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1、基于4G LTE技術(shù)的高速鐵路移動通信系統(tǒng)KS Solanki教授，Kratika ChouhanUjjain工程學(xué)院，印度Madhya Pradesh的Ujjain摘要：隨著時間發(fā)展，高速鐵路（HSR）要求可靠的，安全的列車運行和乘客通信。為了實現(xiàn)這個目標，HSR的系統(tǒng)需要更高的帶寬和更短的響應(yīng)時間，而且HSR的舊技術(shù)需要進行發(fā)展，開發(fā)新技術(shù)，改進現(xiàn)有的架構(gòu)和控制成本。為了滿足這一要求，HSR采用了GSM的演進GSM-R技術(shù)，但它并不能滿足客戶的需求。因此采用了新技術(shù)LTE-R，它提供了更高的帶寬，并且在高速下提供了更高的客戶滿意度。 本文介紹了LTE-R，給出GSM-R與LTE-R之間的比

2、較結(jié)果，并描述了在高速下哪種鐵路移動通信系統(tǒng)更好。關(guān)鍵詞：高速鐵路，LTE，GSM，通信和信令系統(tǒng)一 介紹高速鐵路需要提高對移動通信系統(tǒng)的要求。 隨著這種改進，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和硬件設(shè)備必須適應(yīng)高達500公里/小時的列車速度。HSR還需要快速切換功能。 因此，為了解決這些問題，HSR需要一種名為LTE-R的新技術(shù)，基于LTE-R的HSR提供高數(shù)據(jù)傳輸速率，更高帶寬和低延遲。LTE-R能夠處理日益增長的業(yè)務(wù)量，確保乘客安全并提供實時多媒體信息。 隨著列車速度的不斷提高，可靠的寬帶通信系統(tǒng)對于高鐵移動通信至關(guān)重要。 HSR的應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量 （QOS）測量，包括如數(shù)據(jù)速率，誤碼率（BER）和傳輸延遲。為了實

3、現(xiàn)HSR的運營需求，需要一個能夠與 LTE保持一致的能力的新系統(tǒng)，提供新的業(yè)務(wù)，但仍 能夠與GSM-R長時間共存。 HSR系統(tǒng)選擇合適的無線通信系統(tǒng)時，需要考慮性能，服務(wù)，屬性，頻段和工業(yè)支持等問題。4G LTE系統(tǒng)與第三代（3G）系統(tǒng)相比，它具有簡單的扁平架構(gòu)， 高數(shù)據(jù)速率和低延遲。在LTE的性能和成熟度水平上，LTE- railway（LTE-R）將可能成為下一代HSR通信系統(tǒng)。 二 LTE-R系統(tǒng)描述 考慮LTE-R的頻率和頻譜使用，對為高速鐵路（HSR） 通信提供更高效的數(shù)據(jù)傳輸非常重要。 高鐵是重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，因此需要專門為其分配大量的頻譜塊。 包括歐洲鐵路局（ERA），中國鐵路

4、在內(nèi)的一些行業(yè)機構(gòu)正試圖對高鐵使用的頻譜進行劃分。 目前，盡管在一些國家也使用700-900MHz頻段，但大多數(shù)LTE系統(tǒng)工作在1GHz以上的頻段，例如 1.8,2.1,2.3和2.6GHz。 較高的頻帶提供較大的帶寬，提供較高的數(shù)據(jù)速率，而較低的頻帶對應(yīng)較長的距離。 由于高頻段傳播損耗較大，衰落更嚴重，因此建議 LTE-R小區(qū)的半徑保持小于2km 由于HSR中信噪比（SNR）的嚴格要求，但是這導(dǎo)致頻繁切換和為滿足更高的BS密度而投資更多資金。 因此，450-470 MHz，800MHz和1.4GHz等低頻帶已被廣泛考慮。450-470MHz頻段已經(jīng)被鐵路行業(yè)所采用。 此外，LTE的載波聚合能

5、 力將允許使用不同的頻帶來克服容量問題。圖1（b） 給出了中國450470 MHz頻率的詳細分配12，在該頻帶內(nèi)為LTE-R分配足夠的帶寬是可行的。 在歐洲，UIC的FRMCS希望通過在當前的GSM-R投資基礎(chǔ)之上，重復(fù)使用現(xiàn)有的無線站點。這可以節(jié)省高達80-90的網(wǎng)絡(luò)成本。鐵路也考慮繼續(xù)使用GSM-R無線，因此，1 GHz以下的頻譜劃分在歐洲更具成本效益。但是，頻段的選擇取決于政府政策，因國家而異。 標準 LTE包括演進分組核心（EPC）的核心網(wǎng)絡(luò)和演進通用陸地無線電的無線電接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）。 基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的 EPC支持語音和數(shù)據(jù)到小區(qū)塔的無縫切換，并且每個E-UTRAN

6、小區(qū)將通過高速分組接入（HSPA）支持高數(shù)據(jù)和語音容量。作為HSR下一代通信系統(tǒng)的候選者。LTE-R繼承了LTE的所有重要特性，并提供額外的無 線接入系統(tǒng)與車載設(shè)備（OBU）交換無線信號，與HSR特定需求相匹配。 圖2給出了根據(jù)4的LTE-R的未來架構(gòu)，它表明LTE-R的核心網(wǎng)絡(luò)以后兼容GSM-R。與公眾LTE網(wǎng)絡(luò)相比，LTE-R在架構(gòu)，系統(tǒng)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)布局，業(yè)務(wù)和QoS等方面存在很多差異。列車信息由RBC和機載無線電設(shè)備檢測。這提高了列車跟蹤的準確性和列車調(diào)度的效率。 LTER也可用于為未來的自動駕駛系統(tǒng)提供信息傳輸。表格 GSM-R,LTE,LTE-R 系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)GSM-RLTELTE-R

7、頻率上行：876-880MHz下行：921-925MHz800MHz,1.8GHz,2.6GHz450MHz,800MHz,1.4GHz,1.8GHz帶寬0.2MHz1.4-20MHz1.4-20MHz調(diào)制GMSKQPSK/M-QAM/OFDMQPSK/16-QAM小區(qū)范圍8KM1-5KM4-12KM小區(qū)配置單一部門多部門單一部門峰值數(shù)據(jù)速率,下行/上行172/172Kbps100/50Mbps50/10Mbps峰值頻譜效率0.33bps/Hz16.32bps/Hz2.55bps/Hz數(shù)據(jù)傳輸需要語音呼叫連接分組交換分組交換（UDP 數(shù)據(jù)）分組重傳否（串行數(shù)據(jù)）是（IP數(shù)據(jù)包）簡化（UDP數(shù)據(jù)

8、包）MIMO（多入多出）無2x2,4x42x2流動性最大500km/h最大350km/h最大500km/h切換成功率>99.5%>99.5%>99.9%切換程序硬切換硬/軟切換軟切換：無數(shù)據(jù)丟失所有IP（本地）否是是基于未來HSR通信的QoS要求，LTE-R的優(yōu)選參數(shù)總結(jié)在表1中。請注意，LTE-R的可靠性將超過容量。該網(wǎng)絡(luò)必須能夠在復(fù)雜的鐵路環(huán)境中以500km/h的速度運行。 因此，正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制是優(yōu)選的，并且必須盡可能減少重傳的分組數(shù)量。三 LTE-R服務(wù) HSR通信打算使用一個完善的/現(xiàn)成的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要對某些特定需求的服務(wù)級別定義進行。正如E-Tra

9、in項目6所建議的， LTE-R應(yīng)提供一系列服務(wù)來提高安全性，服務(wù)質(zhì)量和效率。 與GSM-R的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)相比，描述了LTE-R的一些特性。 1) 控制系統(tǒng)的信息傳輸：為了與ETCS-3或中國列車控制系統(tǒng)第4級（CTCS-4）兼容，LTE-R通過無線通信實現(xiàn)控制信息的實時信息傳輸，延遲時間<50 毫秒.當ETCS-2 / CTCS-3中的軌道電路檢測到列車的位置信息時，在ETCS-3 / CTCS-4和LTE-R中，火車的位置信息被RBC和機載無線電設(shè)備檢測到。這提高了列車跟蹤的準確性和列車調(diào)度的效率。LTE-R也可用于為未來的自動駕駛系統(tǒng)提供信息傳輸。 2) 實時監(jiān)控：LTE-R提供前軌道

10、，駕駛室和汽車連接器狀態(tài)的視頻監(jiān)控; 軌道狀況的實時信息監(jiān)測(如溫度和探傷)；對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施(如橋梁和隧道)視頻監(jiān)控以避免自然災(zāi)害；和對交叉軌道的視頻監(jiān)控以檢測低溫下的凍結(jié)。 監(jiān)控信息將與控制中心和高速列車實時共享，延時小于300 毫秒。盡管上述一些監(jiān)視可以通過有線通信進行，但基于無線的LTER系統(tǒng)對部署和維護而言更具成本效益。 3) 培訓(xùn)多媒體調(diào)度：LTE-R為調(diào)度員提供駕駛員和車場的全部調(diào)度信息（包括文本，數(shù)據(jù)，語音，圖像，視頻等），提高調(diào)度效率。它支持豐富的功能，如語音中繼，動態(tài)分組，臨時組 呼，短消息和多媒體消息。 4) 鐵路應(yīng)急通信：當發(fā)生自然災(zāi)害，事故或其他緊急情況時，需要在事故現(xiàn)

11、場和救援中心之間建立即時通信，以提供語音，視頻，數(shù)據(jù)和圖像傳輸。鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)使用鐵路專用網(wǎng) 絡(luò)，以確保與GSM-R相比快速部署和更快的響應(yīng)速度（延遲<100ms）。 5) 鐵路物聯(lián)網(wǎng)（IOT）：LTE-R提供鐵路物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，例如實時查詢和跟蹤火車和貨物。它有助于提高運輸效率并延長服務(wù)范圍。 此外，鐵路物聯(lián)網(wǎng)還可以提高列車的安全性。今天的大多數(shù)列車依靠位于偏遠地區(qū)的軌道交換機。借助IOT和遠程監(jiān)控，可以將交換機的軌道基礎(chǔ)設(shè)施重新轉(zhuǎn)換為電力線，可以自動執(zhí)行許多常規(guī)安全檢查并降低維護成本。 除了之前列出的功能之外，還應(yīng)包括LTE-R的其他一些服務(wù)，例如動態(tài)座位預(yù)留，移動電子票務(wù)和乘客信息的

12、無線互動。 基于UIC，中國鐵路和ERA的技術(shù)報告，圖3總結(jié)了LTE-R未來可能提供的服務(wù)。 值得注意的是，高速列車內(nèi)的乘客的寬帶無線接入不由LTE-R提供因為其帶寬有限。一些針對火車乘客的寬帶無線接入的候選者已經(jīng)被探討過，例 如Wi-Fi，全球微波接入互操作性（WiMAX）， 3G / 4G / 5G，衛(wèi)星通信以及光纖無線電（RoF） 技術(shù)13。 四 LTE-R挑戰(zhàn) 與LTE-R相關(guān)的挑戰(zhàn)有以下幾個。 1) 特定于HSR的場景：在的LTE標準中，提出了HSR的信道模型，其僅包括兩種場景，即開放空間和隧道，并且在兩種場景中都使用非衰落信道模型。 但是，如15所示，HSR的嚴格要求（高速，鐵軌平

13、坦度等）導(dǎo)致許多特定于HSR的環(huán)境，例如高架橋，巖屑和隧道。這些情景中的傳播特性是不同于傳統(tǒng)的蜂窩通信，可能會明顯影響GSM-R 和LTE-R的系統(tǒng)性能。過去，為了描述GSM-R頻帶的HSR信道，進行了一些測量，并且已經(jīng)提出了基于情景的路徑損耗和陰影衰落模型，用于930MHz的GSM-R。 然而，這項工作 仍在進行中，許多科學(xué)問題尚未在LTE-R頻段得到解決，例如傳播損耗，多徑分量（MPC）的幾何分布以及這些HSR特有的二維/三維角度估計環(huán)境。 有必要LTE-R的鏈路預(yù)算和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計開發(fā)一系列信道模型，并且需要廣泛的信道測量。 2) 高機動性：高速列車通常以350公里/小時的速度運行，而LTE-

14、R則支持500公里/小時。高速度導(dǎo)致一系列問題。 首先，高速度導(dǎo)致信道的不平穩(wěn)，因為在短時間段內(nèi)，列車通過MPC發(fā)生顯著變化的大區(qū)域。非平穩(wěn)性的表征特別重要，因為它影響單載波和多載波系統(tǒng)的BER（誤碼率）。 其次， 高速度導(dǎo)致接收頻率的偏移，稱為多普勒頻移。 例如，如果頻率為2.6 GHz，則350km/h的最大多普勒頻移為843 Hz，而10km/h的行人移動速度僅為24 Hz。嚴重的多普勒頻移會導(dǎo)致信號的相移，并可能損害角度調(diào)制信號的接收。 然而， 由于高速列車大多以已知速度沿著預(yù)定線路移動，因此可以通過使用實時記錄的速度和位置信息來跟蹤和補償多普勒頻移。第三，由于高 速，HSR環(huán)境中會出

15、現(xiàn)大的多普勒擴展。 對于 LTE-R（寬帶系統(tǒng)），多普勒擴展通常會導(dǎo)致信號與干擾加噪聲比的損失，并會妨礙載波恢復(fù)和同步。多普勒擴展也是正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)特別關(guān)心的問題，因為它會破壞OFDM子載波的正交性。應(yīng)考慮幾種方法，如頻域均衡和載波間干擾自消除方案18。 3) 延遲擴展：延遲擴散會導(dǎo)致OFDM子載波之間的正交性的丟失，并且應(yīng)該使用稱為循環(huán)前綴 （CP）的特殊類型的保護間隔。延遲彌散決定了所需的CP長度。LTE支持短（4.76毫秒）和長（16.67毫秒）CP方案。對于短CP方案，兩個MPC之間相應(yīng)的最大路徑長度差為1.4公里。 由于鐵路通信的目標是提供線性覆蓋，因此廣泛使用沿軌道具

16、有主瓣的定向BS天線，因此發(fā)射功率集中在窄條形區(qū)域。直觀地說，我們預(yù)計短 CP方案對于LTE-R是足夠的。這主要是因為高速列車主要在（半）郊區(qū)/郊區(qū)環(huán)境中行駛，而在這些環(huán)境中，散射點很少。但是，在一些具有豐富多次反射的特殊環(huán)境中，如巖屑，預(yù)計會出現(xiàn)較大的延遲差異（注意這是需要基于測量的驗證），并應(yīng)使用較長的CP方案。另一個大型延誤傳播的例子發(fā)生在沿著鐵軌19的山區(qū)，特別是在火車進入和離開隧道前后。需要進行更多測量來解決HSR環(huán)境中延遲傳播的現(xiàn)象，并且需要像使用通用LTE一樣根據(jù)環(huán)境調(diào)整CP。 4) 線性覆蓋：在HSR中，使用沿軌道定向天線的線性覆蓋，其中定向BS天線將它們的主瓣沿著軌道定位，以

17、使其功率效率更高。線性覆蓋帶來一些好處，例如，與火車的已知位置相比，可以設(shè)計具有良好性能的基于距離/時間的波束形成算法。然而，值得注意的是，線性覆蓋的鏈路預(yù)算和性能分析與蜂窩系統(tǒng)的環(huán)形小區(qū)不同，例如用于確定覆蓋區(qū)域的百分比。眾所周知，由于陰影衰落的影響，覆蓋區(qū)域內(nèi)的一些位置將具有低于特定閾值的接收信號。計算邊界覆蓋與覆蓋區(qū)總體百分比的關(guān)系對鏈路預(yù)算和整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃非常有用。在圖4中，我們使用基于Hata的鏈路預(yù)算模型比較線性和圓形小區(qū)覆蓋面積百分比，我們可以看到HSR中的線性覆蓋范圍通常具有較高的覆蓋區(qū)域百分比.在設(shè)計LTE-R網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)該仔細考慮這一點，以避免過度部署基站。 5) 稀疏多徑：稀疏

18、多徑信道表示角度延遲多普勒域中可分辨路徑的稀疏分布。例如在高鐵橋和農(nóng)村地區(qū)的一些開放地區(qū)，散布者很少。HSR的線性覆蓋范圍也減少了發(fā)射機/接收機可 以看到的散射體的數(shù)量。在這些環(huán)境中可以有一個稀疏的多路徑通道。但是，支持多輸入多輸出（MIMO）傳輸將成為LTE-R不可分割的一部分。多天線解決方案的性能，如空間分集和空 間復(fù)用，取決于環(huán)境中散射的豐富程度。如果在這些開放區(qū)域HSR信道稀疏，清晰的視線和很少的散射體將導(dǎo)致兩個天線信號之間的強關(guān)聯(lián)，并降低分集和空間復(fù)用增益。有跡象表明，在某些稀疏環(huán)境中，重構(gòu)天線陣列可以提高系統(tǒng)容量。 6) 列車車廂的影響：高速列車通常長度超過200米，由金屬制成。靜

19、態(tài)高速列車充當具有強烈反射的散射體并增加了延遲擴展，而高速列車的動態(tài)特性使通道的非平穩(wěn)性特征顯著增強。 列車的大型金屬車頂也增強了發(fā)射器和接收器附近的反射和散射，并且影響了車頂上的發(fā)射器/接收器天線的樣式。 而且，傳播到高速列車的內(nèi)部會導(dǎo)致大的穿透損失降低了信噪比。 火車車廂內(nèi)的覆蓋范圍可以通過移動繼電器得到改善，類似于小區(qū)接入點。 五 結(jié)論在本文中，我們對LTE-R系統(tǒng)進行了完整描述，其中包括在一定參數(shù)的基礎(chǔ)上比較GSM-R和LTER系統(tǒng)。本文還分析了LTE-R相比GSM-R系統(tǒng)的優(yōu)勢。LTE-R為HSR通信提供不同的服務(wù)，更利于高速通信。對于LTE-R而言，在某些方面也存在一些挑戰(zhàn)，這在本文中已經(jīng)闡述，但是這些對LTE-R的挑戰(zhàn)進一步證明了它將能夠滿足高速鐵路移動通信系統(tǒng)的要求。六 參考1. 高婷婷，