鐵路通信中無線通信系統(tǒng)的探究應用
當前鐵路通信中應用的主要無線通信系統(tǒng)包括GSM-R無線通信系統(tǒng)、LTE系統(tǒng)，GSM-R無線通信系統(tǒng)在鐵路無線通信中的應用比較成熟，隨著無線技術的不斷發(fā)展出現了LTE系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)在應用中具有高效、低時延、安全性高等優(yōu)勢，因此，國際鐵路聯盟(UIC)認為，LTE系統(tǒng)為下一代鐵路無線通信技術。本文主要分析了GSM-R無線通信系統(tǒng)和LTE系統(tǒng)在鐵路通信中的應用。
1GSM-R無線通信系統(tǒng)及應用
GSM-R(GSMforRailway)的中文全稱為鐵路綜合數字移動通信系統(tǒng)標準，這是一種專為鐵路高速環(huán)境下應用開發(fā)的數字式無線通信系統(tǒng)，以GSM蜂窩系統(tǒng)為基礎并加入了調度通信功能。該通信標準可以將全部的鐵路通信應用融合在單一的網絡平臺，實現數據通信及語音通信的相關功能，如調度通信、機車信息傳輸、列尾裝置信息傳輸、區(qū)間移動辦公通信、旅客列車移動信息服務等。GSM-R通信體系結構見圖1。總體來說，GSM-R系統(tǒng)包含七個部分，分別為NSS(網絡交換子系統(tǒng))、GPRS(通用分組無線業(yè)務)、BSS(基站子系統(tǒng))、FAS(固定用戶接入交換系統(tǒng))、OMC(運行與維護子系統(tǒng))、IN(智能網系統(tǒng))、終端子系統(tǒng)，GSM-R通過NSS中網關移動交換中心(GMSC)實現與其他通信網的信息數據傳輸，并通過通用分組無線業(yè)務(GPRS)中的網關GPRS業(yè)務支持節(jié)點(GGSN)實現與其他數據信息網絡的分組域的業(yè)務互聯互通。當前，GSM-R系統(tǒng)已經成為鐵路無線通信中的主要技術，承擔著各種的數據、語音等信息的傳輸業(yè)務。
2LTE(LongTermEvolution)技術及應用
由于LTE技術具有安全、高效、便捷等特點，因此，應用前景良好，國際鐵路聯盟已經將LTE系統(tǒng)作為下一代鐵路無線通信技術。LTE系統(tǒng)是一種新型的通信標準，具有速率高、系統(tǒng)兼容性優(yōu)良、載波帶寬靈活等特點，當前我國鐵路通信系統(tǒng)中主要應用的是TD-LTE制式。
2.1網絡架構
TD-LTE網絡結構為全IP網絡，網絡架構簡單、扁平，本地用戶服務器為HSS歸屬用戶服務器，同時采用IP多媒體子系統(tǒng)安全傳輸數據包。TD-LTE網絡由于架構相對簡單，采用基站與核心網直接相連的技術，降低了網絡部署的設備量，提高了網絡節(jié)點的維護效率及整體的系統(tǒng)運行效率。TD-LTE網絡結構見圖2。
2.2關鍵技術
2.2.1OFDMA技術OFDMA技術也就是正交頻分多址接入技術，該技術屬于調制復用技術，具有寬帶擴展靈活、高頻譜效率等優(yōu)點，通過該技術可以對通信系統(tǒng)寬帶進行分類，得到若干個相互正交的子載波，子載波完成通信業(yè)務數據的并行傳輸。OFDMA技術結合了頻分多址、時分多址，技術應用過程中將高速數據流分散到不同的正交子載波上，從而顯著延長符號的持續(xù)時間，降低單個子載波的符號效率，抗干擾能力強，最大程度上提高鐵路數據無線傳輸的性能。
2.2.2MIMO技術MIMO技術即利用多接收天線及多發(fā)射天線實現的空間分集技術，該技術在應用中采用分立式多天線對通信鏈路進行分解，得到多個并行的子信道，實現多根天線的同時傳輸。MIMO技術的無線局域網數據傳輸效率較高，最高可以達到320Mbps，分成上行支持MIMO技術和下行支持MIMO技術。LTE系統(tǒng)中的上行支持MIMO技術中通常采用兩根接收天線和一根發(fā)送天線，形成一個虛擬環(huán)境下的MIMO系統(tǒng)，一個終端用戶發(fā)送一個數據流，不同終端上的數據流可以當成來自同一個終端不同天線上傳輸的數據流，最少兩個數據流占有一個相同的時頻資源。上行虛擬MIMO系統(tǒng)中包含多個用戶終端，根據下行控制的信號指令在分配的時頻資源中進行導頻和數據信號的發(fā)送。天線的數據包編碼方式采用Alamouti的空時碼，Alamouti編碼中將信號源分成兩組，每組包括2個字符。LTE系統(tǒng)中的下行MIMO技術實現了空間維度的復用，單用戶模式和多用戶模式空間復用之后的數據流分配不同，單用戶模式數據流分配給一個單獨用戶，多用戶模式數據流分配給多個用戶。
2.2.3小區(qū)干擾控制技術小區(qū)間干擾(Inter-CellInterference，ICI)是移動通信系統(tǒng)中一個常見問題。LTE系統(tǒng)采用OFDMA正交頻分多址接入技術，采用相同的頻率進行數據的發(fā)送和接收，小區(qū)間的干擾比較嚴重，尤其是邊緣干擾最為嚴重，因此，LTE中小區(qū)間干擾抑制技術的應用非常重要。LTE系統(tǒng)中干擾抑制技術目前采用以下三種，一是，干擾隨機化，這是一種被動的對干擾進行控制的技術，通過頻率的加擾、交織、跳頻等實現。二是，干擾抑制，干擾抑制主要是對空間有色干擾的特性進行估計和抑制，分為空間維度抑制和頻率維度抑制兩種方式。三是，干擾協(xié)調，這種干擾抑制的方法比較常見，通過限制小區(qū)邊緣的可用資源實現。
2.3TD-LTE無線通信系統(tǒng)在鐵路通信中的應用
當前我國的鐵路系統(tǒng)中應用的無線列調業(yè)務主要有窄帶數據業(yè)務和語音業(yè)務，LTE通過VOIP技術可以同時實現一個eNB小區(qū)中600位用戶的語音通信任務。此外，LTE技術還可以實現寬帶的集群調度，和GSM-R的系統(tǒng)相比具有時延短、容量大的優(yōu)勢。LTE還支持視頻調度技術實現鐵路系統(tǒng)車輛的精確定位，從而提高列車調度的安全性。列車在運行中需要對列車設備的運行進行監(jiān)控、進行車廂及外部視頻監(jiān)控等，獲得相應的數據，這些數據的傳播通過TD-LTE系統(tǒng)的數據接入單元(TAU)，將列車運行的相關數據傳輸到地面，TD-LTE系統(tǒng)數據傳輸方式支持多種專網頻段、滿足列車高速移動情況下的數據傳輸要求、支持遠程維護，適應列車內車廂內的嚴酷電磁環(huán)境和高溫、濕熱環(huán)境使用要求。LTE網絡采用雙層網絡與雙網冗余實現對核心網的連接，安全性高，為鐵路安全數據提供可靠性的保證。
3結束語
鐵路在我國經濟的發(fā)展中具有非常重要的地位，隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國的鐵路系統(tǒng)也取得了很多的成就。隨著無線通信系統(tǒng)的應用，鐵路系統(tǒng)將會為用戶提供更加優(yōu)質的服務，鐵路列車運行的安全性能也更高。當前鐵路無線通信中，GSM-R無線通信系統(tǒng)已經比較成熟，而LTE系統(tǒng)由于安全性、可靠性更高將會成為鐵路無線通信的研究重點。
參考文獻
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《鐵路通信中無線通信系統(tǒng)的探究應用》來源：《電子測試》，作者：武凝
