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通信系统与铁路管理论文

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1LTE无线宽带通信系统

LTE是一项宽带无线通信技术,具有数据速率更高、成本更低、时延更短以及覆盖质量、系统容量更好的特点。LTE是铁路更早使用的GSM-R数字通信技术升级版的系统技术,与未来无线通信系统宽带化、移动化以及IP化等发展趋势相一致,可以为铁路提供更加好的业务承载平台。LTE技术可分为TD-LTE时分系统与FDD-LTE频分系统,其中TD-LTE时分系统在国内占据主导地位,不但有知识产权,还具有配置比较灵活、频谱利用率比较高的特点。

1.1TD-LTE网络结构

TD-LTE网络结构具有扁平化的特点,其组成部分即为eUTRAN演进无线接入网与eCN核心网。其中eCN核心网的组成部分就是服务网关和移动管理,其主要工作内容就是对用户信息和数据安全性进行管理,还负责用户鉴权、移动信令和软交换等内容。而eUTRAN演进无线接入网的组成部分则是eNodeB基站,具有无线承载控制、无线资源管理和移动性管理以及数据寻址等功能。

1.2TD-LTE的技术特点

TD-LTE可以为核心网、具有增强功能的IP多媒体子系统、多媒体广播多播技术等提供技术支持。同时还能够对处于1.25~20MHz的带宽单一频段提供支持,而且并不需要进行上下行对称频谱。TD-LTE采用的技术包括正交频分复用技术、多入多出技术、混合自动重传技术以及AMC自适应调制编码技术等,上、下行峰值的相关数据速率分别可以达到75Mbit/s、150Mbit/s。TD-LTE技术的频谱利用率比较高,在进行数据传输时,其时延用户面小于10ms(双向),控制面小于100ms,而且还能支持具有非对称性的上下行数据传输、多种方式的同频组网、高速达到350km/h的移动用户。另外,TD-LTE技术还为GSM-R系统升级提供技术支持,而且网络建设成本比较低,比3G无线通信网络低两倍。TD-LTE技术还能够通过VOIP协议开展承载话音等服务,为femto等微基站连接提供技术支持,具有比较灵活的覆盖模式。

1.3TD-LTE频率资源

国家分配给国内三大运营商的频段分别为中国移动共获得130MHz,分别为1880~1900MHz、2320~2370MHz、2575~2635MHz;中国联通获得40MHz,分别为2300~2320MHz、2555~2575MHz;中国电信获得40MHz,分别为2370~2390MHz、2635~2655MHz。而较早使用在铁路上的GSM-R技术则使用900MHz频段,无法满足TD-LTE宽带通信数据移动业务的开展要求,因此可以考虑申请使用1785~1805MHz的TDD行业用户频段以及1447~1467MHz的固定移动用户频段等。

1.4TD-LTE系统容量

TD-LTE系统主要对通信的最大吞吐量这个要素进行考量,而且还会实现对最大用户数的支持。在铁路通信系统中,用户数量和链状覆盖模式一般都比较有限,通常会用承载业务的质量与数量来表示吞吐量。而吞吐量的重要表征则是用户峰值速率,一般都会受到控制信道开销、时隙配比和调制方式等方面的因素影响。

1.5TD-LTE系统组网技术

TD-LTE为异频、同频以及混合等形式的组网提供技术支持。其中频谱利用率最高的就是同频组网,但是小区的同频干扰会极大地影响到通信速率。而频谱利用率较低的则是异频组网,和同频组网相反,不会对小区边缘的通信速率产生太大影响。而混合组网虽然将同频对控制信道的干扰减少了,也对边缘通信质量与频谱利用率进行了改善,但是却仍然需要其他设备来为这项功能提供支持。因此,可以采用混合组网或者同频来解决,将小区扩大,还要将小区边缘重叠的区域进行压缩并且减小,再结合ICIC小区干扰协调技术以实现对小区整体数据吞吐量的提高。LTE切换与GSM-R相似,其过程都是硬切换,由源eNodeB发起,再由UE进行辅助。当切换过程失败之后,可以返回源小区。在切换的过程中,数据传输的时延至多只能是50ms。如果是二次连续进行切换,则其间隔最多为200ms。在对切换区进行设计时,列车经过的信号重叠区所用到的时间应该比切换间隔还要大。如果高铁速度为350km/h,切换区长度至多只能是20m。而常规切换机制都要基于业务负荷控制、覆盖功率预算、移动速度与移动位置,还需要对其进行强制切换。LTE在定位上精度要求比较高,一般可以达到10m量级。铁路用户的使用轨迹以及区域一般都具有固定性,采取的混合切换机制可以建立在功率预算以及位置之上。这样,就可以将切换时间尽可能地减少,同时也能够将切换的成功率切实提高起来。另外,减少切换时间,对小区边缘的地方进行压缩,还能够实现对小区数据吞吐率的有效提高。

1.6隧道覆盖技术

根据隧道漏缆覆盖要求可以将允许路径损耗值计算出来,如上行100.6dB,下行111.27dB。而当泄漏电缆频段为1.8GHz,覆盖长度为上行730m,下行为880m时,按照铁路业务量的相关需求,每个射频拉远单元小区范围可以达到4km。隧道内两侧都可以分别敷设一根漏缆,从而实现双流多入多出。而通过RRU、直放站和TD-LTE数字射频拉远等中继设备,可以将隧道LTE的覆盖范围进行有效扩大。

2TD-LTE在铁路上的应用

由于IP具有连接特性以及LTE的高速宽带等特点,LTE被广泛应用于铁路领域之中。其应用形式一般有列车视频监控、列控车地传输、旅客多媒体业务服务、列车无线调度通信以及应急通信等等。如今LTE无线宽带通信系统已经逐渐被应用于朔黄铁路列控系统以及地铁车地通信之中。而在铁路中,TD-LTE网络的主要业务组成有eCNS核心网和eUTRAN无线接入网、高速IP传输网、移动终端以及业务应用层。其中业务应用层包括RBC列控业务、TDCS业务、应急通信业务、视频监控业务以及防灾预警业务等等。

2.1无线调度系统

到目前为止,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eNB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。

2.2车载数据与视频监控

车载数据具有五种类型:第一是列车设备运行监控数据,它可以对机车的电力与动力等相关设备状态进行实时监控;第二是列车控制数据,其数据内容包括车机联控、ATO、ATP以及列控等,具有较高的可靠性;第三是列车多媒体视频广播,能够根据旅客的相关类型与地域的特点而播放高清视频广播,为旅客提供比较舒适的环境;第四是车厢视频监控,可以对车厢以及乘客的状态进行了解,从而为列车与乘客的安全提供保证;第五是列车外部视频监控数据,能够对司机的工作状态进行监督以及了解,确保列车的驾驶安全。而调度中心也可以通过视频而对车厢内外的实际情况随时进行了解,从而掌握列车与乘客的状态,确保列车与乘客安全。车载数据会通过数据而实现与单元之间的接入,然后再通过LTE把车内的IP局域网数据传输到地面上。TD-LTE列车与单元TAU相接入,可以支持多种专网频段。而且在高速移动的前提下,TAU单元还能够满足其性能要求。在TAU单元中,可以将双天线接口外置,而且能够支持双流以及多集。同时还可以内置NAT、DNS以及DNCPServer等多种功能,提供EEE802.3/3u的以太网接入。其管理界面以WEB方式建立,具有方便而且非常直观的特点。TAU单元还对远程维护功能提供支持,包括软件升级、状态管理以及配置管理三个方面。除此之外,还能够与车厢内湿热、高温以及严酷电磁环境的相关使用要求相适应。

2.3LTE安全网络

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,eNodeB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。

2.4旅客信息服务系统

如今社会经济发展快速,信息化程度日渐提高,网络越来越成为社会生活非常重要的一部分。而其中LTE可以通过单元TAU提供质量较优的多媒体信息服务,如网络等。另外,还有高清视频广播服务以及乘客互联网服务。其中高清视频广播服务采用的技术一般都是MPEG4或者H.264流媒体技术,乘客可以在车上观看高清或者标清电视节目。其采用的技术码率一般都是1.5~3Mbit/s。另外,还可以在实时性与数据丢包矛盾发生时,通过HARP重传机制进行解决,从而使得图像和视频都能够保持流畅以及稳定。而在乘客互联网服务中,如果根据每辆列车有100个用户来进行相关估计,当每个用户都上网时,那么LTE网络能够提供的连接速率不会低于100kbit/s,能够为乘客提供良好的互联网服务,提高乘客舒适度以及满意度。

3结语

TD-LTE在铁路上的应用很广泛,而且前景十分光明,但是却依然存在一些不足之处。当采用同频组网时,其干扰对边缘数据带宽带来的影响比较严重,下降幅度比较大。在射频方面,其发射功率受到一定程度的限制。而且,如果要对网络进行优化,难度会比较大。因此,TD-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。如今有关于LTE-R的国际标准还没有被颁布出来,但是LTE无线宽带通信系统在被广泛应用的同时,也在不断被探索和研究。如今无线通信的发展趋势就是高速宽带,在对铁路进行管理时,需要将铁路建设的成本降低下来,从而实现对后期维护管理的简化,推动铁路无线宽带通信的更进一步发展。

作者:许准 单位:中国移动通信集团江苏有限公司

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