对中国铁路移动通信系统演进的认识.docx
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对中国铁路移动通信系统演进的认识
对中国铁路移动通信系统演进的认识
随着高速铁路的发展,高速铁路车地之间以乘客为主体的宽带数据业务也逐渐成为高速铁路宽带无线接人的主要业务,而目前我国高速铁路宽带无线网络建设已经明显滞后。
本文从系统的需求出发,研究了几种宽带无线接入技术。
LTE技术是目前车地间宽带无线通信系统建设方案中比较理想的技术,结合车载宽带接入系统,既能提供安全、可靠的车地间宽带无线通信,又是今后车地宽带无线通信发展的方向,同时还符合目前国际铁路联盟确定的GSM-R向LTE-R的基本演进策略和步骤。
中国铁路;移动通信;宽带接入;车地通信;LTE
Summary:
Withthedevelopmentofhigh-speedrailway,thetrain-waysidebroadbanddateservicesbasedonpassengersisbecomingthemainpartofhigh-speedrailwaybroadbandwirelessaccessbusinesses.NowtheLTEtechnologyisanidealtechnologyforthetrain-waysidebroadbandwirelesscommunication.Itnotonlycanprovidethesafeandreliabletrain-waysidebroadbandwirelesscommunication,butalsobethedirectionofthedevelopmentofthetrain-waysidebroadbandwirelesscommunication.Atthesametime,ittallieswiththegradualtacticsandprocedurefromtheGSM-RtoLTE-RdefinedbytheInternationalUnionofRailways.
Keyword:
ChinaRailway;MobileCommunication;broadbandwirelessaccess;train-waysidecommunication;LTE
1.概述
我国的铁路事业正在以高速铁路的建设为核心稳步向前发展,目前我国的高速铁路运营里程已经居世界首位。
根据调整后的《中长期铁路网规划》,到20__年,中国高速铁路运营里程将达到1.9万公里,到20__年,中国铁路营业里程将达到12万公里以上,快速客运网基本覆盖中国省会及50万以上人口城市。
同时,随着各种社交网络平台、移动多媒体技术的发展,铁路乘客对于宽带网络的需求越来越强烈。
然而,在高速移动场景下(速度不低于300km/h),移动通信技术存在未能满足用户实际业务需求的情况。
归根到底是由于高速铁路的特点给移动通信所带来的巨大挑战,这些挑战包括:
[1][2]
(1)由于高速移动带来的多普勒效应,造成接收成功率或吞吐率下降;
(2)由于高速列车独特的车体材料及设计带来信号的穿透损耗,接收信号场强大幅下降;
(3)用户多,需要的网络带宽大,以CRH5型高速16节编组列车为例,其满员人数为1244人,高速移动终端用户集中分布在车内,且随着列车同步高速运动,用户的切换、小区重选等行为都非常集中,无线网络资源的使用呈突发性;
(4)高速移动使用户经过一个小区的时间往往很短,信令、业务时延对用户在无线网络中的移动性能影响很大;短时间内频繁的小区间切换、重选等。
(5)高速移动用户呈链型带状分布。
2.铁路移动通信发展现状
2.1专用移动通信
目前我国的铁路专用移动通信采用450MHz无线列调系统,并在逐步向900MHzGSM-R数字移动通信系统过渡。
根据工信部无[20__]157号文件要求,450MHz~470MHz将作为IMT业务未来使用频段而收回,“对于铁路、公安、人防等部门及其他有设台手续的用户,应积极引导其使用公众对讲机频点或其他符合规划的对讲机频段”。
因此,中国铁路移动通信系统将在近期完成向GSM-R数字移动通信系统的过渡。
目前的GSM-R数字移动通信系统能够完成列车无线调度通信,区间、站场、公务移动通信,应急语音通信,机车监测等业务。
基于GSM-R数字移动通信系统完成的CTCS-3级列控系统功能,实现武广、郑西、京沪等高速铁路的成功开通、运营,铁路移动通信在铁路运输中发挥着越来越重要的作用。
同时,我国在国际GSM-R标准的基础上增加了一些特殊应用,如利用通用分组无线业务(GPRS)网络实现调度命令和车次号无线传送等业务,与有线调度通信系统互联,实现有线、无线通信相统一的调度通信等业务。
但是随着铁路运输的发展及高速铁路的大规模建设,对车地宽带通信也提出更高的要求,而GSM-R作为一种窄带移动通信,无法满足铁路未来发展对铁路车地宽带通信的需求,因此,现在的铁路移动通信还需要发展及演进。
[3]
2.2公众移动通信
铁路乘客主要依靠三大运营商的既有无线网络来提供语音和数据业务服务,目前各大运营商已经在部分铁路沿线的公众移动通信弱场区设置了补充覆盖设施,如隧道内、复杂地形地区等。
依靠直放站、分布式基站和漏泄电缆、天线等设备,提高了乘客们的使用便利度。
但是不同运营商的网络分布、网络成熟度以及技术特点不同,对多普勒效应的敏感程度不同,故而对高速移动的用户服务质量有所不同。
一般情况下,当列车在250km/h以下速度运行时,受多普勒效应的影响较小,网络的通话、短信业务不太受影响;当列车在250km/h以上速度运行时,受多普勒效应的影响较大,接通率大幅降低,掉话率大幅增加,无线信号质量下降,移动终端脱网情况严重、数据业务基本不能实现。
同时,高速铁路客车还要面临频繁切换、切换区域不够以及车体损耗大等影响移动通信网络正常使用的因素。
3.铁路移动通信系统的演进
未来高速铁路专有业务有着巨大的潜在需求,为满足铁路应用需求的增长,同时铁路业务的通信也有极高的安全性要求。
因此,铁路业务不应由公网承载,而应建设铁路专用的高速宽带无线通信网。
我国当前使用的GSM-R数字移动通信系统已经在欧洲等国家和地区得到了广泛使用,但是该系统的传输带宽仅有270kbps左右,受限于无线链路速率,车载设备与地面设备之间缺乏有效的数据沟通媒介,一些车地之间的数据业务难以开展。
因此需要部署更先进的铁路无线通信网,提供车载与地面端的可靠宽带通信通道。
目前有4种宽带无线接入技术,即WIFI(WirelessFidelity)、WiMAX、3G(3rdGeneration)和LTE技术。
3.1WIFI技术
WIFI即无线保真,又称WLAN。
WLAN标准主要包括802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等。
802.11a采用5GHz的频段,其速率最高达54Mbps,采用OFDM(正交频分复用)技术,无障碍的接入距离为30~50m;802.11b采用2.4GHz的频段,可支持11Mbps的共享接入速率,覆盖范围100m;802.11g其实是一种混合标准,既能适应802.11a标准,又符合802.11b标准,其速率最高达54Mbps,它比802.11b速率快5倍,并和802.11b兼容。
802.11n计划将WLAN的传输速率由54Mbps增加至108Mbps以上,最高速率可达320Mbps。
3.2WiMAX技术
WiMAX即全球微波互联接入。
WiMAX系统主要有两个技术标准,满足固定宽带无线接入的WiMAX802.16d标准,满足固定和移动的宽带无线接入技术WiMAX802.16e标准,可以实现用户在车速移动状态下的宽带接入并接入IP核心网,主要面向用户提供宽带数据业务,也可以提供语音业务。
WiMAX的技术特点是能够实现50km的无线信号传输距离;能够提供最高75Mbps接入速度;支持250km/h移动业务;能够提供电信级的多媒体通信服务。
3.33G技术
3G第三代移动通信,国际电信联盟(ITU)在2000年5月确定的无线接口标准,但是国际铁路联盟(UIC)已经明确表示目前的3G技术不适用于铁路。
3.4LTE技术
LTE长期演进,也被通俗的称为3.9G,被视作从3G向4G演进的主流技术。
LTE峰值速率下行达到100Mbps,上行50Mbps。
改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟;支持100km半径的小区覆盖;能够为350km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务。
3.5分析比较
(1)WIFI技术频率资源紧张、移动性差、覆盖半径小。
(2)WiMAX技术存在很多优势,但是从标准来讲WiMax技术是不能支持用户在移动过程中无缝切换。
WiMAX阵营把解决这个问题的希望寄托于未来的802.16m标准上,而16m的进展情况还存在不确定因素。
(下转封三)(上接第144页)
(3)3G技术并不适用于铁路。
(4)LTE技术是目前比较理想的技术,既能满足宽带无线通信安全性、可靠的要求,又能满足无线通信的平滑演进策略。
UIC认为,已安装的GSM-R系统可以强化其应用,同时铁路部门也应大胆创新,向LTE-R演进是GSM-R发展的必然趋势。
LTE能够提供简单、高效、低时延、低造价的网络,同时可以提供安全的话音和数据业务。
另外,LTE基于全IP的网络架构,允许电信运营商和铁路运营商共同开发统一的车—地通信系统,并重用已部署的站点和设备,节省投资成本。
目前,UIC正在积极研究GSM-R向LTE-R的演进标准,确保GSM-R的生命周期随电信技术的不断发展而获得延长。
LTE网络在铁路上的应用有以下几个方向:
(1)LTE宏基站覆盖
依然沿用现有移动通信覆盖方案,基站采用传统建设方式,铁路专用移动通信与公众通信分开建设管理,与低速场景合为一体统一地由室外宏蜂窝大网提供覆盖。
对于高速铁路,此种建设方式需考虑高速移动的列车所产生的严重多普勒频移现象,优化频移计算方式,同时还需保证足够的切换时间,即覆盖重叠区长度能够满足用户成功完成切换。
对于现有300公里时速的高速列车,需要保证6秒的切换时间及另外6秒备用切换时间,即12秒覆盖重叠区,长度约为1000m;对于350公里时速的高速列车,则需要1167m。
另外,LTE基站的覆盖范围较小,高速移动的列车会导致频繁的小区切换,降低用户的使用便利度,同时,动车组车体的穿透损耗很大,普遍大于25dB,进一步降低了车内的信号质量。
(2)LTE分布式基站覆盖
通过分布式基站拓展小区的覆盖区域,此种建设方式能够改善高速铁路列车的频繁切换问题,而且能够保证足够的覆盖重叠区,但是同样需要面对强烈的多普勒频移、动车组车体穿透损耗大的问题。
同时,为了降低建设成本及防止重复建设,需要合并各大运营商的网络,采用统一的分布式基站覆盖铁路沿线,设备的建设出资及后期管理需要各大运营商以及铁路管理方进行沟通确定。
(3)车载LTE微基站覆盖
采用车载微基站的方式,通过车地回传系统,在列车内部实现独立的移动通信网络覆盖,为旅客提供多种无线网络的覆盖。
在地面端,整合各大运营商以及铁路专用通信网络制式的基站,建立统一的车地通信基站。
在列车端,设置车载综合接入系统,整合多制式基站、视频监控、电视转播、WIFI及宽带接入功能,能够支持各种无线接入方式和提供车厢内各种信息化服务功能。
车地回传系统主要完成车地之问的无线高速宽带回传,还可为行车安全及其它旅客信息化服务提供车地问的宽带接入功能。
最后,通过地面综合网关将各大运营商、铁路专用网络及其他网络整合,与列车建立高效的宽带接入通道。
这就解决了高速铁路场景下多普勒频偏、移动性管理、网络容量受限及车厢穿透损耗等问题,有效提升高速移动场景下终端用户的业务体验;还可实现资源共建共享、节约投资、节约能源。
此种建设方式很好地解决了动车组列车车体损耗大、频繁的小区切换、重叠区的设计、强烈的多普勒频移特殊场景的网络覆盖问题,使用专网覆盖。
但是同样,设备的建设出资及后期管理需要各大运营商以及铁路管理方进行沟通确定。
4.认识
随着高速铁路的发展,高速铁路车地之间以乘客为主体的宽带数据业务也逐渐成为高速铁路宽带无线接人的主要业务,而目前我国高速铁路宽带无线网络建设已经明显滞后。
本文从系统的需求出发,研究了几种宽带无线接入技术。
LTE技术是目前车地间宽带无线通信系统建设方案中比较理想的技术,结合车载宽带接入系统,既能提供安全、可靠的车地间宽带无线通信,又是今后车地宽带无线通信发展的方向,同时还符合目前国际铁路联盟确定的GSM-R向LTE-R的基本演进策略和步骤。
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