Lanzhou Jiaotong University，Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control Ministry of Education Liu Jianqiang
【摘要】随着我国高速铁路的快速发展，原有的GSM-R铁路专用通信系统在很多方面已经无法满足需求。本文从GSM-R的主要功能及面临的问题出发，提出了对LTE-R的技术特点及发展情况。
【关键词】高铁通信;GSM-R;LTE-R;趋向
Abstract：With the rapid development of China"s high-speed rail，the original GSM-R railway communication system in many ways has been unable to meet the demand.In this paper，the problem of the main functions of GSM-R and faces，this paper presents the technical characteristics and the development of LTE-R"s.
Keywords：High Speed;Rail Communications;GSM-R;LTE-R;Trend
1.引言
铁道部在20世纪初将GSM-R系统作为我国发展铁路移动通信网络的一个主要发展方向，到目前为止，它成为我国铁路运营商采用最广泛的铁路通信语言。
虽然，GSM-R移动通信系统在我国大面积普及，但是此系统带宽太窄，频谱利用较低，已经无法满足未来高速铁路的通信需求。因此建立一个功能更加完善，技术构成更加先进的铁路通信网被提上了议程。考虑到未来高速铁路移动通信的总体需求，国际铁路联盟（UIC）在2010年l2月召开的第七届世界高速铁路大会上，明确指出：高速铁路移动通信长期演进采用铁路宽带移动通信系统（LTE-R）技术发展战略[1]。我国高速铁路通信也将跟随世界脚步，从2G的GSM-R直接跨越到4G的LTE—R通信。
2.GSM—R无线通信系统的主要功能及面临的问题
2.1 GSM—R无线通信系统的主要功能
对于铁路而言，可靠高效的铁路专用通信系统是铁路发展的前提，在分析了世界铁路技术装备现状和发展趋势，且结合中国铁路运输实际情况和需要的基础上，铁道部在20世纪初期确定了GSM-R系统作为我国发展铁路综合数字移动通信网络的一个主要技术体制。
现有的GSM-R无线通信系统是传统铁路450MHz无线列调系统的更新换代产品。GSM-R无线通信系统包含有调度通信、铁路紧急救援移动通信、高速数字通信、自动列车控制（CTCS）、平面调车、远程控制、轨道维护移动服务、尾部风压检测、区间移动通信、旅客列车综合移动信息服务等主要功能，它既能够满足调车编组作业、车地通信等语音通信的需求，也支持列车调度、列车控制等运营作业，进一步保障了铁路的运行安全。
2.2 GSM—R无线通信系统面临的新问题
尽管GSM-R无线通信系统在国外被广泛的应用，然而在引进我国之后就要面对我国铁路速度快、密度高、电磁干扰严重以及列车运行环境错综复杂等问题，而且GSM的无线通信容量小、带宽窄以及技术制式自身的限制，使得GSM-R通信系统作为我国最主要铁路通信系统面临着很多的挑战。
20世纪初到现在的研究以及在铁路上的应用情况表明，GSM-R通信系统存在以下几方面的问题：
（1）系统对车地通信的适应性的优化不够完善。GSM-R无线通信网络呈区域覆盖包括大区制和小区制。大区制覆盖容易受山丘、树林和建筑物阴影影响;小区制存在同频道干扰、越区切换难度大、建网成本高等缺点。当列车高速通过大区制信号不好的范围或在小区制进行越区切换时，都容易造成通信中断或通信质量降低等不良后果。
（2）系统的抗干扰能力还需要进一步加强。有关统计显示，在使用GSM-R无线通信系统的一些线路上，多趟列车因信号系统自动防护功能作用而产生紧急制动，列车再次起动后只能维持低速运行。造成此事件的原因是GSM-R无线通信信号受到来自外界不明因素的干扰，导致系统自动产生安全保护。经证实广播电台、航空通信系统以及电磁波等都会对铁路通信系统造成干扰。因此，必须通过技术的改进来保证列车的高效、安全运行。
（3）进一步完善我国GSM-R标准体系。UIC制定的GSM-R技术规范分别从功能和性能角度规定了：综述、网络需求（业务）、网络配置（覆盖、网络选择、对呼叫建立时间的需求、广播呼叫和组呼区域）、移动设备核心规范、机车台、通用电台、运营电台、调度台、值班员设备规范、编号方案、用户管理、功能编号和与位置有关的寻址、文本消息、铁路紧急呼叫、调车作业模式、直通模式15个方面的内容[2]。但是，我国铁路环境复杂、列车繁忙程度远远大于世界水平以及GSM-R监测系统很少，这些都要求我国的GSM-R技术规范要在UIC规定的规范的基础进行改进以符合自身国情。
（4）系统的安全性应进一步提高。无线通信网络中存在各种不安全因素，如无线窃听、身份假冒、篡改数据和服务后抵赖等等[3]。GSM-R铁路通信系统是基于无线网络的，因此也存在上述的不安全因素。GSM-R的关键设备包括MSC（移动业务交换中心）、BSC （基站控制器）等，它的可靠性和安全性影响着整个铁路运输。然而，目前国内GSM-R无线通信系统基本都采用电路交换，MSC发生故障，会影响一个铁路局的列车运行，而BSC发生故障，则会影响范围内所有列车的运行秩序。因此，要提高MSC、BSC等关键设备的安全性和稳定性，以保证整个系统的安全可靠。
（5）提高系统运营管理水平。虽然GSM-R在国外稳定运行很多年，但是引入我国的时间并不长，再加上我国复杂的铁路运营环境，对系统管理人员的能力提出了更高的要求。对此，在以后的铁路运营过程中，必须要根据我国铁路的实时情况对管理人员提出不同的要求
（6）系统传输、交换视频信息能力不足。GSM-R是基于2G标准的无线通信网络，通信容量小，上下行频段分别为885～889MHz、930～934MHz，同时带宽窄仅为4MHz，无法满足未来信息传输容量大、速度快等要求，用来传输铁路上大量的动态实时视频略显不足。
3.高速铁路无线通信系统的发展方向
由于GSM-R无线通信系统不能完全满足高速列车的运行安全，世界各国都开始进行下一代无线通信网络的研究。将3G无线网引入高速铁路的GSMR-C通信系统是下一代铁路无线通信系统的规划内容之一。GSMR-C的软切换等技术和原本的GSM-R系统互补，提高了切换速度，可以进一步保障铁路通信系统安全可靠的运行。但是，国际铁路联盟（UIC）已经明确表示，GSM-R无线通信系统将直接过渡到大容量、高带宽、多功能的LTE-R专用宽带移动通信系统。第七届世界高速铁路大会之后我国明确表示将直接升级到LTE-R专用宽带移动通信系统。
4.LTE—R铁路专用通信系统的技术特点
（1）以OFDM和MIMO为技术核心，提高了通信速率和频谱效率，在20MHz带宽内能达到的上下行峰值速率分别为100Mbit/s和50Mbit/s，对应的上下行频谱效率分别为5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz。
（2）系统部署灵活，可支持成对或非成对频谱，在1.25MHz和20MHz的带宽内，提供多种配置。
（3）降低了系统延迟，用户平面时延低于5ms，控制平面时延低于100ms。
（4）能改善小区边缘用户性能，提高小区容量，可支持半径100km的小区覆盖。
（5）很好的向下兼容性，能与2G、3G体系协同运作。
5.LTE—R移动通信系统的发展
2009年3月，LTE进入了研发的实质性阶段，其标志是R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE两个标准的确定。这个版本的LTE是一种“准4G”标准，它以OFDM（正交频分复用技术）、MIMO（多入多出技术）等先进的基于物理层的技术为核心，对3G标准的接口技术和传输技术进行了改进和增强，其下行速率最高可达326Mbit/s;它支持频分复用技术（FDD）和时分复用技术（TDD），支持速度最高可达500km/h。近期，很多国家开始推行R10版本的LTE标准，R10是R8的增强版，理论上峰值速度分别为上行500Mbit/s、下行1Gbit/s，因此，人们叫它LTE-A（LTE-Advanced），也就是所谓的4G技术。
2010年12月，在第七届世界高速铁路大会上，我国明确提出从GSM-R直接过渡到LTE-R铁路移动通信系统，2011年6月，“基于TD-LTE的高速铁路宽带通信的关键技术研究与应用验证”的国家科技重大专项得到了国家的批准并由中国铁路通信信号集团公司（简称中国通号）承担。该项目将通过LTE-R宽带通信系统的关键技术的研究，设计出可实施的具体方案，以满足高铁旅客在数据通信和视频通信方面的要求，比如语音和数字业务、WIFI上网、视频通信等。
我国针对铁路通信系统更新的需求，提出了LTE-MAR（Multi-Access system for Railway）系统，实现更安全的视频监控、列车高速运行时更好的通信质量、高铁内可以无线上网，满足我国铁路无线通信系统的设计要求。
6.结束语
在我国高铁快速发展的背景下，本文通过分析GSM-R无线通信系统的主要功能和面临的问题，结合世界铁路通信系统的发展，提出了适合我国高速铁路通信的LTE-R无线通信系统，明确了它的技术特点。
但是，本文提到的技术特点都基于当前的研究成果，今后还要结合我国的具体国情，形成我们真正适合我们自己的铁路移动通信标准。
参考文献
[1]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，2014（2）.
[2]石波.适合我国铁路应用的GSM-R技术规范体系[J].GSM-R专栏，2007.
[3]徐胜波，马文平，王新梅.无线通信网中的安全技术[M].人民邮电出版社，2003.