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通信系統與鐵路管理論文簡(jiǎn)述
1LTE無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統
LTE是一項寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有數據速率更高、成本更低、時(shí)延更短以及覆蓋質(zhì)量、系統容量更好的特點(diǎn)。LTE是鐵路更早使用的GSM-R數字通信技術(shù)升級版的系統技術(shù)，與未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統寬帶化、移動(dòng)化以及IP化等發(fā)展趨勢相一致，可以為鐵路提供更加好的業(yè)務(wù)承載平臺。LTE技術(shù)可分為T(mén)D-LTE時(shí)分系統與FDD-LTE頻分系統，其中TD-LTE時(shí)分系統在國內占據主導地位，不但有知識產(chǎn)權，還具有配置比較靈活、頻譜利用率比較高的特點(diǎn)。
1.1TD-LTE網(wǎng)絡(luò )結構
TD-LTE網(wǎng)絡(luò )結構具有扁平化的特點(diǎn)，其組成部分即為eUTRAN演進(jìn)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)與eCN核心網(wǎng)。其中eCN核心網(wǎng)的組成部分就是服務(wù)網(wǎng)關(guān)和移動(dòng)管理，其主要工作內容就是對用戶(hù)信息和數據安全性進(jìn)行管理，還負責用戶(hù)鑒權、移動(dòng)信令和軟交換等內容。而eUTRAN演進(jìn)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的組成部分則是eNodeB基站，具有無(wú)線(xiàn)承載控制、無(wú)線(xiàn)資源管理和移動(dòng)性管理以及數據尋址等功能。
1.2TD-LTE的技術(shù)特點(diǎn)
TD-LTE可以為核心網(wǎng)、具有增強功能的IP多媒體子系統、多媒體廣播多播技術(shù)等提供技術(shù)支持。同時(shí)還能夠對處于1.25～20MHz的帶寬單一頻段提供支持，而且并不需要進(jìn)行上下行對稱(chēng)頻譜。TD-LTE采用的技術(shù)包括正交頻分復用技術(shù)、多入多出技術(shù)、混合自動(dòng)重傳技術(shù)以及AMC自適應調制編碼技術(shù)等，上、下行峰值的相關(guān)數據速率分別可以達到75Mbit/s、150Mbit/s。TD-LTE技術(shù)的頻譜利用率比較高，在進(jìn)行數據傳輸時(shí)，其時(shí)延用戶(hù)面小于10ms（雙向），控制面小于100ms，而且還能支持具有非對稱(chēng)性的上下行數據傳輸、多種方式的同頻組網(wǎng)、高速達到350km/h的移動(dòng)用戶(hù)。另外，TD-LTE技術(shù)還為GSM-R系統升級提供技術(shù)支持，而且網(wǎng)絡(luò )建設成本比較低，比3G無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )低兩倍。TD-LTE技術(shù)還能夠通過(guò)VOIP協(xié)議開(kāi)展承載話(huà)音等服務(wù)，為femto等微基站連接提供技術(shù)支持，具有比較靈活的覆蓋模式。
1.3TD-LTE頻率資源
國家分配給國內三大運營(yíng)商的頻段分別為中國移動(dòng)共獲得130MHz，分別為1880～1900MHz、2320～2370MHz、2575～2635MHz；中國聯(lián)通獲得40MHz，分別為2300～2320MHz、2555～2575MHz；中國電信獲得40MHz，分別為2370～2390MHz、2635～2655MHz。而較早使用在鐵路上的GSM-R技術(shù)則使用900MHz頻段，無(wú)法滿(mǎn)足TD-LTE寬帶通信數據移動(dòng)業(yè)務(wù)的開(kāi)展要求，因此可以考慮申請使用1785～1805MHz的TDD行業(yè)用戶(hù)頻段以及1447～1467MHz的固定移動(dòng)用戶(hù)頻段等。
1.4TD-LTE系統容量
TD-LTE系統主要對通信的最大吞吐量這個(gè)要素進(jìn)行考量，而且還會(huì )實(shí)現對最大用戶(hù)數的支持。在鐵路通信系統中，用戶(hù)數量和鏈狀覆蓋模式一般都比較有限，通常會(huì )用承載業(yè)務(wù)的質(zhì)量與數量來(lái)表示吞吐量。而吞吐量的重要表征則是用戶(hù)峰值速率，一般都會(huì )受到控制信道開(kāi)銷(xiāo)、時(shí)隙配比和調制方式等方面的因素影響。
1.5TD-LTE系統組網(wǎng)技術(shù)
TD-LTE為異頻、同頻以及混合等形式的組網(wǎng)提供技術(shù)支持。其中頻譜利用率最高的就是同頻組網(wǎng)，但是小區的同頻干擾會(huì )極大地影響到通信速率。而頻譜利用率較低的則是異頻組網(wǎng)，和同頻組網(wǎng)相反，不會(huì )對小區邊緣的通信速率產(chǎn)生太大影響。而混合組網(wǎng)雖然將同頻對控制信道的干擾減少了，也對邊緣通信質(zhì)量與頻譜利用率進(jìn)行了改善，但是卻仍然需要其他設備來(lái)為這項功能提供支持。因此，可以采用混合組網(wǎng)或者同頻來(lái)解決，將小區擴大，還要將小區邊緣重疊的區域進(jìn)行壓縮并且減小，再結合ICIC小區干擾協(xié)調技術(shù)以實(shí)現對小區整體數據吞吐量的提高。LTE切換與GSM-R相似，其過(guò)程都是硬切換，由源eNodeB發(fā)起，再由UE進(jìn)行輔助。當切換過(guò)程失敗之后，可以返回源小區。在切換的過(guò)程中，數據傳輸的時(shí)延至多只能是50ms。如果是二次連續進(jìn)行切換，則其間隔最多為200ms。在對切換區進(jìn)行設計時(shí)，列車(chē)經(jīng)過(guò)的信號重疊區所用到的時(shí)間應該比切換間隔還要大。如果高鐵速度為350km/h，切換區長(cháng)度至多只能是20m。而常規切換機制都要基于業(yè)務(wù)負荷控制、覆蓋功率預算、移動(dòng)速度與移動(dòng)位置，還需要對其進(jìn)行強制切換。LTE在定位上精度要求比較高，一般可以達到10m量級。鐵路用戶(hù)的使用軌跡以及區域一般都具有固定性，采取的混合切換機制可以建立在功率預算以及位置之上。這樣，就可以將切換時(shí)間盡可能地減少，同時(shí)也能夠將切換的成功率切實(shí)提高起來(lái)。另外，減少切換時(shí)間，對小區邊緣的地方進(jìn)行壓縮，還能夠實(shí)現對小區數據吞吐率的有效提高。
1.6隧道覆蓋技術(shù)
根據隧道漏纜覆蓋要求可以將允許路徑損耗值計算出來(lái)，如上行100.6dB，下行111.27dB。而當泄漏電纜頻段為1.8GHz，覆蓋長(cháng)度為上行730m，下行為880m時(shí)，按照鐵路業(yè)務(wù)量的相關(guān)需求，每個(gè)射頻拉遠單元小區范圍可以達到4km。隧道內兩側都可以分別敷設一根漏纜，從而實(shí)現雙流多入多出。而通過(guò)RRU、直放站和TD-LTE數字射頻拉遠等中繼設備，可以將隧道LTE的覆蓋范圍進(jìn)行有效擴大。
2TD-LTE在鐵路上的應用
由于IP具有連接特性以及LTE的高速寬帶等特點(diǎn)，LTE被廣泛應用于鐵路領(lǐng)域之中。其應用形式一般有列車(chē)視頻監控、列控車(chē)地傳輸、旅客多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)、列車(chē)無(wú)線(xiàn)調度通信以及應急通信等等。如今LTE無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統已經(jīng)逐漸被應用于朔黃鐵路列控系統以及地鐵車(chē)地通信之中。而在鐵路中，TD-LTE網(wǎng)絡(luò )的主要業(yè)務(wù)組成有eCNS核心網(wǎng)和eUTRAN無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)、高速I(mǎi)P傳輸網(wǎng)、移動(dòng)終端以及業(yè)務(wù)應用層。其中業(yè)務(wù)應用層包括RBC列控業(yè)務(wù)、TDCS業(yè)務(wù)、應急通信業(yè)務(wù)、視頻監控業(yè)務(wù)以及防災預警業(yè)務(wù)等等。
2.1無(wú)線(xiàn)調度系統
到目前為止，鐵路無(wú)線(xiàn)列調提供的業(yè)務(wù)只有兩種，包括窄帶數據業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)。通過(guò)VOIP技術(shù)，LTE可以使得一個(gè)eNB小區在同一時(shí)間滿(mǎn)足600個(gè)用戶(hù)的語(yǔ)音通信需求。另外，LTE技術(shù)還具備寬帶集群調度的功能，比GSM-R的系統容量更加大、時(shí)延也更加短，而且具有語(yǔ)音數據融合調度的特點(diǎn)。LTE還可以為視頻調度提供技術(shù)支持，有利于使用車(chē)輛的人進(jìn)行精確定位，從而將列車(chē)調度的可靠性以及安全性有效提高起來(lái)。
2.2車(chē)載數據與視頻監控
車(chē)載數據具有五種類(lèi)型：第一是列車(chē)設備運行監控數據，它可以對機車(chē)的電力與動(dòng)力等相關(guān)設備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控；第二是列車(chē)控制數據，其數據內容包括車(chē)機聯(lián)控、ATO、ATP以及列控等，具有較高的可靠性；第三是列車(chē)多媒體視頻廣播，能夠根據旅客的相關(guān)類(lèi)型與地域的特點(diǎn)而播放高清視頻廣播，為旅客提供比較舒適的環(huán)境；第四是車(chē)廂視頻監控，可以對車(chē)廂以及乘客的狀態(tài)進(jìn)行了解，從而為列車(chē)與乘客的安全提供保證；第五是列車(chē)外部視頻監控數據，能夠對司機的工作狀態(tài)進(jìn)行監督以及了解，確保列車(chē)的駕駛安全。而調度中心也可以通過(guò)視頻而對車(chē)廂內外的實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行了解，從而掌握列車(chē)與乘客的狀態(tài)，確保列車(chē)與乘客安全。車(chē)載數據會(huì )通過(guò)數據而實(shí)現與單元之間的接入，然后再通過(guò)LTE把車(chē)內的IP局域網(wǎng)數據傳輸到地面上。TD-LTE列車(chē)與單元TAU相接入，可以支持多種專(zhuān)網(wǎng)頻段。而且在高速移動(dòng)的前提下，TAU單元還能夠滿(mǎn)足其性能要求。在TAU單元中，可以將雙天線(xiàn)接口外置，而且能夠支持雙流以及多集。同時(shí)還可以?xún)戎肗AT、DNS以及DNCPServer等多種功能，提供EEE802.3/3u的以太網(wǎng)接入。其管理界面以WEB方式建立，具有方便而且非常直觀(guān)的特點(diǎn)。TAU單元還對遠程維護功能提供支持，包括軟件升級、狀態(tài)管理以及配置管理三個(gè)方面。除此之外，還能夠與車(chē)廂內濕熱、高溫以及嚴酷電磁環(huán)境的相關(guān)使用要求相適應。
2.3LTE安全網(wǎng)絡(luò )
LTE網(wǎng)絡(luò )需要通過(guò)對容災進(jìn)行備份而為鐵路安全數據提供可靠性的保證。首先就要采用雙層網(wǎng)絡(luò )與雙網(wǎng)冗余實(shí)現對核心網(wǎng)的連接，eNodeB板卡要進(jìn)行冗余配備，然后再采用雙頻和雙網(wǎng)對其進(jìn)行交織與覆蓋，必須要在系統安全冗余有保證的前提下，避免同頻干擾，從而為網(wǎng)絡(luò )的性能及其安全提供保證。
2.4旅客信息服務(wù)系統
如今社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展快速，信息化程度日漸提高，網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越成為社會(huì )生活非常重要的一部分。而其中LTE可以通過(guò)單元TAU提供質(zhì)量較優(yōu)的多媒體信息服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò )等。另外，還有高清視頻廣播服務(wù)以及乘客互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。其中高清視頻廣播服務(wù)采用的技術(shù)一般都是MPEG4或者H.264流媒體技術(shù)，乘客可以在車(chē)上觀(guān)看高清或者標清電視節目。其采用的技術(shù)碼率一般都是1.5～3Mbit/s。另外，還可以在實(shí)時(shí)性與數據丟包矛盾發(fā)生時(shí)，通過(guò)HARP重傳機制進(jìn)行解決，從而使得圖像和視頻都能夠保持流暢以及穩定。而在乘客互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中，如果根據每輛列車(chē)有100個(gè)用戶(hù)來(lái)進(jìn)行相關(guān)估計，當每個(gè)用戶(hù)都上網(wǎng)時(shí)，那么LTE網(wǎng)絡(luò )能夠提供的連接速率不會(huì )低于100kbit/s，能夠為乘客提供良好的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，提高乘客舒適度以及滿(mǎn)意度。
3結語(yǔ)
TD-LTE在鐵路上的應用很廣泛，而且前景十分光明，但是卻依然存在一些不足之處。當采用同頻組網(wǎng)時(shí)，其干擾對邊緣數據帶寬帶來(lái)的影響比較嚴重，下降幅度比較大。在射頻方面，其發(fā)射功率受到一定程度的限制。而且，如果要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化，難度會(huì )比較大。因此，TD-LTE在不斷發(fā)展的過(guò)程中，也需要將各種存在的問(wèn)題進(jìn)行解決。如今有關(guān)于LTE-R的國際標準還沒(méi)有被頒布出來(lái)，但是LTE無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統在被廣泛應用的同時(shí)，也在不斷被探索和研究。如今無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展趨勢就是高速寬帶，在對鐵路進(jìn)行管理時(shí)，需要將鐵路建設的成本降低下來(lái)，從而實(shí)現對后期維護管理的簡(jiǎn)化，推動(dòng)鐵路無(wú)線(xiàn)寬帶通信的更進(jìn)一步發(fā)展。
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