打开文本图片集
摘 要：随着通信技术的发展，传统的GSM-R铁路通信系统越来越不能满足当代高速铁路的通信需求。GSM-R系统正面临着信号稳定性差，抗干扰能力弱以及数据传输安全性的问题。本文通过探讨TD-LTE 制式下的4G技术特点，并分析相关参数，对4G技术运用在高铁通信系统作可行性展望。
关键词：GSM-R系统；高速铁路；4G技术；铁路移动通信
一、引言
GSM-R系统是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。属于专用移动通信的一种，专用于铁路的日常运营管理。它在高级语音呼叫功能和强拆业务的基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。
然而，在经过了全国铁路大提速之后，GSM-R的通信问题开始暴露。特别是当列车时速超过140 km/h后采用GSM信号，会降低通信质量，提高误码率。甚至当服务质量达到最低阈值时，有关的数据将被中断，从而导致列车不必要的停车或减速。
（一）GSM-R通信系统简介
GSM-R采用900MHz工作频段，885MHz～889MHz（移动台发，基站收）、930MHz～934MHz（基站发，移动台收）；共4MHz频率带宽；双工收发频率间隔45MHz，相邻频道间隔为200kHz。共有21个载频。实际可用频道19个。
GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/BSS）和终端设备等四个部分。其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统。GSM-R通信系统结构如图1所示。
图1GSM-R通信系统结构图
（二）GSM-R技术与GSM的区别
在网络设计方面，GSM公众移动通信网的建网目的是在保证用户满意度的前提下，节省网络投资。而专用移动通信网络是保证行业生产的安全可靠性，网络设计不仅要考虑经济效益，还要注重网络安全性、可靠性。
GSM-R与GSM总的区别没有多大，但有一点要明确的是，GSM-R是铁路通信专网，对于安全有很高的要求。而GSM是公网，主要是解决容量和覆盖质量问题。
（三）GSM-R系统的缺点
由于GSM-R采取了和GSM相似的制式，所以存在以下缺陷。
1、系统容量有限。不能从根本上解决目前用户数量急增与频率资源有限之间的矛盾。
2、编码质量不够高。GSM-R系统的编码速度为13 kb/s，这种质量很难达到有线电话的质量水平。
3、终端接入速率有限。GSM-R系统的业务综合能力较高， 能进行数据和话音的综合， 但终端接入速率有限。
4、切换功能较差。GSM-R系统软切换功能较差，因而容易掉话，影响服务质量。
5、漫游能力有限。GSM-R系统还不能实现真正的国际漫游功能。
二、4G技术在高铁通信中的应用
（一）高铁通信面临的挑战
根据未来高铁的发展趋势，高铁覆盖方案应该能满足350km/h以上速度。根据建成后的京津高铁GSM-R专用通信网推断，高铁覆盖方案在最短发车间隔状态下应该满足300名左右旅客的话务量需求，网络接通率超过95%，覆盖率为99.5%。因此高速列车场景的网络覆盖面临以下挑战。
1、车体穿透损耗大。高速列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。
2、多普勒频偏。高速覆盖场景对FDD LTE系统性能影响最大的是多普勒效应。
3、高速影响性能。在UE（用户设备）高速场景下，对切换的性能会有较大的影响。会造成用户的QoS下降甚至掉话。
4、公网和高铁覆盖专网相互影响。专网和公网之间应避免形成空洞和过度重叠覆盖，特别要避免大网站点越过高铁轨道进行覆盖。
（二）4G技术简介
4G指的是第四代移动通信技术，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
不同覆盖面积移动性与速率对比如图2所示。
图2 2g，3g，4g覆盖面积移动性与速率对比
（三）4G技术特点
1、多网络融合。多种无线通信技术系统共存。可以采用多种无线接入方式，比如IEEE802.11，WCDMA， Bluetooth，HyperLAN等。
2、用户容量更大。容量至少为3G系统的10倍。4G系统的频谱效率应当为3G系统的5到10倍。
3、无缝的全球覆盖。用户可在任何时间、任何地点使用无线网络。4G系统应能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游，并实现高速移动中系统间切换和网络互联。
4、带宽更宽。更高的单位信道带宽和频谱传输效率。
5、智能灵活性。用户的无线网络可以通过其他网络扩展其应用业务，自适应地变换不同信道。
6、兼容性。兼容多种制式的通讯协议和终端应用环境，及各种终端硬件设备。4G系统兼容性如图3所示。
图3 4G兼容性示意图
三、LTE高铁覆盖解决方案
针对高铁覆盖所面临的大频偏、频繁切换等技术难点，中兴通讯提供专业的LTE高铁覆盖方案。
1、自适应频偏校正算法。对于列车时速高达300km/h的场景而言，如果频偏跟踪速度太慢，会导致性能严重恶化。自适应频偏校正算法能在基带层面实时检测出当前子帧频率偏移的相关信息，对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正，提升基带性能解调。
2、单小区多RRU级联技术。首创的SDR平台，设备体积小、重量轻，功耗低，环境适应能力强。BBU+RRU技术，可以将多个RRU 组网，利用基带合并技术组合到一个小区内，有利于增加覆盖信号强度。
3、公网和专网的切换原则。要重点考虑公网和专网的切换原则和对应关系，保证公网用户顺利切入高铁专网，并保证离开站台时，避免发生乒乓位置更新。
4G技术运用于高铁通讯系统的模拟图如图4所示。
图4 4G运用于高铁通信系统的模拟图
四、结束语
使用全新的4G技术替代GSM-R可以提供多运营商接入，减少建站成本。铁路沿线部署一套TD-LTE无线回传网络，减少站点投资，同时现低成本快速建网。领先的SDR基站系列产品，支持上行30Mbps和下行100Mbps的传输速率，覆盖广，保障回传网的低成本建网和运营。良好的车内无线通信环境，通信质量得到大幅提升。利用车载台和外置车载天线进行发射和接收，保证了车厢内部信号强度，改善无线通信环境。车厢内部采用泄露线缆进行分布式覆盖，保证无线信号覆盖均匀、稳定。先进的频偏补偿算法支持速度不小于350km/h的频率偏差，能克服大于2000Hz的频偏。优化小区切换、重选参数，简化呼叫、切换流程，优化邻区配置，实现网络的无缝覆盖，保障切换成功率。本文在重点探讨了4G技术的特点和性能后发现，4G通信系统应用于高速铁路通信系统存在理论上的可行性。
参考文献：
[1]王俊莲，网络智能化激活传统固网业务[J].电信技术，2005，（12）：46-50.
[2]徐金利，张进来，王传达.黑龙江铁通固网智能化实施方案[J].铁道通信信号，2008，（03）：12-18.
[3]孟博，李小敏.徐州铁通本地交换网优化方案探讨[J].江苏通信技术，2007，（03）：30-35.