铁路通信中无线通信系统的探究应用

摘要：当前铁路系统中的无线通信技术主要有GSM-R无线通信系统、LTE系统，本文主要分析了GSM-R无线通信系统和LTE系统的架构及在铁路系统中的应用。

关键词：GSM-R；LTE技术；铁路

引言

当前铁路通信中应用的主要无线通信系统包括GSM-R无线通信系统、LTE系统，GSM-R无线通信系统在铁路无线通信中的应用比较成熟，随着无线技术的不断发展出现了LTE系统，LTE系统在应用中具有高效、低时延、安全性高等优势，因此，国际铁路联盟（UIC）认为，LTE系统为下一代铁路无线通信技术。本文主要分析了GSM-R无线通信系统和LTE系统在铁路通信中的应用。

1GSM-R无线通信系统及应用

GSM-R（GSMforRailway）的中文全称为铁路综合数字移动通信系统标准，这是一种专为铁路高速环境下应用开发的数字式无线通信系统，以GSM蜂窝系统为基础并加入了调度通信功能。该通信标准可以将全部的铁路通信应用融合在单一的网络平台，实现数据通信及语音通信的相关功能，如调度通信、机车信息传输、列尾装置信息传输、区间移动办公通信、旅客列车移动信息服务等。GSM-R通信体系结构见图1。总体来说，GSM-R系统包含七个部分，分别为NSS（网络交换子系统）、GPRS（通用分组无线业务）、BSS（基站子系统）、FAS（固定用户接入交换系统）、OMC（运行与维护子系统）、IN（智能网系统）、终端子系统，GSM-R通过NSS中网关移动交换中心（GMSC）实现与其他通信网的信息数据传输，并通过通用分组无线业务（GPRS）中的网关GPRS业务支持节点（GGSN）实现与其他数据信息网络的分组域的业务互联互通。当前，GSM-R系统已经成为铁路无线通信中的主要技术，承担着各种的数据、语音等信息的传输业务。

2LTE（LongTermEvolution）技术及应用

由于LTE技术具有安全、高效、便捷等特点，因此，应用前景良好，国际铁路联盟已经将LTE系统作为下一代铁路无线通信技术。LTE系统是一种新型的通信标准，具有速率高、系统兼容性优良、载波带宽灵活等特点，当前我国铁路通信系统中主要应用的是TD-LTE制式。

2.1网络架构

TD-LTE网络结构为全IP网络，网络架构简单、扁平，本地用户服务器为HSS归属用户服务器，同时采用IP多媒体子系统安全传输数据包。TD-LTE网络由于架构相对简单，采用基站与核心网直接相连的技术，降低了网络部署的设备量，提高了网络节点的维护效率及整体的系统运行效率。TD-LTE网络结构见图2。

2.2关键技术

2.2.1OFDMA技术OFDMA技术也就是正交频分多址接入技术，该技术属于调制复用技术，具有宽带扩展灵活、高频谱效率等优点，通过该技术可以对通信系统宽带进行分类，得到若干个相互正交的子载波，子载波完成通信业务数据的并行传输。OFDMA技术结合了频分多址、时分多址，技术应用过程中将高速数据流分散到不同的正交子载波上，从而显著延长符号的持续时间，降低单个子载波的符号效率，抗干扰能力强，最大程度上提高铁路数据无线传输的性能。

2.2.2MIMO技术MIMO技术即利用多接收天线及多发射天线实现的空间分集技术，该技术在应用中采用分立式多天线对通信链路进行分解，得到多个并行的子信道，实现多根天线的同时传输。MIMO技术的无线局域网数据传输效率较高，最高可以达到320Mbps，分成上行支持MIMO技术和下行支持MIMO技术。LTE系统中的上行支持MIMO技术中通常采用两根接收天线和一根发送天线，形成一个虚拟环境下的MIMO系统，一个终端用户发送一个数据流，不同终端上的数据流可以当成来自同一个终端不同天线上传输的数据流，最少两个数据流占有一个相同的时频资源。上行虚拟MIMO系统中包含多个用户终端，根据下行控制的信号指令在分配的时频资源中进行导频和数据信号的发送。天线的数据包编码方式采用Alamouti的空时码，Alamouti编码中将信号源分成两组，每组包括2个字符。LTE系统中的下行MIMO技术实现了空间维度的复用，单用户模式和多用户模式空间复用之后的数据流分配不同，单用户模式数据流分配给一个单独用户，多用户模式数据流分配给多个用户。

2.2.3小区干扰控制技术小区间干扰（Inter-CellInterference，ICI）是移动通信系统中一个常见问题。LTE系统采用OFDMA正交频分多址接入技术，采用相同的频率进行数据的发送和接收，小区间的干扰比较严重，尤其是边缘干扰最为严重，因此，LTE中小区间干扰抑制技术的应用非常重要。LTE系统中干扰抑制技术目前采用以下三种，一是，干扰随机化，这是一种被动的对干扰进行控制的技术，通过频率的加扰、交织、跳频等实现。二是，干扰抑制，干扰抑制主要是对空间有色干扰的特性进行估计和抑制，分为空间维度抑制和频率维度抑制两种方式。三是，干扰协调，这种干扰抑制的方法比较常见，通过限制小区边缘的可用资源实现。

2.3TD-LTE无线通信系统在铁路通信中的应用

当前我国的铁路系统中应用的无线列调业务主要有窄带数据业务和语音业务，LTE通过VOIP技术可以同时实现一个eNB小区中600位用户的语音通信任务。此外，LTE技术还可以实现宽带的集群调度，和GSM-R的系统相比具有时延短、容量大的优势。LTE还支持视频调度技术实现铁路系统车辆的精确定位，从而提高列车调度的安全性。列车在运行中需要对列车设备的运行进行监控、进行车厢及外部视频监控等，获得相应的数据，这些数据的传播通过TD-LTE系统的数据接入单元（TAU），将列车运行的相关数据传输到地面，TD-LTE系统数据传输方式支持多种专网频段、满足列车高速移动情况下的数据传输要求、支持远程维护，适应列车内车厢内的严酷电磁环境和高温、湿热环境使用要求。LTE网络采用双层网络与双网冗余实现对核心网的连接，安全性高，为铁路安全数据提供可靠性的保证。

3结束语

铁路在我国经济的发展中具有非常重要的地位，随着科学技术的不断发展，我国的铁路系统也取得了很多的成就。随着无线通信系统的应用，铁路系统将会为用户提供更加优质的服务，铁路列车运行的安全性能也更高。当前铁路无线通信中，GSM-R无线通信系统已经比较成熟，而LTE系统由于安全性、可靠性更高将会成为铁路无线通信的研究重点。

参考文献

[1]方旭明,崔亚平,闫莉,宋昊.高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展[J].电子与信息学报,2015,37(01):226-235.

[2]姜永富.我国铁路专用移动通信技术发展思路探讨[J].中国铁路,2019(04):73-78.

[3]曾成胜.铁路通信中GSM-R系统的应用分析[J].通讯世界,2019,26(05):110-111.

作者：武凝 单位：陕西交通职业技术学院