TD―LTE无线通信系统在铁路上的应用研究
中图分类号：U284 文献标识码：A
从2003年起，我国的铁路专用通信网络大多采用GSM-R技术，并且在实际应用中取得了较大的成功。当前我国的青藏线、大秦线、胶济线等铁路都采用GSM-R通信技术。随着我国铁路运营系统的高速化和现代化发展，现今的GSM-R技术已经难以满足其各方面的业务需求。因此，铁路通信系统需要在原有的技术上进行技术和结构升级以适应铁路移动通信的高传输率、高传输量、高带宽承载能力、高可靠度、短时延的发展趋势。
1 TD-LTE无线通信技术的发展背景
现存的GSM-R通信技术在引入了GSMS网络技术之后，其通信系统在构建方式和数据承载能力上都得到了一定程度的完善，但是从其技术本质上来讲，它仍然属于第二代移动通信技术。目前的GSM-R铁路移动通信技术在业务开展能力上已经难以满足现代铁路通信系统的需求，其业务处理能力必须得到改善和提升。因此，铁路通信系统必须找到新的发展出路，结合我国铁路的运营现状和未来发展动态构建符合新时期发展的铁路通信系统。结合用户对移动通信的未来需求以及国际铁路的无线通信发展趋势。根据我国的铁路通信工程发展现状，采用与国际接轨的无线通信技术方案，以解决我国在无线通信技术领域相对薄弱的技术水平和建设实践经验，通过直接分享国际已有的研究成果，来降低研发成本，降低制式选择所带来的风险性。在此大背景下，选择TD-LTE无线通信技术成为我为铁路通信发展的新方向是准确的，符合我国当前的实际情况的。
2 TD-LTE无线通信技术
LTE是2008年由3GPP在Release 8标准中提出并定义的一种新型的无线空中接口标准。LTE技术是以移动通信技术山3G过渡到4G的衔接性标准，LTE是移动通信3G到4G技术的过渡标准，它是基于CMTS/HSPA和GSM/EDGE并在这两种技术上，采用OFDM和MIMO作为其无线网络通信体系构建与演进的唯一标准。在通信结构制式上，LTE主要分为两种：一是LTE-FDD、二是TD-LTE。其中TD-LTE技术是我国通信企业普遍采用的一种LTE标准。TD-LTE与LTE-FDD两种制式在设计主架构和技术标准上是基本统一的，尤其是在高层协议方面。两者之间的差异性主要体现在物理层上。这两种制式是未来移动通信的未来发展趋势。当前在我国的铁路通信系统当中主要是采用TD-LTE制式，本论文部分也主要是讲TD-LTE制式的应用。
3 高速铁路TD-LTE无线通信系统
3.1 网络架构
下一代铁路通信系统的TD-LTE结构与LTE/SAE技术存在着相同与相似性。与现有的GSM-R通信系统网络架构相比较，两者之间的差异性主要表现在接入网技术和核心网组建技术上。就核心网技术而言，TD-LTE网络结构与GSM-R的最大不同是前者采用全IP网络。其采用HSS归属用户服务器作为本地用户服务器，主要负责对用户的注册性资料信息进行统一管理。另一方面，TD-LTE采用IP多媒体子系统为系统提供IP多媒体服务，能够实现数据传输包的有效传输，通过会话初始化协议实现可以互操作的IP协议服务。与GSM-R网络架构相比较，TD-LTE的网络架构相对扁平和简洁，突出了系统的本质作用性和实效性，从而极大的减少了设备和网络节点维护成本，为网络部署提供了更高的便利性，节省了运营商的开发成本的运营成本，同时采用基站与核心网直接相连的关键性技术，能够大大减少信令的交换，提高了系统运行的整体效率。
3.2 关键技术
（1）调制和信道编码技术
下一代铁路通信LTF制式可采用的调制编码技术可以参考地而电信通信系统。其下行链路，PDSCH物理下行共享通道和PMCH物理多播信道可采用16QAM、64QAM和QPSK技术；PBCH物理广播信道和物理控制格式指示信道可以采用QPSK技术；PCFICH物理控制格式指示信道可以采用QPSK、BPSK调制方式可以用于PHICH物理混合自动重传指示信道；上行链路中，物理上行共享信道PISCH可采用16QAM、64QAM和QPSK技术；PUCCH物理上行控制信道可采用QPSK。同时，所采用的BPSK调制方式还可以有效地降低峰均值比。
（2）OFDM和MIMO
与现在广泛应用的GSM-R技术相比，下一代铁路通信LTF系统可以采用正交频分复用OFDM和多输入多输出MIMO技术。OFDM技术的功能实原理为通过串并交换技术将高速数据流转为较低的传输速率并同时分配到多个相互正交的子通道。通过利用每个子通道相对较长的符号周期，来缓解无线通道的时延扩展问题。同时，可以在OFDM传输信号之间插入保护间隔，并将保护间隔的设置方式为大于信道的最大时延扩散，从而使时延现象得以缓解，从最大化的消除信号传输时候所带来的彼此之间的干扰。同时，为了满足下一代铁路通信系统对高传输速率和高信息传输量的要求，高速铁路TD-LTF系统可以引入MIMO技术。
在MIMO技术的系统配置方面，下行天线的基本配置可以采用2×2的模式，即采用2天线发送和2天线接收的技术，在系统扩展技术支持上最大满足4天线进行信息的下行四层传输，其中所指的天线为MIMO的虚拟天线技术。信号的上行传输一般采用1×2的天线传输模式是1×2.即一个发送天线和两根接收天线。MIMO技术通过正交频分多址技术将信号传输分配成多个相互正交的通信子信道，MIMO技术对每个子信道进行信号处理，从而极大意义上简化了信号传输频率选择次数，降低了信号检测难度。其中，采用MIMO处理技术可以针对每个子信道应用独立的调制编码方式，使信道传输速率与MIMO信息容量达到最大程序上的适配，在宽带不增加的情况下有效地提升频谱效率。 （3）信道估计技术
进入21世纪以来，我国现代铁路运输体系向高速化方向发展是必然趋势。同时，铁路的高速运行信息通信系统的建设也带来了难度。受到铁路高速运行的影响，传输信道的时变性转换度增大，同时运行所产生的多普勒效应对信号传输也带来技术处理上的难度。为了克服铁路高速运行所带来的信号衰落率增大的现象，有必要采用信道估计技术来使其误差降低到最小化。
下一代铁路通信TD-LTF系统可以一般性信道估计技术为参考，并结合铁路系统建设的实际情况进行技术上的适应性调整。其中，信息传输的上行通道估计技术可以采用Turbo译码迭代信道估计方法，其功能实现的原理为：利用Turbo译码技术对信号传输数据进行输出判断对比，然后根据比对结果对信号进行硬判决处理，将比对处理后的信号发送到信号解制解调模块，将产生的最终信号反馈到信号估计模块，作为下一个信号的信道估计可参照依据。
下行信道估计技术可以采用基于内插的技术处理方法，其实现的技术依据为：符号在其他载波位置上的信道估计数值的提取可以通过一维线性插值来确定出同一符号中的相邻导频值，以此确定的导频值为相关信道的估计参考标准。利用线性插值技术进行信道估计，可以允许信道在时域内快速变化，从而有效地解决铁路快速运行所产生的信号衰变问题，这是利用了插值可以在每个符号的持续时间内完成的技术，因为信道的相关时间在实际中是非常短，能够通过此技术实现信号的移动接收，如果信道带宽大于导频信道的间隔带宽，就能准确地进行信道估计。
（4）差错控制技术
在信息通信系统中，可以采用两种应用比较广泛的差错控制技术，即前向纠错FFC技术和自动重复请求ARQ技术。两种差错控制技术各有优缺点，其中FFC前向纠错技术的效率较高，但在可靠度上远不及ARQ技术。ARQ系统的效率是信道误码率的函数，其效率性很大程度上受制约与信道误码率的增加，这就导致在信道受干扰度较大时难以使用。而采用先进的HARQ技术可以融合FFC技术与ARQ技术的优点，能够获得币ARQ更高的效率，且能有效对差错进行控制，从而大大提高了可靠性。
4 TD-LTE无线通信系统的铁路应用
4.1 TD-LTE在无线调度系统中的应用
当前我国铁路无线列调提供的业务只有两种，包括窄带数据业务和语音业务。通过VOIP技术，LTE可以使得一个e NB小区在同一时间满足600个用户的语音通信需求。另外，LTE技术还具备宽带集群调度的功能，比GSM-R的系统容量更加大、时延也更加短，而且具有语音数据融合调度的特点。LTE还可以为视频调度提供技术支持，有利于使用车辆的人进行精确定位，从而将列车调度的可靠性以及安全性有效提高起来。
4.2 TD-LTE在车载数据及视频监控中的应用
在当前车载数据类型应用如下：
（1）列车设备运行监控数据：实时监控机车动力、电力等设备状态。
（2）列车控制数据：列控以及ATP，ATO和车机联控等高可靠数据。
（3）列车多媒体视频广播：根据地域特点和旅客类型进行高清视频广播，提供旅客舒适性。
（4）车厢视频监控：了解乘客和车厢状态，保证列车和乘客安全。
（5）列车外部视频监控数据：了解司机工作状态，保证驾驶安全，调度中心通过视频，可以随时了解车厢内外实际情况。
车载数据通过数据接入单元（TAU），将车内的IP局域网数据通过TD-LTE传输到地面。TAU单元特点如下：
（1）TD-LTE列车接入单元TAU支持多种专网频段。
（2）满足高速移动情况下的性能要求。
（3）外置双天线接口，支持多集和双流。
（4）提供IEEE802.3/3u以太网接入。
（5）内置DHCP Server，DNS及NAT功能。
（6）基于WEB方式管理界面，方便直观。
（7）支持远程维护，包括状态管理、配置管理、软件升级等。
4.3 TD-LTE安全网络中的应用
LTE网络需要通过对容灾进行备份而为铁路安全数据提供可靠性的保证。首先就要采用双层网络与双网冗余实现对核心网的连接，e Node B板卡要进行冗余配备，然后再采用双频和双网对其进行交织与覆盖，必须要在系统安全冗余有保证的前提下，避免同频干扰，从而为网络的性能及其安全提供保证。
4.4 在旅客信息服务系统中的应用
随着信息技术的飞速发展，网络已成为人们生活中的重要组成部分，同时也成为了乘客需要服务的部分。LTE通过TAU为乘客提供网络等多媒体信息服务。高清视频广播服务：采用H.264或MPEG4流运行在多个典型场景下的无线信道环境。该结果验证了提出的无线信道仿真机制能够支持变化的场景下GSM-R系统的无线信道仿真。
结语
综上所述，TD-LTE在铁路上的应用很广泛特别是在铁路单元重载、高密度、高速度条件下对提升运输效率、持续扩大运能具有非常重要的现实意义，而且前景十分光明。当前很多路段都已一次性升级为TD-LTF通信系统。但是在D-LTE在不断发展的过程中，也需要将各种存在的问题进行解决，如今无线通信的发展趋势就是高速宽带，在对铁路通信系统进行升级管理过程中，需要对后期维护管理进行简化，推动铁路无线宽带通信的更进一步发展。
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