摘 要：阐述了450M无线列调系统及GSM-R系统构成、功能、特点等。分析了当前高速铁路无线通信存在的主要问题，即可用带宽窄、传输速率低、纠错能力弱以及多普勒频移的影响等，结合未来铁路发展需求，分析了当前需要做的一些关键技术研究方向，如宽带信道建模、MIMO技术、高铁场景无线资源管理优化以及新的组网技术等。并结合这些技术发展趋势分析了铁路无线通信系统的演进方向和趋势。
关键词：铁路；无线通信；发展
我国铁路无线通信技术是从上世纪50年代开始。经过几十年的发展，取得了举世瞩目的成就。从传统的单信道模拟通信系统，到现在覆盖全路的GSM-R数字移动通信系统。
无线列车调度系统是从上个世纪50年代开始的，频率为150M和450M的单、双工或单双工兼容的通信系统。进入21世纪，450M无线列调系统在原有的机车、车站电台，调度所调度总机的基础上，开发了调度命令传发器、无线车次号接收解码以及编码器设备，实现了TDCS、调度命令、无线车次号校核等功能。
我国于2000年确定采用GSM-R作为我国铁路无线通信的发展方向，目前我国铁路GSM-R系统已建成大约16个核心网节点，待建3个。但是另一方面，随着高速铁路的不断发展，GSM-R作为一种窄带通信系统，无法满足未来铁路发展对宽带通信的需求，例如列车诊断与维护、视频监控、旅客服务等业务，都需在高速列车与地面之间建立一条宽带数据传输通道。
1 450M无线列调系统及扩展系统
1.1 450M无线列调系统
无线列车调度系统由车站电台、机车电台、铁路区间的弱场中继设备（区间无线中继器、光纤真放站、区间互控电台、漏泄电缆等设备）、手持台、调度总机和检测监视等设备构成。
现有采用A、B、C三种制式，实现了铁路行车指挥系统的“大三角”、“小三角”通信业务。
1.2 扩展业务系统
450M无线列调扩展业务系统是在450M无线列调系统的基础上扩展了TDCS机车编码器以及调度命令接收装置；地面接收解码器以及调度命令无线转发控制器。实现了无线车次号以及调度命令的传送。
1.3 系统特点
450M无线列调系统在系统装备、运行等方面有设备简单、制造容易、成本低廉，目前装备保有量大的特点。但在适应铁路数字化、智能化方面存在如下问题：
设备型号、种类繁多；频率分散，制式不一；技术基础特别是制式落后，功能扩展十分困难；不能组成大网，功能孤立，通话范围有限；大三角通信的实现复杂；数据传输可靠程度低。
2 GSM-R铁路数字移动通信系统
2.1 GSM-R铁路数字移动通信系统
GSM-R是在公网GSM之上，增加铁路调度通信功能和高速环境要素而建立起来的技术体制。系统一般由交换子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行与维护子系统（OMC）、终端子系统、移动智能网子系统（IN）、GPRS等组成。
GSM-R支持高级语音呼叫（ASCI），可以囊括目前各种无线通信系统业务。同时，可以提供货运信息、车载旅客信息服务和其它增值服务。特别是还满足了列车高速运行速度下的传输列控信息的任务。
2.2 系统特点
虽然GSM-R具有安全性与可靠性良好、寻址能力强、功能丰富等突出优点。但属于窄带通信系统，可用带宽只有4MHZ，只能提供9.6kbps的电路域数据传输或者几十个 kbps分组域数据传输。因此容量非常有限。
3 当前铁路无线通信存在的问题及相关关键技术研究
3.1 当前铁路存在的问题
随着高速铁路的发展，对无线通信的功能性要求提出了新的需求，首先是地面系统需及时获取准确的高速列车各类动态数据，实现对列车的视频监控、列车组织以及远程故障诊断与维护等功能，其次车内旅客对无线宽带多媒体与移动互联网的需求迫切。因此需要建立一套传输速率高、时延低、可靠性高、安全性好的车地间无线宽带接入网来承载这些业务。而铁路现有的450M无线列调系统以及 GSM-R远不能满足未来铁路的发展需求。
铁路无线通信向宽带发展是必然的趋势。但GSM-R的应用场景不同于公众网，能够成功应用于公网的无线宽带通信系统应用在高速铁路环境时，会面临许多不利因素。主要有以下几点：
3.1.1 突发性干扰。宽带通信可利用的频谱较宽，获得的传输速率高，受到干扰的可能性也增加。高速铁路的电磁干扰较为复杂，电气化设备繁多，由电气设备产生的各种脉冲干扰和其它电磁干扰将严重影响无线宽带通信系统的性能。
3.1.2 小区切换。在蜂窝移动通信系统中，当处于通信状态的移动终端从一小区移到另一个小区时，当移动终端的速度提高后，假设切换区大小不变，那么移动速度越快则终端穿越切换区的时间越短，以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换过程无法完成，导致掉话。
3.1.3 多普勒扩展。较大的多普勒频移会使接收端下变频后的基带信号产生频偏，引起信号失真。继而影响信道均衡与相关解调的性能，使通信质量恶化，甚至掉话。多普勒频移还会对移动终端的小区切换产生影响，随着频偏增加导致移动终端的邻小区测量性能下降，当频偏增加到一定程度，移运终端对邻小区的测量出现严重偏差，导致切换无法被触发。严重的是，当窄带通信变为宽带通信后，其多径效应会更加明显，当不同径的信号经过不同的反射、折射或者散射路线到达接收端后，每条径的多普勒频移均不同，给信号检测造成极大的困难。
3.1.4 无线信道加剧。在移运台高速移动的情况下，由于移动台周围的反射体和散射体快速相对运动，导致无线信道时变加剧。对于高铁这种信道时变特别快的应用场景，目前公网普遍采用的基于闭环的技术均需对其算法加以改进以适应快速变化的信道环境才能获得预期增益。
3.2 关键技术研究
为满足高速铁路的无线需求，应开展如下关键持术研究。
3.2.1 无线宽带信道建模。研究高速铁路应用下的宽带信道模型，通过理论分析与实测数据，分析无线宽带信号路径损耗、大尺度衰落、多径效应的冲激响应、多普勒扩展等模型，以此确定高铁环境下影响无线宽带通信性能的主要因素，为选择有效的无线通信技术提供依据。
3.2.2 多天线技术。公网中广泛应用的多天线技术包括MIMO、智能天线等技术。MINO通过线性/非常线性预编码可实现空间分集或空分复用，达到提高可靠性或提升容量的目的。智能天线则可以利用波束成形跟踪指定用户，减小干扰并增加系统容量。因此，有必要研究高速移动环境下的多天线技术，对现有技术加以改进，使其能够在高速铁路下仍能够发挥其最优性能。
3.2.3 无线资源管理优化技术。高速移动环境下的无线资源管理优化技术包括切换优化、资源调度优化，小区干扰协调优化等。未来列车的速度越来越快，穿越小区重叠的时间越来越短，因此需要优化切换算法或组网覆盖方案，保证切换成功，（下转第134页）此处，还需要优化资源调度、干扰协调等方案应对高铁通信特有的话务突发性，集中性及小区带状等特点。
3.2.4 组网技术。研究高速移动环境下无线宽带网路的组网技术，涉及车厢内无线局域网、地面蜂窝网络与地面骨干网络的共同组网，建立端到端的可靠链路，降低用户数据或控制信令在网络中的传输时延，并充分利用现有网络基础设施以减小成本。
4 未来铁路无线通信的发展方向
铁路无线通信技术必然要向能够在高移动速度下提供高数据率的车地宽带通信系统演进。由于公网的宽带通信系统已经部署商用，因此铁路无线通信技术向宽带的发展可以借鉴公网的成功经验。
目前，公网移动通信技术的演进路径主要有三条：一是WCDMA和TD-SCDMA，均演进到LTE；二是CDMA2000也通过一定方式演进到LTE；三是802.16m的WiMAX路线，由WiMAX演进到WiMAX II 。这其中LTE拥有最多的支持者（爱立信、诺基亚西门子、华为、阿尔卡特朗讯等主要电信设备商）。然而中兴、华为已经率先推出基于LTE的铁路无线通信系统。
LTE采用了OFDM/FDMA、MIMO、智能天线、LDPC等先进技术，可在20MHZ频谱带宽上提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速度，小区覆盖半径最大可达100Km，特别是采用了扁平化的IP网络结构，全部业务均在分组域实现，并且将用户面时延降低到5ms以下，控制面时延降低到100ms以下。LTE系统以其优秀的性能可以满足现有各种宽带业务的需求。
现有的GSM-R系统完全可以沿着公网的演进路径，从目前的窄带通信系统演进至LTE甚至是更为先进的LTE-Advanced，但是考虑到铁路无线通信应用场景的特殊性，铁路无线通信的演进会跨过公网的3.5G、3.75G，而直接演进到LTE。从国际联盟（UIC）对铁路无线通信的展望，可以看出，UIC计划跨过3G的演进阶段，直接从GSM-R 演进至LTE-R。当然，由于铁路无线通信面临高移动速度与复杂电磁环境的不利影响，会大幅降低LTE系统的性能，因此，当把LTE系统应用于高速铁路环境中，必须对其加以改造，将LTE变为LTE-R，保证在高速移动速度与复杂电磁环境下仍然能提供较大的容量和稳定的Qos.
5 结语
GSM-R数字移动通信系统在许多投入运行的高速铁路上，发挥了巨大的作用，但是新技术总是有其先进性和优势，网络演进是必然，未来铁路无线通信技术将向LTE-R方向发展。
参考文献
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