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1、基于4GLTE技術(shù)的高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)KSSolanki教授，KratikaChouhanUjjain工程學(xué)院，印度MadhyaPradesh的Ujjain摘要：隨著時(shí)間發(fā)展，高速鐵路（HSR要求可靠的，安全的列車(chē)運(yùn)行和乘客通信。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，HSR勺系統(tǒng)需要更高的帶寬和更短的響應(yīng)時(shí)間，而且HSR勺舊技術(shù)需要進(jìn)行發(fā)展，開(kāi)發(fā)新技術(shù)，改進(jìn)現(xiàn)有的架構(gòu)和控制成本。為了滿(mǎn)足這一要求，HSRK用了GSM勺演進(jìn)GSM-敢術(shù)， 但它并不能滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。 因此采用了新技術(shù)LTE-R,它提供了更高的帶寬，并且在高速下提供了更高的客戶(hù)滿(mǎn)意度。本文介紹了LTE-R,給出GSM-RWLTE-R之間的比較結(jié)果，并

2、描述了在高速下哪種鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)更好。關(guān)鍵詞：高速鐵路，LTE,GSM通信和信令系統(tǒng)一介紹高速鐵路需要提高對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求。隨著這種改進(jìn)，具網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和硬件設(shè)備必須適應(yīng)高達(dá)500公里/小時(shí)的列車(chē)速度。HSR需要快速切換功能。因此，為了解決這些問(wèn)題，HSR需要一種名為L(zhǎng)TE-R的新技術(shù)， 基于LTE-R的HSR供高數(shù)據(jù)傳輸速率，更高帶寬和低延遲。LTE-R能夠處理日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)量，確保乘客安全并提供實(shí)時(shí)多媒體信息。隨著列車(chē)速度的不斷提高，可靠的寬帶通信系統(tǒng)對(duì)于高鐵移動(dòng)通信至關(guān)重要。HSR的應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量（QOS測(cè)量， 包括如數(shù)據(jù)速率，誤碼率（BER和傳輸延遲。為了實(shí)現(xiàn)HSR的運(yùn)營(yíng)需求， 需要一

3、個(gè)能夠與LTE保持一致的能力的新系統(tǒng)，提供新的業(yè)務(wù)，但仍能夠與GSM-R時(shí)間共存。HSR系統(tǒng)選擇合適的無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)，需要考慮性能，服務(wù)，屬性，頻段和工業(yè)支才I等問(wèn)題。4GLTE系統(tǒng)與第三代（3G）系統(tǒng)相比，它具有簡(jiǎn)單的扁平架構(gòu)，高數(shù)據(jù)速率和低延遲。在LTE的性能和成熟度水平上，LTE-railway（LTE-R）將可能成為下一代HSR!信系統(tǒng)。二LTE-R系統(tǒng)描述考慮LTE-R的頻率和頻譜使用，對(duì)為高速鐵路（HSR通信提供更高效的數(shù)據(jù)傳輸非常重要。高鐵是重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，因此需要專(zhuān)門(mén)為其分配大量的頻譜塊。包括歐洲鐵路局（ERA,中國(guó)鐵路在內(nèi)的一些行業(yè)機(jī)構(gòu)正試圖對(duì)高鐵使用的頻譜進(jìn)行劃分。目前

4、，盡管在一些國(guó)家也使用700-900MHz頻段， 但大多數(shù)LTE系統(tǒng)工作在1GHz以上的頻段，例如1.8,2.1,2.3和2.6GHz。較高的頻帶提供較大的帶寬，提供較高的數(shù)據(jù)速率，而較低的頻帶對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)的距離。由于高頻段傳播損耗較大，衰落更嚴(yán)重，因此建議LTE-R小區(qū)的半徑保持小于2km 由于HSR中信噪比（SNR的嚴(yán)格要求，但是這導(dǎo)致頻繁切換和為滿(mǎn)足更高的BS密度而投資更多資金。因止匕，450-470MHz800MH卻1.4GHz等低頻帶已被廣泛考慮。450-470MHZ頻段已經(jīng)被鐵路行業(yè)所采用。此外，LTE的載波聚合能力將允許使用不同的頻帶來(lái)克服容量問(wèn)題。圖1（b）給出了中國(guó)450?470

5、MHz頻率的詳細(xì)分配12,在該頻帶內(nèi)為L(zhǎng)TE-R分配足夠的帶寬是可行的。 在歐洲，UIC的FRMCS望通過(guò)在當(dāng)前的GSM-段資基礎(chǔ)之上，重復(fù)使用現(xiàn)有的無(wú)線站點(diǎn)。這可以節(jié)省高達(dá)80-90%的網(wǎng)絡(luò)成本。鐵路也考慮繼續(xù)使用GSM-R無(wú)線，因此，1GH下的頻譜劃分在歐洲更具政府政策，因國(guó)家而異。標(biāo)準(zhǔn)LTE包括演進(jìn)分組核心（EPC的核心網(wǎng)絡(luò)和演進(jìn)通用陸地?zé)o線電的無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN。 基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的EPC支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)到小區(qū)塔的無(wú)縫切換，并且每個(gè)E-UTRAN、區(qū)將通過(guò)高速分組接入（HSPA支持高數(shù)據(jù)和語(yǔ)音容量。作為HSR下一代通信系統(tǒng)的候選者。LTE-R繼承了LTE的所有重要特性，

6、并提供額外的無(wú)線接入系統(tǒng)與車(chē)載設(shè)備（OBU交換無(wú)線信號(hào)，與HSF#定需求相匹配。 圖2給出了根據(jù)4的LTE-R的未來(lái)架構(gòu)，它表明LTE-R的核心網(wǎng)絡(luò)以后兼容GSM-R與公眾LTE網(wǎng)絡(luò)相比，LTE-R在架構(gòu)，系統(tǒng)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)布局，業(yè)務(wù)和QoS等方面存在很多差異。列車(chē)信息由RBC和機(jī)載無(wú)線電設(shè)備檢測(cè)。這提高了列車(chē)跟蹤的準(zhǔn)確性和列車(chē)調(diào)度的效率。LTER也可用于為未來(lái)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)參數(shù)GSM-RLTELTE-R頻率上行：876-880MHz下行：921-925MHz800MHz,1.8GHz,2.6GHz450MHz,800MHz,1.4GHz,1.8GHz市竟0.2MHz1.4-20MHz1.4-20

7、MHz調(diào)制GMSKQPSK/M-QAM/OFDMQPSK/16-QAM小區(qū)范圍8KM1-5KM4-12KM小區(qū)配置單一部門(mén)多部門(mén)單一部門(mén)峰值數(shù)據(jù)速率,下行/上行172/172Kbps100/50Mbps50/10Mbps峰值頻譜效率0.33bps/Hz16.32bps/Hz2.55bps/Hz數(shù)據(jù)傳輸需要語(yǔ)音呼叫連接分組交換分組交換 （UDP數(shù)據(jù)）成本效益。但是，頻段的選擇取決于提供信息傳輸。表格GSM-R,LTE,LTE-R系統(tǒng)參數(shù)基于未來(lái)HSR!信的QoS要求，LTE-R的優(yōu)選參數(shù)總結(jié)在表1中。請(qǐng)注意，LTE-R的可靠性將超過(guò)容量。該網(wǎng)絡(luò)必須能夠在復(fù)雜的鐵路環(huán)境中以500km/h的速度運(yùn)行

8、。因此，正交相移鍵控（QPSK調(diào)制是優(yōu)選的，并且必須盡可能減少重傳的分組數(shù)量。三LTE-R服務(wù)HSR!信打算使用一個(gè)完善的/現(xiàn)成的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要對(duì)某些特定需求的服務(wù)級(jí)別定義進(jìn)行。正如E-Train項(xiàng)目6所建議的，LTE-R應(yīng)提供一系列服務(wù)來(lái)提高安全性，服務(wù)質(zhì)量和效率。與GSM-R勺傳統(tǒng)業(yè)務(wù)相比， 描述了LTE-R的一些特性。1）控制系統(tǒng)的信息傳輸：為了與ETCS-3或中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)第4級(jí)（CTCS-4兼容，LTE-R通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)控制信息的實(shí)時(shí)信息傳輸， 延遲時(shí)間50毫秒.當(dāng)ETCS-2/CTCS-3中的軌道電路檢測(cè)到列車(chē)的位置信息時(shí)，在ETCS-3/CTCS-4和LTE-R中，火車(chē)的

9、位置信息被RBC和機(jī)載無(wú)線電設(shè)備檢測(cè)到。這提高了列車(chē)跟蹤的準(zhǔn)確性和列車(chē)調(diào)度的效率。LTE-R也可用于為未來(lái)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供信息傳輸。2）實(shí)時(shí)監(jiān)控：LTE-R提供前軌道，駕駛室和汽車(chē)連接器狀態(tài)的視頻監(jiān)控軌道狀況的實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)（如溫度和探傷）；對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施（如橋梁和隧道）視頻監(jiān)控以避免自然災(zāi)害；和對(duì)交叉軌道的視頻監(jiān)控以檢測(cè)低溫下的凍結(jié)。監(jiān)控信息將與控制中心和高速列車(chē)實(shí)時(shí)共享， 延時(shí)小于300毫秒。盡管上述一些監(jiān)視可以通過(guò)有線通信進(jìn)行， 但基于無(wú)線的LTER系統(tǒng)對(duì)部署和維護(hù)而言更具成本效益。3）培訓(xùn)多媒體調(diào)度：LTE-R為調(diào)度員提供駕駛員和車(chē)場(chǎng)的全部調(diào)度信息（包括文本，數(shù)據(jù)，語(yǔ)音，圖像，視頻等）

10、，提高調(diào)度效率。它支持豐富的功能，如語(yǔ)音中繼，動(dòng)態(tài)分組，臨時(shí)組呼，短消息和多媒體消息。4）鐵路應(yīng)急通信：當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害，事故或其他緊急情況時(shí)，需要在事故現(xiàn)場(chǎng)和救援中心之間建立即時(shí)通信，以提供語(yǔ)音，視頻，數(shù)據(jù)和圖像傳輸。鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)使用鐵路專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，以確保與GSM-育目比快速部署和更快的響應(yīng)速度（延遲99.5%99.5%99.9%切換程序硬切換硬/軟切換軟切換：無(wú)數(shù)據(jù)丟失所有IP（本地）否是是車(chē)和貨物。它有助于提高運(yùn)輸效率并延長(zhǎng)服務(wù)范圍。止匕外，鐵路物聯(lián)網(wǎng)還可以提高列車(chē)的安全性。今天的大多數(shù)列車(chē)依靠位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的軌道交換機(jī)。借助IOT和遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以將交換機(jī)的軌道基礎(chǔ)設(shè)施重新轉(zhuǎn)換為電力線，可

11、以自動(dòng)執(zhí)行許多常規(guī)安全檢查并降低維護(hù)成本。除了之前列出的功能之外，還應(yīng)包括LTE-R的其他一些服務(wù)，例如動(dòng)態(tài)座位預(yù)留，移動(dòng)電子票務(wù)和乘客信息的無(wú)線互動(dòng)?；赨IC,中國(guó)鐵路和ERA勺技術(shù)報(bào)告，圖3總結(jié)了LTE-R未來(lái)可能提供的服務(wù)。值得注意的是，高速列車(chē)內(nèi)的乘客的寬帶無(wú)線接入不由LTE-R提供因?yàn)槠鋷捰邢蕖Ｒ恍┽槍?duì)火車(chē)乘客的寬帶無(wú)線接入的候選者已經(jīng)被探討過(guò)，例如Wi-Fi,全球微波接入互操作性（WiMAX,3G/4G/5G,衛(wèi)星通信以及光纖無(wú)線電（RoF）技術(shù)13。四LTE-R挑戰(zhàn)與LTE-R相關(guān)的挑戰(zhàn)有以下幾個(gè)。1）特定于HSR的場(chǎng)景：在的LTE標(biāo)準(zhǔn)中，提出了HSR的信道模型，具僅包括兩種

12、場(chǎng)景，即開(kāi)放空間和隧道，并且在兩種場(chǎng)景中都使用非衰落信道模型。但是，如15所示,HSR的嚴(yán)格要求（高速，鐵軌平坦度等） 導(dǎo)致許多特定于HSR勺環(huán)境，例如高架橋，巖屑和隧道。這些情景中的傳播特性是不同于傳統(tǒng)的蜂窩通信，可能會(huì)明顯影響GSM-哥口LTE-R的系統(tǒng)性能。過(guò)去， 為了描述GSM-R1帶的HSR信道， 進(jìn)行了一些測(cè)量，并且已經(jīng)提出了基于情景的路徑損耗和陰影衰落模型，用于930MHz勺GSM-R然而，這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中，許多科學(xué)問(wèn)題尚未在LTE-R頻段得到解決，例如傳播損耗，多徑分量（MPC的幾何分布以及這些HS布有的二維/三維角度估計(jì)環(huán)境。有必要LTE-R的鏈路預(yù)算和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一系列信

13、道模型，并且需要廣泛的信道測(cè)量。2）高機(jī)動(dòng)性：高速列車(chē)通常以350公里/小時(shí)的速度運(yùn)行，而LTE-R則支持500公里/小時(shí)。高速度導(dǎo)致一系列問(wèn)題。首先，高速度導(dǎo)致信道的不平穩(wěn)，因?yàn)樵诙虝r(shí)間段內(nèi)，列車(chē)通過(guò)MPC發(fā)生顯著變化的大區(qū)域。 非平穩(wěn)性的表征特別重要，因?yàn)樗绊憜屋d波和多載波系統(tǒng)的BER（誤碼率）。其次，高速度導(dǎo)致接收頻率的偏移，稱(chēng)為多普勒頻移。例如，如果頻率為2.6GHz,則350km/h的最大多普勒頻移為843Hz,而10km/h的行人移動(dòng)速度僅為24Hz。嚴(yán)重的多普勒頻移會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的相移，并可能損害角度調(diào)制信號(hào)的接收。然而，由于高速列車(chē)大多以已知速度沿著預(yù)定線路移動(dòng)，因此可以通過(guò)使用

14、實(shí)時(shí)記錄的速度和位置信息來(lái)跟蹤和補(bǔ)償多普勒頻移。第三，由于高速，HSR環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)大的多普勒擴(kuò)展。對(duì)于LTE-R（寬帶系統(tǒng)），多普勒擴(kuò)展通常會(huì)導(dǎo)致信號(hào)與干擾加噪聲比的損失，并會(huì)妨礙載波恢復(fù)和同步。多普勒擴(kuò)展也是正交頻分復(fù)用（OFDM系統(tǒng)特別關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)破壞OFDMf載波的正交性。應(yīng)考慮幾種方法，如頻域均衡和載波間干擾自消除方案18。3）延遲擴(kuò)展：延遲擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致OFDMF載波之間的正交性的丟失，并且應(yīng)該使用稱(chēng)為循環(huán)前綴（CP的特殊類(lèi)型的保護(hù)間隔。延遲彌散決定了所需的CP長(zhǎng)度。LTE支持短（4.76毫秒）和長(zhǎng)（16.67毫秒）CP方案。對(duì)于短CP方案，兩個(gè)MPd間相應(yīng)的最大路徑長(zhǎng)度差為1.

15、4公里。由于鐵路通信的目標(biāo)是提供線性覆蓋，因此廣泛使用沿軌道具有主瓣的定向BS天線,因此發(fā)射功率集中在窄條形區(qū)域。直觀地說(shuō)，我們預(yù)計(jì)短CP方案對(duì)于LTE-R是足夠的。這主要是因?yàn)楦咚倭熊?chē)主要在（半）郊區(qū)/郊區(qū)環(huán)境中行駛，而在這些環(huán)境中，散射點(diǎn)很少。但是，在一些具有豐富多次反射的特殊環(huán)境中，如巖屑，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)較大的延遲差異（注意這是需要基于測(cè)量的驗(yàn)證）：并應(yīng)使用較長(zhǎng)的CP方案。另一個(gè)大型延誤傳播的例子發(fā)生在沿著鐵軌19的山區(qū)，特別是在火車(chē)進(jìn)入和離開(kāi)隧道前后。需要進(jìn)行更多測(cè)量來(lái)解決HSR環(huán)境中延遲傳播的現(xiàn)象，并且需要像使用通用LTE一樣根據(jù)環(huán)境調(diào)整CR4）線性覆蓋：在HSRK使用沿軌道定向天線的線

16、性覆蓋， 其中定向BS天線將它們的主瓣沿著軌道定位，以使其功率效率更高。線性覆蓋帶來(lái)一些好處，例如，與火車(chē)的已知位置相比，可以設(shè)計(jì)具有良好性能的基于距離/時(shí)間的波束形成算法。然而，值得注意的是，線性覆蓋的鏈路預(yù)算和性能分析與蜂窩系統(tǒng)的環(huán)形小區(qū)不同，例如用于確定覆蓋區(qū)域的百分比。眾所周知，由于陰影衰落的影響，覆蓋區(qū)域內(nèi)的一些位置將具有低于特定閾值的接收信號(hào)。計(jì)算邊界覆蓋與覆蓋區(qū)總體百分比的關(guān)系對(duì)鏈路預(yù)算和整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃非常有用。在圖4中，我們使用基于Hata的鏈路預(yù)算模型比較線性和圓形小區(qū)覆蓋面積百分比，我們可以看到HSR中的線性覆蓋范圍通常具有較高的覆蓋區(qū)域百分比.在設(shè)計(jì)LTE-R網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)該仔細(xì)

17、考慮這一點(diǎn)，以避免過(guò)度部署基站。5）稀疏多徑：稀疏多徑信道表示角度延遲多普勒域中可分辨路徑的稀疏分布。例如在高鐵橋和農(nóng)村地區(qū)的一些開(kāi)放地區(qū)，散布者很少。HSR勺線性覆蓋范圍也減少了發(fā)射機(jī)/接收機(jī)可以看到的散射體的數(shù)量。在這些環(huán)境中可以有一個(gè)稀疏的多路徑通道。但是，支持多輸入多輸出（MIMO傳輸將成為L(zhǎng)TE-R不可分割的一部分。多天線解決方案的性能，如空間分集和空間復(fù)用，取決于環(huán)境中散射的豐富程度。如果在這些開(kāi)放區(qū)域HSR信道稀疏，清晰的視線和很少的散射體將導(dǎo)致兩個(gè)天線信號(hào)之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，并降低分集和空間復(fù)用增益。有跡象表明，在某些稀疏環(huán)境中，重構(gòu)天線陣列可以提高系統(tǒng)容量。6）列車(chē)車(chē)廂的影響： 高

18、速列車(chē)通常長(zhǎng)度超過(guò)200米，由金屬制成。靜態(tài)高速列車(chē)充當(dāng)具有強(qiáng)烈反射的散射體并增加了延遲擴(kuò)展，而高速列車(chē)的動(dòng)態(tài)特性使通道的非平穩(wěn)性特征顯著增強(qiáng)。列車(chē)的大型金屬車(chē)頂也增強(qiáng)了發(fā)射器和接收器附近的反射和散射，并且影響了車(chē)頂上的發(fā)射器/接收器天線的樣式。而且，傳播到高速列車(chē)的內(nèi)部會(huì)導(dǎo)致大的穿透損失降低了信噪比。火車(chē)車(chē)廂內(nèi)的覆蓋范圍可以通過(guò)移動(dòng)繼電器得到改善，類(lèi)似于小區(qū)接入點(diǎn)。五結(jié)論在本文中，我們對(duì)LTE-R系統(tǒng)進(jìn)行了完整描述，其中包括在一定參數(shù)的基礎(chǔ)上比較GSM-序口LTER系統(tǒng)。本文還分析了LTE-R相比GSM-番統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。LTE-R為HSRffi信提供不同的服務(wù)，更利于高速通信。對(duì)于LTE-R而言，在某些方面也存在一些挑戰(zhàn)，這在本文中已經(jīng)闡述，但是這些對(duì)LTE-R的挑戰(zhàn)進(jìn)一步證明了它將能夠滿(mǎn)足高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求。八