铁路无线通信工程中的LTE—R技术研究

oyukafibeuzek

摘要：当前，铁路交通发展的十分迅猛，传统GSM-R技术的语音和数据功能与列车和乘客数据需求严重不符。现今乘客产生了移动宽带服务要求，并在铁路旅途中利用移动设备完成一些工作或娱乐消遣。因此，在铁路无线通信中顺势产生了LTE-R技术。该项技术可以提供多种宽带服务，确保百兆传输数据能力，最大程度保证了无线网络的准时性。故对其研究拥有一定的实践意义。
关键词：铁路无线通信；LTE-R技术；应用
一、LATE-R技术出现的必然性
（一）带宽业务需求的需要
虽然我国当前已经迅速发展与应用GSM-R技术，但是作为第二代移动通信技术，其电路域数据业务只有400-9600bit/s，数据业务分组域的速率只达到一百多kbit/s，其利用频谱率和数据承载速率也十分低[1]。导致对视频监控承载、视频会议等宽带业务需求逐步增加。
（二）无线宽带服务的需要
由于传统3G通信设备利用频率效率很低，承载服务数据能力十分有限，其数据格式与承载突发式的IP数据业务高度不符。此外，由于语音业务对2G技术进行了有效承载，导致3G技术语言业务与承载数据不能保持高度统一。所以，只有积极改进，3G技术才可以与铁路无线通信要求很好适应。
二、系统性能介绍
（一）网络架构
系统可以有效优化3G网络架构，网络形成扁平化结构，具体包括了接入网与核心网。若干个基站和终端用户设备共同组成了接入网。其中由服务网关、移动管理实体和分组网关共同组成了核心网。LTE的重要接口分别是：eNodeB与核心网SI接口的有效连接，在二者之间完成彼此互联的X2接口；用户向固定系统接口有效接入LTE-Uu接口。
eNodeB具体功能是对移动终端数据信息有效接收，以及管理一部分无线资源。同时还有效地压缩与加密IP，在移动管理实体的选择功能上附着终端用户设备。另外还包括路由、寻呼、广播功能，以及分类标识上传输层数据包。
MME主要功能是对NAS信令的有效管理和安全性。同时MME主要对3GPP接入网络核心网节点之间移动性信令的有效负责，对区列表漫游跟踪管理，在用户面的S-GW和P-GW逐一与用户及PDN终端有效面对，有利于用户科学管理选择、转发路由，以及严控QoS[2]。
S-GW功能具体是在eNodeB对本地与3GPP之间的移动性锚点及时切换，彼此连接2G或3G锚定，分组缓冲下行以及初始化网络，开展移动性管理。其中通过P-GW系统分配IP地址。主要是科学分配上下行传输数据，过滤现有数据包信息以及严控下行速率等。
（二）与GSM-R网络结构比较
二者相比，接入网通过eNodeB替代原来的结构，eNodeB拥有GSM-R系统BSC的无线资源控制、移动性管理；GSM-R系统基站利用BSC才可以与核心网接入，但eNodeB可以与网络路由器直接接入，由此提供较好的兼容性。LTE-R技术指标基本超过现有的GSM-R技术，最大程度提升了移动通信系统的可靠性，确保其高效性。
不同于GSM-R系统，LTE-R系统的核心网属于一个全IP移动网络，这也是两个系统最为明显的区别，包括话音业务在内的全部业务都是在分组域上建立的。在EPC中，IP多媒体子系统相当于核心网移动交转中心性能，也可以对数据包分组业务高效传输。由此了解到，LTE-R网络结构与其他结构对比，产生了大量优点，比如设备数量、网络节点和平滑的网络等，并且部署网络也更加简单。因此，建设投入成本相对低廉。核心网系统复杂程度较低，可以对系统延迟有效降低，提升传输水平，迫切需要降低维护的网络节点数量，更加容易布置网络，便于维护，同时降低出现单点故障的概率，提升了网络稳定性，保证无缝切换移动终端漫游。
三、系统具体应用
（一）为新型传输业务提供支持
LTE-R技术可以有效支撑铁路业务的传输业务。综合来讲，应对以下传输技术有效改进。第一，对铁路场景的上下行配比有效配置。比如在公网技术中，一般选择下行信道对承载业务有效传输。在通信工程中，监测列车与智能感知中都会应用上行信道宽带。所以，凭借灵活的技术可以提高上下行信道寬带分配制度水平，有利于达到上行传输需求。第二，上行链路自适应提高技术。在上行吞吐率上一定程度提高了技术要求，甚至会比LTE技术的传输能力还要高，如此最大程度提高了链路自适应技术的传输能力。第三，安排呼叫与广播语音技术。在HSS网元中增加组呼信息、广播信息。
（二）实现网络结构的优化
LTE-R技术在下行方向研究网络结构，从而更好与铁路无线通信要求相符。首先，在这一通信中需要满足组呼与电话调度等语音要求，主要是由于LTE技术的核心网采取包交换的复用模式，无法对电路交换的语音业务提供有效支持，应在实验室中开展2G语音与TMS回落模块等交换电路域的网元检测。有效连接GSM-R。要想更好的过渡技术，应增加网关设备对系统有效切换。其次，有效连接GSM-R。为了与GSM-R系统实现有效过渡，应增加SGSN网关设备，自由在GSM-R与LTE-R之间完成切换。最后，由于LTE系统分配频点显著比GSM-R系统高，一定程度降低了信号的车体穿透性，同时高阶调制编码传输信号积极增加。为了有效覆盖车内全部用户，应平滑切换系统。
（三）实现切换技术的改进
结合项目实施经验，在小区切换过程中的延时与重叠区有效减小，更好对铁路应用要求高度符合。在铁路应用过程中，缩短切换重叠区有利于组织频率规划，降低系统内部的影响。同时，在铁路项目建设过程中，减小切换时间有利于确保科学传输列尾数据。
四、结束语
本文通过分析铁路无线通信项目中LTE技术的应用情况，为将来构建LTE制式的宽带无线铁路通信网络提供了重要参考，通过介绍这一技术性能以及具体应用状况，有利于完整、有效传输重载列车操控数据，对铁路运能有效优化，推动我国社会经济健康、可持续发展。
参考文献：
[1]滕辉.LTE-R通信系统安全设计与评估技术研究[D].北京：北京交通大学，2015：12-13.
[2]卜爱琴.铁路下一代移动通信技术LTE-R应用的探讨[J].信息通信，2016（2）：174-176.
（作者单位：中铁建电气化局集团南方工程有限公司）