2022年铁路下一代移动通信技术LTE_R应用的探讨 .pdf

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1、铁路下一代移动通信技术LTE-R 应用的探讨卜爱琴（天津铁道职业技术学院，天津 300240）摘要：LTE-R 是国际铁路联盟 （UIC） 确定的铁路下一代宽带移动通信系统，它具有高速率、 低时延、高移动和高安全性等特点。文章对LTE-R 的系统性能、关键技术、网络结构以及LTE-R 在铁路的业务应用进行了探讨。关键词：GSM-R ； LTE-R； OFDM ； MIMO ； 高阶调制技术； eNodeB； EPC中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1673-1131 （2014） 02-0174-030 引言GSM-R 作为我国铁路移动通信的主流技术，承载着车地之间大量的语音业

2、务和数据业务，包括调度通信、调度命令、车次号校核信息、 列尾信息、列控信息、 机车同步操作控制信息等。目前，我国多条高速和客运专线， 如京津城际、京沪、京广、 津秦、 武广、 郑西、 沪宁、沪杭、 合宁、石太、 合武、甬台温、温福、 福厦等，均建设了 GSM-R 系统。虽然 GSM-R 在我国得到了快速的发展，但 GSM-R 作为第二代移动通信技术，属于窄带通信系统， 频谱利用率较低，其承载的数据速率较低，电路域数据业务一般仅为2 400 9600 bit/s， 分组域数据业务的速率也仅能达到一百多kbit/s。这使得现有的GSM-R 平台承载视频监控、 视频会议、铁路旅客移动信息服务等宽带业

3、务的难度非常大。考虑到未来高速铁路移动通信的总体需求，国际铁路联盟（UIC） 在 2010 年 12月召开的第七届世界高速铁路大会上，明确指出：高速铁路移动通信长期演进采用铁路宽带移动通信系统(LTE-R)技术发展战略。也就是说， 高速铁路通信将从2G 的 GSM-R 技术跨越3G， 直接发展准4G 的 “LTE-R” 技术。1 LTE-R 的系统性能1.1 LTE-R 的主要技术特征LTE-R （Long Term Evolution for Railway） 是 3GPP 为适应高速铁路和运营和业务需求而提出的新的移动宽带接入标准。LTE-R 的主要技术特征有：（1）LTE-R 能够灵活的

4、配置1. 25MHz 到 20MHz 多种带宽， 保证 LTE 网络可提供百兆级别的数据传输能力。（2） LTE-R 在 20M 可变带宽内，支持下行峰值速率100Mbit/s ， 上行峰值速率50Mbit/s ， 对应的频谱效率下行5bit/s/Hz， 上行 2. 5 bit/s/Hz 。（3） LTE-R 采用全 IP 的网络结构， 无论是何种业务， 都是基于 IP 分组交换。（4） LTE-R 通过系统设计和严格的QoS机制， 保证实时业务 （如 VoIP） 的服务质量。（5） LTE-R降低了无线网络的时延。 控制面的时延小于 100ms ；用户面的最小时延可达到5 ms。（6） 支持

5、多种无线接入技术， 如 2G、 3G、 WiMax 、 WiFi ， 互联互通能力强。1.2 LTE-R 的关键技术LTE-R 系统采用 OFDM 技术、MIMO 天线技术及 64QAM调制技术， 使其具有更高的传输速率、更高的频谱利用率、 更低的时延和更高的安全性。1.2.1 OFDM 技术OFDM（正交频分复用） 是一种多载波调制技术。OFDM技术能有效抑制多径时延带来的码间干扰和频率选择性衰落。OFDM 的主要思想是将高速率信息转换成若干个并行的低速率子数据流， 分别调制到正交的子载波上进行传输；接收端用同样数量的子载波对接收信号进行解调，获得低速信息后， 再通过并 /串变换得到原来的高

6、速信号。若子信道的带宽足够小， 则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间干扰可以得到有效的克服。通常在OFDM 符号前加入保护间隔,只要保护间隔大于信道的时延扩展，则可以完全消除符号间干扰。表 1 列出了 LTE-R 与 GSM-R 的技术性能OFDM 是 LTE 空中接口下行链路采用的传输技术。为了降低发射终端的峰均功率比，降低终端成本及功耗， LTE 空中接口上行链路采用单载波-频分复用技术(SC-FDMA )。SC-FDMA具体采用DFT-S-OFDM技术来实现，该技术是在OFDM 的 IFFT 调制之前对信号进行DFT 扩展，这样系统发射的是时域信号， 从而可以避免OFDM 系统发送频

7、域信号带来的 PAPR 问题。1.2.2 MIMO 技术MIMO（多输入多输出） 技术是利用多个天线发射和接收信号来提高信息的传输速率。MIMO 与 OFDM 技术结合能够提高系统性能， OFDM 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道， 减小了多径衰落的影响。而MIMO 技术能够在空间产生独立的并行信道同时传输多路数据流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率，有效地提高了系统的传输速率。因此， 将 MIMO 和 OFDM 两种技术结合， 就能达到两种效果： 一是实现很高的数据传输速率，二是通过分集实现很强的可靠性。LTE 已确定 MIMO 天线个数的基本配置是下行22 、上行 1

8、2 ， 即下行采用双发双收的2*2 天线配置，上行采用单发双收的 1*2 天线配置，但也在考虑下行44的高阶天线配置。1.2.3 高阶数字调制技术为了提高频带利用率，LTE 采用高阶数字调制技术。上行主要采用QPSK 四相相移键控和16QAM 十六进制的正交幅度调制。 下行主要采用QPSK， 16QAM 和 64QAM 。与上行调制方式相比， LTE 在下行增加了64QAM ，以实现系统下行年第期（总第 期）（ ）信 息 通 信INFORMATION& COMMUNICATIONS名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

9、名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 100 Mb/s 的峰值速率。由于系统频谱利用率的提高是以降低系统的抗干扰能力为代价的，因此，为达到相同的误码性能，需要增加归一化信噪比， 设备复杂性和设备成本有所增加。2 LTE-R 的网络结构在宽带移动通信技术LTE-R 中，大量的数据业务需要基于分组域和IP 的网络架构才能实现， 而且需要尽可能简化和最小化引入的接口和协议的种类和数目，另外还需要支持端到端的 QoS 保证等。因此在LTE-R 系统中，网络整体结构被极大地简化， 其架构如图1 所示。它由核心网EPC（EvolvedPack

10、et Core）和无线接入网E-UTRAN 两部分构成。其中E-UTRAN 只包括增强型eNodeB， 核心网 EPC 包括了移动管理实体（MobilityManagement Entity，MME ） 、 服务网关（ServingGateway，S-GW） 和分组数据网关 （PacketData Network Gate-way，P-GW） 。 不同的无线接入系统将都可以连接到EPC 上。图 1 LTE-R 架构示意图图 2 将 GSM-R 系统的网络架构与LTE-R 系统进行了对比。与 GSM-R 相比， LTE-R 的网络架构在用户面上只有两个节点：LTE-R 的基站 eNodeB 和服

11、务网关S-GW，不论是基站控制器（BSC） 还是无线网络控制器 （RNC） 都不再需要，其功能都并入增强型节点eNodeB 中， 切换将在eNodeB 之间直接进行协商和管理； 而 EPC 中包含了各种核心网络实体和网关。在 LTE-R/SAE 中， 大量的数据业务都是基于PS 域和 IP 的网络架构， LTE-R 的扁平化结构减少了节点和接口的数量以及多界面引起的信号和路径选择的复杂度，提高了实时性。图 2 GSM-R 系统与 LTE-R 系统对比示意图3 LTE-R 的业务应用展望LTE作为准 4G 的移动通信技术，目前已在公网推广应用。LTE 技术的不断成熟也为LTE-R 系统在铁路的业

12、务应用提供了有力的保证。3.1 提供 GSM-R 系统的业务LTE-R 系统作为 GSM-R 的长期演进项目， 除能提供目前GSM-R 系统的所有铁路业务应用， 如列控信息、机车同步操作控制信息、 调车机车信号和监控信息、调度指挥信息、 列尾信息、区间移动工务信息、 应急指挥信息等。LTE-R 的低时延，使其传送列控信息的实时性更高，更能保证列车的运行安全，此外，LTE-R的宽带宽特性，使其不仅可以实现调度语音通信，还能实现可视的图像传输，即实现多媒体调度通信。3.2 列车视频监控业务LTE-R 作为宽带的无线通信系统，不仅可以实现本地之间的语音和数据信息的传送，还可以完成视频监控信息的传送。

13、 列车视频监控信息是实现列车安全管理的重要辅助手段，通过车 -地之间的视频传输， LTE-R 可实现对列车运行状态、 机车、 车箱等重点区域的监控， 并将视频监控信息实时传到地面监控中心， 使地面工作人员了解列车和车厢状况；同时，也可将地面沿线设施和铁路道口视频监控传送给司机，使其了解铁路运行线路情况并做出决定，以提升铁路运营的安全性。3.3 列车运行状态监控业务列车运行安全监控系统是确保列车运行安全的重要手段。LTE-R 通过布设于列车的各类传感器，实现对运行中列车的供电、空调、电源、车门、火灾、轴温、 制动系统、转向架等关键部件进行实时监测、 诊断和报警，保证地面监测中心对列车的运行状态监

14、控，为高速列车的安全运营及高效检修提供技术保障。3.4 列车追踪接近预警列车追踪接近预警系统是同一线路上前后列车距离达到接近预警距离发出报警并提示司机采取相应的措施的一种安全保障机制。 利用 LTE-R 网络， 它可实现列车追踪接近预警、列车防护报警等业务功能。3.5 旅客移动信息服务随着移动通信技术的飞速发展，旅客对无线通信服务的需求无处不在。目前GSM-R 系统还没有开通旅客信息服务业务。列车上旅客的无线通信是由公用网络提供的。随着列车运行速度的提高，公用网络很难为旅客提供高服务质量（QoS） 的随时随地的宽带接入服务。利用 LTE-R 的高速率、 低时延和高移动性可为列车上旅客提供移动信

15、息服务，如网络游戏、 网上聊天、 在线电影等上网娱乐，以帮助旅客愉快度过列车旅行；提供列车运行时刻查询等铁路相关的信息服务； 提供移动售票， 满足旅客进行客票的查询、订票和购票的需求， 从而提升铁路系统的总体服务质量； 为旅客互联网接入服务， 方便旅客使用具有Wi-Fi 功能的设备接入互联网， 满足旅客网上冲浪、 VoIP 话音通信、即时通信等需求。4 LTE-R 的发展进程随着我国高速铁路的快速发展，也随着公网移动通信GSM 由 2G 向 3G、 4G 方向发展， GSM 最终将淡出舞台。基于 GSM 技术的 GSM-R 系统向铁路宽带移动通信技术LTE-R 演进已成为必然。 根据 UIC

16、提出的向 LTE-R 演进步骤的设想，现阶段 GSM-R 仍然是铁路移动通信业务的承载平台，而LTE/SAE 系统处于研究、 试验之中。未来5 10 年内 GSM-R 系统将与 LTE-R 系统并存，GSM-R 网络主要负责与传递和列车运行安全紧密相关的列控业务等，LTE-R 负责与非安全数据相关的业务。再利用大约10 年时间，将大力发展LTE-R系统，越来越多的业务会转由LTE-R 网络承载。直到最后全部业务都由LTE-R 网络承载， 完全实现 GSM-R 向 LTE-R 系统演进。信息通信卜爱琴：铁路下一代移动通信技术LTE-R 应用的探讨名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -

17、- - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 40G/100G 系统对干线光缆维护带来的挑战危楚清（中国电信股份有限公司湖北传输局，湖北 武汉 430030）摘要：阐述了影响40G、 100G 波分系统对干线光缆维护的影响因素，并针对这些因素提出了解决的技术方案。关键词：40G； 100G； 干线光缆维护； 挑战中图分类号：TN929.1文献标识码：A文章编号：1673-1131 （2014） 02-0176-020 引言随着宽带网络建设不断推进， 移动互联网、云计算 /数据

18、中心、 视频等多种应用蓬勃发展， 网络带宽和流量需求不断增长，尤其是移动互联网流量的爆发式增长，对宽带传送需求不断提升。带宽容量需求的剧增势必影响骨干网整体的建设，对于现有网络的持续扩容并不能完全满足网络需求，向更高40G/100G 速率跨越已成为业界的共识。传送网络是支撑中国电信深化转型、做 “智能管道主导者 ”的 物质 基 础。面 对 40G/100G 系 统 的 应用，有必要 研 究40G/100G 系统对干线光缆维护带来的挑战，适当优化、调整干线维护的一些模式和方法，从而更好地支撑数据网的业务发展。1 40G 系统对干线光缆维护的挑战与 10G 系统相比， 40G 波分系统有如下限制：

19、信噪比（OSNR） 劣化 4 倍 （6dB） ； 色度色散（CD） 容限降低 16 倍； 偏振模色散（PMD） 劣化 4 倍， 非线性效应变得更加明显。 由于 40G系统对 CD、 PMD 的高要求， 40G系统开通以后， 给我省干线光缆网络维护带来了一些挑战，下面从工程建设、 网络维护等方面具体介绍。1.1 工程建设1.1.1 工程查勘（1） 由于 40G DWDM 系统对 PMD 要求较高，原本在 10G系统中并不需要太关注的PMD， 由于差分群时延 （DGD） 容限的降低，使得在设计时必须考虑PMD 对于 WDM 系统性能的影响。偏振模色散 (PMD)源于光纤的双折射， 使得信号的不同偏

20、振态分量产生了离散效应。PMD 效应用平均 DGD 来衡量，DGD 容限与信号传输速率相关， 40Gb/s的 DGD 容限很小，例如采用 DQPSK 编码格式的平均DGD 只有 6ps。所以在 40G工程测试项目中，除 CD 的测试外， 还增加了 PMD 的测试要求。（2） 受外应力和温度影响， PMD 会有所变化，由于架空光缆的 PMD 不稳定，而 PMD 补偿的技术难度和成本均较高，因此在承载 40G 波分系统的光缆的选择上，尽量避免运用架空光缆。（3） 由于 40G 系统的 OSNR 指标要求较为严格， 40G系统的中继段衰耗估算时， 除光缆线路损耗外， 还需要考虑活动连接器的衰耗、尾纤

21、衰耗等，应留有足够余地。G. 652 光纤在1550nm 窗口的衰耗系数一般为0.25dB/km 左右，考虑到光接头、 光纤冗余度等因素， 典型链路值为0.275dB/km 。1案例一：某 40G 波分系统 A 站-B 站-C 站为一个中继段，线路参数如图1 所示。如图 1 所示： A 站、 C 站为波分设备站， B 站为光跳纤站。该波分系统A-C 按照 18.80dB 进行设计， 没有考虑活动连接器的衰耗、尾纤衰耗，导致该 40G波分系统中继段调测遇到困难。 （A-C 要经过 4 个活动连接器、 4 根尾纤，每个活动连接器和 尾 纤 均 应 取 值0.5dB）正 确 的 设 计 思 路 是：

22、 0.275dB/km*85.53km=23.52 dB。 如果按照 23.52dB 中继段衰耗进行设计， 预计该 40G 波分系统中继段调测会比较顺利。图 1 某 40G 波分系统线路参数（4） 系统光功率调整应能满足波道满配要求。40G 系统初期往往只开通部分波道，后期再根据业务需求扩容。在工程查勘阶段应要求系统光功率调整应能满足波道满配要求，确保后期能够平滑扩容。1.1.2 工程初验（1）确保系统 OSNR 满足验收指标并留有余量。具体指标如表 1 所示。2表 1 40G 波分系统 OSNR 验收指标（2）确保线路衰耗维护余量满足规范要求。工程设计要求为（L 为光缆长度，单位： km）

23、： 当 L=75 时， 余量取 3dB； 当75L125， 余量取 5dB。3验收时，应保证40G 波分系统收端VOA 值应大于光缆余量+VOA 固定损耗。例如， 华为 VOA 的固定插入损耗为1dB， 该中继段的光缆长度小于75 公里，则验收时收端VOA 应大于4dB。 案例二：某 40G 波分中继段收端VOA 值为 3dB， 导致该中继段可调整的衰耗余量仅为2dB， 给后期的网络维护、 光保参考文献：1葛淑云 . 基于 LTE 制式的铁路宽带业务应用与关键技术研究 J.铁路通信信号工程技术,2013 （2）2钟章队 . GSM_R 技术在我国铁路的研究与创新J.铁路技术创新 ,2011 （2）3夏云琦 .铁路无线通信技术向LTE_R 的演进 J.北京：中国铁路 ,2012 （8）4何华武 .高速铁路运行安全检测监测与监控技术J.北京：中国铁路 ,2013 （3）作者简介：卜爱琴（1964-） ， 女， 天津市人，副教授，从事通信专业的教学工作名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -