 小区切换。 在蜂窝移动通信系统中,当处于通信状态的移动终端从一个小区移动到另一个小区时,当移动终端的速度增大时,假设切换区域的大小不变,移动速度越快,移动速度越快。终端将经过交接区。 时间越短,使得穿越切换区域的时间小于系统处理切换的最小时延,切换过程无法完成,导致掉话。 3.1.3 多普勒扩展。 较大的多普勒频移会导致接收端下变频后的基带信号出现频率偏移,导致信号失真。 这反过来会影响信道均衡和相关解调的性能,使通信质量恶化,甚至导致掉话。 多普勒频移也会影响移动终端的小区切换。 随着频偏的增大,移动终端邻小区的测量性能会下降。 当频偏增大到一定程度时,移动终端对邻小区的测量就会出现严重偏差。 ,导致开关无法触发。

认真地说,当窄带通信变成宽带通信时,其多径效应将更加明显。 当不同路径的信号通过不同的反射、折射或散射路径到达接收端时,各路径的多普勒频移将是均匀的。 不同,给信号检测造成很大困难。 3.1.4 无线渠道强化。 当移动站高速移动时,由于移动站周围反射体和散射体的快速相对运动,无线信道的时间变化加剧。 针对高铁等信道时间变化极快的应用场景,目前公网常用的闭环技术需要改进其算法,以适应快速变化的信道环境,才能获得预期的增益。 3.2 关键技术研究为满足高速铁路的无线需求,应开展以下关键技术研究。 3.2.1 无线宽带信道建模。 研究高铁应用下的宽带信道模型,通过理论分析和实测数据对无线宽带信号路径损耗、大规模衰落、多径效应脉冲响应、多普勒扩展等模型进行分析,从而确定高铁环境影响无线宽带通信性能的主要因素为选择有效的无线通信技术提供了依据。 3.2.2 多天线技术。 公网广泛应用的多天线技术包括MIMO、智能天线等技术。 MINO可以通过线性/非常线性预编码实现空间分集或空分复用,从而提高可靠性或容量。 智能天线可以使用波束成形来跟踪指定用户,从而减少干扰并提高系统容量。 因此,有必要研究高速移动环境下的多天线技术,并对现有技术进行改进,使其在高铁下仍能发挥其最优性能。

3.2.3 无线资源管理优化技术。 高速移动环境下的无线资源管理优化技术包括切换优化、资源调度优化、小区干扰协调优化等。 未来,火车的速度会越来越快,小区重叠的时间会越来越短。 因此,需要优化切换算法或网络覆盖方案以保证切换成功。 干扰协调等解决方案应针对高铁通信的流量突发、集中、小区频段等特点。 3.2.4 联网技术。 研究高速移动环境下无线宽带网络的组网技术,涉及车内无线局域网、地面蜂窝网和地面骨干网的共组网,建立端到端的可靠链路,减少用户数据或控制信令在网络中的传输延迟,并充分利用现有的网络基础设施来降低成本。 4 铁路无线通信未来发展方向 铁路无线通信技术必须发展为能够在高移动速度下提供高数据速率的车地宽带通信系统。 由于公网宽带通信系统已经商用部署,铁路无线通信技术向宽带化发展可以借鉴公网的成功经验。 目前,公网移动通信技术主要有三种演进路径:一是WCDMA和TD-SCDMA,均演进至LTE; 二是CDMA2000也以一定方式向LTE演进; WiMAX II。 其中,LTE的支持者最多(爱立信、诺基亚西门子、华为、阿尔卡特朗讯等主要电信设备商)。

不过,中兴通讯和华为已率先推出基于LTE的铁路无线通信系统。 LTE采用了OFDM/FDMA、MIMO、智能天线、LDPC等先进技术,可在20MHZ频谱带宽上提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速度,小区最大覆盖半径可达100Km,特别是采用扁平化IP网络结构,所有业务均在分组域实现,用户面时延降低到5ms以内,控制面时延降低到100ms以内。 LTE系统以其优异的性能,可以满足现有各种宽带业务的需求。 现有的GSM-R系统完全可以沿着公网的演进路径从现在的窄带通信系统演进到LTE甚至更先进的LTE-Advanced。 但考虑到铁路无线通信应用场景的特殊性,铁路无线通信的演进将跨过公网的3.5G、3.75G,直接演进到LTE。 从国际铁路无线通信联盟(UIC)的展望来看,UIC计划跨过3G演进阶段,直接从GSM-R演进到LTE-R。 当然,由于高移动速率和复杂的电磁环境对铁路无线通信的不利影响,LTE系统的性能会大幅下降。 因此,当LTE系统应用于高铁环境时,必须进行改造,将LTE转变为LTE-R,以保证在高速移动速度和复杂电磁环境下仍能提供大容量和稳定的Qos 。 5 结束语 GSM-R数字移动通信系统在许多投入运营的高速铁路中发挥了巨大的作用,但新技术总是有其先进性和优势。 网络演进是不可避免的。 未来铁路无线通信技术将向LTE-R方向发展。参考文献[1]铁道部、交通运输局。 450MHz调度指挥无线传输系统的主要条件(V.4)2005,4。 [2]铁道部。 GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[M]. 北京:中国铁道出版社,2007. [3]钟章秋