鐵路通信中無(wú)線通信系統(tǒng)的探究應(yīng)用

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摘要：當(dāng)前鐵路系統(tǒng)中的無(wú)線通信技術(shù)主要有GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)、LTE系統(tǒng)，本文主要分析了GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)和LTE系統(tǒng)的架構(gòu)及在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GSM-R；LTE技術(shù)；鐵路

引言

當(dāng)前鐵路通信中應(yīng)用的主要無(wú)線通信系統(tǒng)包括GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)、LTE系統(tǒng)，GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)在鐵路無(wú)線通信中的應(yīng)用比較成熟，隨著無(wú)線技術(shù)的不斷發(fā)展出現(xiàn)了LTE系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)在應(yīng)用中具有高效、低時(shí)延、安全性高等優(yōu)勢(shì)，因此，國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）認(rèn)為，LTE系統(tǒng)為下一代鐵路無(wú)線通信技術(shù)。本文主要分析了GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)和LTE系統(tǒng)在鐵路通信中的應(yīng)用。

1GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)及應(yīng)用

GSM-R（GSMforRailway）的中文全稱為鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，這是一種專為鐵路高速環(huán)境下應(yīng)用開(kāi)發(fā)的數(shù)字式無(wú)線通信系統(tǒng)，以GSM蜂窩系統(tǒng)為基礎(chǔ)并加入了調(diào)度通信功能。該通信標(biāo)準(zhǔn)可以將全部的鐵路通信應(yīng)用融合在單一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信及語(yǔ)音通信的相關(guān)功能，如調(diào)度通信、機(jī)車信息傳輸、列尾裝置信息傳輸、區(qū)間移動(dòng)辦公通信、旅客列車移動(dòng)信息服務(wù)等。GSM-R通信體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1?？傮w來(lái)說(shuō)，GSM-R系統(tǒng)包含七個(gè)部分，分別為NSS（網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)）、GPRS（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）、BSS（基站子系統(tǒng)）、FAS（固定用戶接入交換系統(tǒng)）、OMC（運(yùn)行與維護(hù)子系統(tǒng)）、IN（智能網(wǎng)系統(tǒng)）、終端子系統(tǒng)，GSM-R通過(guò)NSS中網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）實(shí)現(xiàn)與其他通信網(wǎng)的信息數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）中的網(wǎng)關(guān)GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的分組域的業(yè)務(wù)互聯(lián)互通。當(dāng)前，GSM-R系統(tǒng)已經(jīng)成為鐵路無(wú)線通信中的主要技術(shù)，承擔(dān)著各種的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音等信息的傳輸業(yè)務(wù)。

2LTE（LongTermEvolution）技術(shù)及應(yīng)用

由于LTE技術(shù)具有安全、高效、便捷等特點(diǎn)，因此，應(yīng)用前景良好，國(guó)際鐵路聯(lián)盟已經(jīng)將LTE系統(tǒng)作為下一代鐵路無(wú)線通信技術(shù)。LTE系統(tǒng)是一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)，具有速率高、系統(tǒng)兼容性優(yōu)良、載波帶寬靈活等特點(diǎn)，當(dāng)前我國(guó)鐵路通信系統(tǒng)中主要應(yīng)用的是TD-LTE制式。

2.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單、扁平，本地用戶服務(wù)器為HSS歸屬用戶服務(wù)器，同時(shí)采用IP多媒體子系統(tǒng)安全傳輸數(shù)據(jù)包。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)由于架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用基站與核心網(wǎng)直接相連的技術(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)部署的設(shè)備量，提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的維護(hù)效率及整體的系統(tǒng)運(yùn)行效率。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1OFDMA技術(shù)OFDMA技術(shù)也就是正交頻分多址接入技術(shù)，該技術(shù)屬于調(diào)制復(fù)用技術(shù)，具有寬帶擴(kuò)展靈活、高頻譜效率等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)該技術(shù)可以對(duì)通信系統(tǒng)寬帶進(jìn)行分類，得到若干個(gè)相互正交的子載波，子載波完成通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的并行傳輸。OFDMA技術(shù)結(jié)合了頻分多址、時(shí)分多址，技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中將高速數(shù)據(jù)流分散到不同的正交子載波上，從而顯著延長(zhǎng)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，降低單個(gè)子載波的符號(hào)效率，抗干擾能力強(qiáng)，最大程度上提高鐵路數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)男阅堋?/p>

2.2.2MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)即利用多接收天線及多發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)的空間分集技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用中采用分立式多天線對(duì)通信鏈路進(jìn)行分解，得到多個(gè)并行的子信道，實(shí)現(xiàn)多根天線的同時(shí)傳輸。MIMO技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸效率較高，最高可以達(dá)到320Mbps，分成上行支持MIMO技術(shù)和下行支持MIMO技術(shù)。LTE系統(tǒng)中的上行支持MIMO技術(shù)中通常采用兩根接收天線和一根發(fā)送天線，形成一個(gè)虛擬環(huán)境下的MIMO系統(tǒng)，一個(gè)終端用戶發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)流，不同終端上的數(shù)據(jù)流可以當(dāng)成來(lái)自同一個(gè)終端不同天線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，最少兩個(gè)數(shù)據(jù)流占有一個(gè)相同的時(shí)頻資源。上行虛擬MIMO系統(tǒng)中包含多個(gè)用戶終端，根據(jù)下行控制的信號(hào)指令在分配的時(shí)頻資源中進(jìn)行導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送。天線的數(shù)據(jù)包編碼方式采用Alamouti的空時(shí)碼，Alamouti編碼中將信號(hào)源分成兩組，每組包括2個(gè)字符。LTE系統(tǒng)中的下行MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間維度的復(fù)用，單用戶模式和多用戶模式空間復(fù)用之后的數(shù)據(jù)流分配不同，單用戶模式數(shù)據(jù)流分配給一個(gè)單獨(dú)用戶，多用戶模式數(shù)據(jù)流分配給多個(gè)用戶。

2.2.3小區(qū)干擾控制技術(shù)小區(qū)間干擾（Inter-CellInterference，ICI）是移動(dòng)通信系統(tǒng)中一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。LTE系統(tǒng)采用OFDMA正交頻分多址接入技術(shù)，采用相同的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，小區(qū)間的干擾比較嚴(yán)重，尤其是邊緣干擾最為嚴(yán)重，因此，LTE中小區(qū)間干擾抑制技術(shù)的應(yīng)用非常重要。LTE系統(tǒng)中干擾抑制技術(shù)目前采用以下三種，一是，干擾隨機(jī)化，這是一種被動(dòng)的對(duì)干擾進(jìn)行控制的技術(shù)，通過(guò)頻率的加擾、交織、跳頻等實(shí)現(xiàn)。二是，干擾抑制，干擾抑制主要是對(duì)空間有色干擾的特性進(jìn)行估計(jì)和抑制，分為空間維度抑制和頻率維度抑制兩種方式。三是，干擾協(xié)調(diào)，這種干擾抑制的方法比較常見(jiàn)，通過(guò)限制小區(qū)邊緣的可用資源實(shí)現(xiàn)。

2.3TD-LTE無(wú)線通信系統(tǒng)在鐵路通信中的應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)的鐵路系統(tǒng)中應(yīng)用的無(wú)線列調(diào)業(yè)務(wù)主要有窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)，LTE通過(guò)VOIP技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)eNB小區(qū)中600位用戶的語(yǔ)音通信任務(wù)。此外，LTE技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)寬帶的集群調(diào)度，和GSM-R的系統(tǒng)相比具有時(shí)延短、容量大的優(yōu)勢(shì)。LTE還支持視頻調(diào)度技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路系統(tǒng)車輛的精確定位，從而提高列車調(diào)度的安全性。列車在運(yùn)行中需要對(duì)列車設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控、進(jìn)行車廂及外部視頻監(jiān)控等，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的傳播通過(guò)TD-LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入單元（TAU），將列車運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫琓D-LTE系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式支持多種專網(wǎng)頻段、滿足列車高速移動(dòng)情況下的數(shù)據(jù)傳輸要求、支持遠(yuǎn)程維護(hù)，適應(yīng)列車內(nèi)車廂內(nèi)的嚴(yán)酷電磁環(huán)境和高溫、濕熱環(huán)境使用要求。LTE網(wǎng)絡(luò)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，安全性高，為鐵路安全數(shù)據(jù)提供可靠性的保證。

3結(jié)束語(yǔ)

鐵路在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中具有非常重要的地位，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的鐵路系統(tǒng)也取得了很多的成就。隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用，鐵路系統(tǒng)將會(huì)為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，鐵路列車運(yùn)行的安全性能也更高。當(dāng)前鐵路無(wú)線通信中，GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，而LTE系統(tǒng)由于安全性、可靠性更高將會(huì)成為鐵路無(wú)線通信的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者：武凝 單位：陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院