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通信系統(tǒng)與鐵路管理論文簡述
1LTE無線寬帶通信系統(tǒng)
LTE是一項(xiàng)寬帶無線通信技術(shù)，具有數(shù)據(jù)速率更高、成本更低、時(shí)延更短以及覆蓋質(zhì)量、系統(tǒng)容量更好的特點(diǎn)。LTE是鐵路更早使用的GSM-R數(shù)字通信技術(shù)升級版的系統(tǒng)技術(shù)，與未來無線通信系統(tǒng)寬帶化、移動(dòng)化以及IP化等發(fā)展趨勢相一致，可以為鐵路提供更加好的業(yè)務(wù)承載平臺(tái)。LTE技術(shù)可分為TD-LTE時(shí)分系統(tǒng)與FDD-LTE頻分系統(tǒng)，其中TD-LTE時(shí)分系統(tǒng)在國內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，不但有知識產(chǎn)權(quán)，還具有配置比較靈活、頻譜利用率比較高的特點(diǎn)。
1.1TD-LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
TD-LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有扁平化的特點(diǎn)，其組成部分即為eUTRAN演進(jìn)無線接入網(wǎng)與eCN核心網(wǎng)。其中eCN核心網(wǎng)的組成部分就是服務(wù)網(wǎng)關(guān)和移動(dòng)管理，其主要工作內(nèi)容就是對用戶信息和數(shù)據(jù)安全性進(jìn)行管理，還負(fù)責(zé)用戶鑒權(quán)、移動(dòng)信令和軟交換等內(nèi)容。而eUTRAN演進(jìn)無線接入網(wǎng)的組成部分則是eNodeB基站，具有無線承載控制、無線資源管理和移動(dòng)性管理以及數(shù)據(jù)尋址等功能。
1.2TD-LTE的技術(shù)特點(diǎn)
TD-LTE可以為核心網(wǎng)、具有增強(qiáng)功能的IP多媒體子系統(tǒng)、多媒體廣播多播技術(shù)等提供技術(shù)支持。同時(shí)還能夠?qū)μ幱?.25～20MHz的帶寬單一頻段提供支持，而且并不需要進(jìn)行上下行對稱頻譜。TD-LTE采用的技術(shù)包括正交頻分復(fù)用技術(shù)、多入多出技術(shù)、混合自動(dòng)重傳技術(shù)以及AMC自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)等，上、下行峰值的相關(guān)數(shù)據(jù)速率分別可以達(dá)到75Mbit/s、150Mbit/s。TD-LTE技術(shù)的頻譜利用率比較高，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其時(shí)延用戶面小于10ms（雙向），控制面小于100ms，而且還能支持具有非對稱性的上下行數(shù)據(jù)傳輸、多種方式的同頻組網(wǎng)、高速達(dá)到350km/h的移動(dòng)用戶。另外，TD-LTE技術(shù)還為GSM-R系統(tǒng)升級提供技術(shù)支持，而且網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本比較低，比3G無線通信網(wǎng)絡(luò)低兩倍。TD-LTE技術(shù)還能夠通過VOIP協(xié)議開展承載話音等服務(wù)，為femto等微基站連接提供技術(shù)支持，具有比較靈活的覆蓋模式。
1.3TD-LTE頻率資源
國家分配給國內(nèi)三大運(yùn)營商的頻段分別為中國移動(dòng)共獲得130MHz，分別為1880～1900MHz、2320～2370MHz、2575～2635MHz；中國聯(lián)通獲得40MHz，分別為2300～2320MHz、2555～2575MHz；中國電信獲得40MHz，分別為2370～2390MHz、2635～2655MHz。而較早使用在鐵路上的GSM-R技術(shù)則使用900MHz頻段，無法滿足TD-LTE寬帶通信數(shù)據(jù)移動(dòng)業(yè)務(wù)的開展要求，因此可以考慮申請使用1785～1805MHz的TDD行業(yè)用戶頻段以及1447～1467MHz的固定移動(dòng)用戶頻段等。
1.4TD-LTE系統(tǒng)容量
TD-LTE系統(tǒng)主要對通信的最大吞吐量這個(gè)要素進(jìn)行考量，而且還會(huì)實(shí)現(xiàn)對最大用戶數(shù)的支持。在鐵路通信系統(tǒng)中，用戶數(shù)量和鏈狀覆蓋模式一般都比較有限，通常會(huì)用承載業(yè)務(wù)的質(zhì)量與數(shù)量來表示吞吐量。而吞吐量的重要表征則是用戶峰值速率，一般都會(huì)受到控制信道開銷、時(shí)隙配比和調(diào)制方式等方面的因素影響。
1.5TD-LTE系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)
TD-LTE為異頻、同頻以及混合等形式的組網(wǎng)提供技術(shù)支持。其中頻譜利用率最高的就是同頻組網(wǎng)，但是小區(qū)的同頻干擾會(huì)極大地影響到通信速率。而頻譜利用率較低的則是異頻組網(wǎng)，和同頻組網(wǎng)相反，不會(huì)對小區(qū)邊緣的通信速率產(chǎn)生太大影響。而混合組網(wǎng)雖然將同頻對控制信道的干擾減少了，也對邊緣通信質(zhì)量與頻譜利用率進(jìn)行了改善，但是卻仍然需要其他設(shè)備來為這項(xiàng)功能提供支持。因此，可以采用混合組網(wǎng)或者同頻來解決，將小區(qū)擴(kuò)大，還要將小區(qū)邊緣重疊的區(qū)域進(jìn)行壓縮并且減小，再結(jié)合ICIC小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對小區(qū)整體數(shù)據(jù)吞吐量的提高。LTE切換與GSM-R相似，其過程都是硬切換，由源eNodeB發(fā)起，再由UE進(jìn)行輔助。當(dāng)切換過程失敗之后，可以返回源小區(qū)。在切換的過程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延至多只能是50ms。如果是二次連續(xù)進(jìn)行切換，則其間隔最多為200ms。在對切換區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，列車經(jīng)過的信號重疊區(qū)所用到的時(shí)間應(yīng)該比切換間隔還要大。如果高鐵速度為350km/h，切換區(qū)長度至多只能是20m。而常規(guī)切換機(jī)制都要基于業(yè)務(wù)負(fù)荷控制、覆蓋功率預(yù)算、移動(dòng)速度與移動(dòng)位置，還需要對其進(jìn)行強(qiáng)制切換。LTE在定位上精度要求比較高，一般可以達(dá)到10m量級。鐵路用戶的使用軌跡以及區(qū)域一般都具有固定性，采取的混合切換機(jī)制可以建立在功率預(yù)算以及位置之上。這樣，就可以將切換時(shí)間盡可能地減少，同時(shí)也能夠?qū)⑶袚Q的成功率切實(shí)提高起來。另外，減少切換時(shí)間，對小區(qū)邊緣的地方進(jìn)行壓縮，還能夠?qū)崿F(xiàn)對小區(qū)數(shù)據(jù)吞吐率的有效提高。
1.6隧道覆蓋技術(shù)
根據(jù)隧道漏纜覆蓋要求可以將允許路徑損耗值計(jì)算出來，如上行100.6dB，下行111.27dB。而當(dāng)泄漏電纜頻段為1.8GHz，覆蓋長度為上行730m，下行為880m時(shí)，按照鐵路業(yè)務(wù)量的相關(guān)需求，每個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元小區(qū)范圍可以達(dá)到4km。隧道內(nèi)兩側(cè)都可以分別敷設(shè)一根漏纜，從而實(shí)現(xiàn)雙流多入多出。而通過RRU、直放站和TD-LTE數(shù)字射頻拉遠(yuǎn)等中繼設(shè)備，可以將隧道LTE的覆蓋范圍進(jìn)行有效擴(kuò)大。
2TD-LTE在鐵路上的應(yīng)用
由于IP具有連接特性以及LTE的高速寬帶等特點(diǎn)，LTE被廣泛應(yīng)用于鐵路領(lǐng)域之中。其應(yīng)用形式一般有列車視頻監(jiān)控、列控車地傳輸、旅客多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)、列車無線調(diào)度通信以及應(yīng)急通信等等。如今LTE無線寬帶通信系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于朔黃鐵路列控系統(tǒng)以及地鐵車地通信之中。而在鐵路中，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的主要業(yè)務(wù)組成有eCNS核心網(wǎng)和eUTRAN無線接入網(wǎng)、高速IP傳輸網(wǎng)、移動(dòng)終端以及業(yè)務(wù)應(yīng)用層。其中業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括RBC列控業(yè)務(wù)、TDCS業(yè)務(wù)、應(yīng)急通信業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)以及防災(zāi)預(yù)警業(yè)務(wù)等等。
2.1無線調(diào)度系統(tǒng)
到目前為止，鐵路無線列調(diào)提供的業(yè)務(wù)只有兩種，包括窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)。通過VOIP技術(shù)，LTE可以使得一個(gè)eNB小區(qū)在同一時(shí)間滿足600個(gè)用戶的語音通信需求。另外，LTE技術(shù)還具備寬帶集群調(diào)度的功能，比GSM-R的系統(tǒng)容量更加大、時(shí)延也更加短，而且具有語音數(shù)據(jù)融合調(diào)度的特點(diǎn)。LTE還可以為視頻調(diào)度提供技術(shù)支持，有利于使用車輛的人進(jìn)行精確定位，從而將列車調(diào)度的可靠性以及安全性有效提高起來。
2.2車載數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控
車載數(shù)據(jù)具有五種類型：第一是列車設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，它可以對機(jī)車的電力與動(dòng)力等相關(guān)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；第二是列車控制數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)內(nèi)容包括車機(jī)聯(lián)控、ATO、ATP以及列控等，具有較高的可靠性；第三是列車多媒體視頻廣播，能夠根據(jù)旅客的相關(guān)類型與地域的特點(diǎn)而播放高清視頻廣播，為旅客提供比較舒適的環(huán)境；第四是車廂視頻監(jiān)控，可以對車廂以及乘客的狀態(tài)進(jìn)行了解，從而為列車與乘客的安全提供保證；第五是列車外部視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能夠?qū)λ緳C(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督以及了解，確保列車的駕駛安全。而調(diào)度中心也可以通過視頻而對車廂內(nèi)外的實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行了解，從而掌握列車與乘客的狀態(tài)，確保列車與乘客安全。車載數(shù)據(jù)會(huì)通過數(shù)據(jù)而實(shí)現(xiàn)與單元之間的接入，然后再通過LTE把車內(nèi)的IP局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔�。TD-LTE列車與單元TAU相接入，可以支持多種專網(wǎng)頻段。而且在高速移動(dòng)的前提下，TAU單元還能夠滿足其性能要求。在TAU單元中，可以將雙天線接口外置，而且能夠支持雙流以及多集。同時(shí)還可以內(nèi)置NAT、DNS以及DNCPServer等多種功能，提供EEE802.3/3u的以太網(wǎng)接入。其管理界面以WEB方式建立，具有方便而且非常直觀的特點(diǎn)。TAU單元還對遠(yuǎn)程維護(hù)功能提供支持，包括軟件升級、狀態(tài)管理以及配置管理三個(gè)方面。除此之外，還能夠與車廂內(nèi)濕熱、高溫以及嚴(yán)酷電磁環(huán)境的相關(guān)使用要求相適應(yīng)。
2.3LTE安全網(wǎng)絡(luò)
LTE網(wǎng)絡(luò)需要通過對容災(zāi)進(jìn)行備份而為鐵路安全數(shù)據(jù)提供可靠性的保證。首先就要采用雙層網(wǎng)絡(luò)與雙網(wǎng)冗余實(shí)現(xiàn)對核心網(wǎng)的連接，eNodeB板卡要進(jìn)行冗余配備，然后再采用雙頻和雙網(wǎng)對其進(jìn)行交織與覆蓋，必須要在系統(tǒng)安全冗余有保證的前提下，避免同頻干擾，從而為網(wǎng)絡(luò)的性能及其安全提供保證。
2.4旅客信息服務(wù)系統(tǒng)
如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，信息化程度日漸提高，網(wǎng)絡(luò)越來越成為社會(huì)生活非常重要的一部分。而其中LTE可以通過單元TAU提供質(zhì)量較優(yōu)的多媒體信息服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)等。另外，還有高清視頻廣播服務(wù)以及乘客互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。其中高清視頻廣播服務(wù)采用的技術(shù)一般都是MPEG4或者H.264流媒體技術(shù)，乘客可以在車上觀看高清或者標(biāo)清電視節(jié)目。其采用的技術(shù)碼率一般都是1.5～3Mbit/s。另外，還可以在實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)丟包矛盾發(fā)生時(shí)，通過HARP重傳機(jī)制進(jìn)行解決，從而使得圖像和視頻都能夠保持流暢以及穩(wěn)定。而在乘客互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中，如果根據(jù)每輛列車有100個(gè)用戶來進(jìn)行相關(guān)估計(jì)，當(dāng)每個(gè)用戶都上網(wǎng)時(shí)，那么LTE網(wǎng)絡(luò)能夠提供的連接速率不會(huì)低于100kbit/s，能夠?yàn)槌丝吞峁┝己玫幕ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)，提高乘客舒適度以及滿意度。
3結(jié)語
TD-LTE在鐵路上的應(yīng)用很廣泛，而且前景十分光明，但是卻依然存在一些不足之處。當(dāng)采用同頻組網(wǎng)時(shí)，其干擾對邊緣數(shù)據(jù)帶寬帶來的影響比較嚴(yán)重，下降幅度比較大。在射頻方面，其發(fā)射功率受到一定程度的限制。而且，如果要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，難度會(huì)比較大。因此，TD-LTE在不斷發(fā)展的過程中，也需要將各種存在的問題進(jìn)行解決。如今有關(guān)于LTE-R的國際標(biāo)準(zhǔn)還沒有被頒布出來，但是LTE無線寬帶通信系統(tǒng)在被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也在不斷被探索和研究。如今無線通信的發(fā)展趨勢就是高速寬帶，在對鐵路進(jìn)行管理時(shí)，需要將鐵路建設(shè)的成本降低下來，從而實(shí)現(xiàn)對后期維護(hù)管理的簡化，推動(dòng)鐵路無線寬帶通信的更進(jìn)一步發(fā)展。
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