作者：全路通 李莉

1 概述

近十年來，隨著我國鐵路的快速發(fā)展，GSM-R系統(tǒng)在青藏高原鐵路、大秦重載鐵路、京滬高速鐵路、鄭西客運專線等線路上得到了廣泛的應用。然而，伴隨著眾多鐵路新業(yè)務需求的涌現(xiàn)，比如：列車視頻監(jiān)控業(yè)務、列車實時監(jiān)控業(yè)務等，對鐵路移動通信系統(tǒng)提出更高的要求，需要其能夠提供更大的帶寬、更低的時延。

GSM-R作為第二代移動通信技術(shù)，屬于窄帶通信系統(tǒng)，頻譜利用率較低，主要承載話音業(yè)務和少量數(shù)據(jù)業(yè)務，數(shù)據(jù)速率較低，一般僅為2400-9600bps，即使采用GPRS技術(shù)，數(shù)據(jù)速率也僅能達到一百多kbps。這使得在現(xiàn)有GSM-R平臺上開拓各種新業(yè)務，特別是對帶寬需求較高的業(yè)務，難度非常大。

另一方面，隨著公眾移動通信網(wǎng)從2G向3G、4G方向發(fā)展，GSM市場正在逐步萎縮。GSM-R設備生產(chǎn)商已經(jīng)紛紛表示將在2025年左右停止相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，GSM-R向鐵路下一代移動通信系統(tǒng)演進已成大勢所趨。國際鐵路聯(lián)盟（UIC）也已經(jīng)著手進行鐵路下一代通信系統(tǒng)標準的制定。

正是在這樣的形勢和背景下，原鐵道部組織開展了“鐵路下一代移動通信系統(tǒng)總體技術(shù)研究”科研項目，開啟對鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的研究工作。

2 鐵路下一代移動通信系統(tǒng)制式選擇

目前公眾移動通信和一些發(fā)達國家鐵路主要采用的移動通信制式包括：第三代移動通信技術(shù)（3G）、Wi-Fi技術(shù)、WiMAX技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和LTE技術(shù)。

3G系統(tǒng)是相對于第一代（1G）與第二代（2G）移動通信系統(tǒng)而言的寬帶移動通信系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸速率上有了很大的提升，最高可以支持2Mbit/s的速率，而3.5G 技術(shù)—高速分組接入技術(shù)最高達到5.76Mbit/s速率。

Wi-Fi是一種無線局域網(wǎng)技術(shù)，主要為個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等提供無線寬帶連接。Wi-Fi傳輸速率最高可達54Mbit/s、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡建設成本低；然而由于使用免授權(quán)頻段，Wi-Fi容易受到其他系統(tǒng)的干擾，通信質(zhì)量難以保證、對移動性支持較差 、安全性較差。

WiMAX是一種寬帶無線城域網(wǎng)技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。WiMAX具有高QoS保障、傳輸速率高（最高可達70Mbit/s）、傳輸距離遠（最高可達50km）等優(yōu)點。然而WiMAX對移動性支持較差，主要針對游牧或低速移動狀態(tài)下的數(shù)據(jù)接入，解決熱點覆蓋。

衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼，將地面上無線通信站發(fā)來的信號經(jīng)過放大、移頻后轉(zhuǎn)發(fā)給地面無線通信站，從而實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信。衛(wèi)星通信具有通信范圍大、傳輸頻帶寬，通信容量大、通信穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、組網(wǎng)方便等優(yōu)點。然而衛(wèi)星通信也存在傳輸時延大、終端體積較大，通信成本高等缺點。

LTE技術(shù)是3GPP組織為應對新業(yè)務的需求，以及WiMAX等無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn)而提出的新一代寬帶移動通信技術(shù)。與3G相比，LTE更具有技術(shù)優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為頻譜利用率高、數(shù)據(jù)速率高、載波帶寬靈活可變、覆蓋范圍廣和業(yè)務實時性好。目前，LTE系統(tǒng)已在全球范圍內(nèi)展開商用和試驗。據(jù)全球移動設備供應商協(xié)會統(tǒng)計，截至2012年6月4日，已經(jīng)推出LTE商用服務的運營商有80家。國內(nèi)也已開展TD-LTE系統(tǒng)的試驗和驗證工作，大致分為概念驗證、外場技術(shù)研發(fā)試驗、外場規(guī)模試驗等幾個階段。

相比于其他4種備選技術(shù)，LTE作為當前移動通信發(fā)展方向，采用了大量最新的研究成果，在對高速率、低時延、高速移動、安全性等方面的支持都較為符合鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的需求。就產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，LTE作為公眾移動通信的發(fā)展方向已成為共識，得到了國家以及各大運營商和設備制造商的支持，具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈。采用LTE技術(shù)作為鐵路下一代移動通信系統(tǒng)，風險較小。而且UIC已經(jīng)確定鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的演進路線將跨越3G技術(shù)，直接由GSM-R技術(shù)向LTE發(fā)展。

綜合技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和國際發(fā)展趨勢，選擇LTE技術(shù)作為我國鐵路下一代移動通信系統(tǒng)發(fā)展方向是合理的選擇。為簡化表示，鐵路下一代移動通信系統(tǒng)以LTE-R代替。

3 LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標研究

通過對3GPP標準的研究及國內(nèi)外測試工作的總結(jié)，本文將LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標劃分為3類，即系統(tǒng)指標、業(yè)務質(zhì)量指標與網(wǎng)絡質(zhì)量指標。分別從系統(tǒng)設計角度、業(yè)務角度、網(wǎng)絡角度提出技術(shù)指標。LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標體系如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)指標

3.1.1 系統(tǒng)帶寬

LTE系統(tǒng)支持1.4、3、5、10、15MHz和20MHz帶寬，同時支持在成對和非成對頻段上部署。根據(jù)對未來鐵路業(yè)務的初步估計，高速鐵路近期（2025年以前）主要滿足鐵路運營需要，帶寬需求至少為15MHz（TDD）、上下行各6MHz（FDD）。

3.1.2 頻段

關(guān)于LTE-R頻段方面，結(jié)合3GPP對E-UTRA頻段的建議和我國無線電管理委員會整體的頻率規(guī)劃，研究E-UTRA頻段中我國的規(guī)劃及目前開展的業(yè)務，為LTE-R系統(tǒng)選擇合適的頻段。

結(jié)合表1的分析，未來我國LTE-R系統(tǒng)若采用TDD制式，可能會遵從產(chǎn)業(yè)化的需要，室外選擇2.6GHz頻段或1.9GHz頻段，室內(nèi)選擇2.3GHz頻段，也有可能申請更低的頻段，但受制于政策及廠家的支持度。LTE-R系統(tǒng)若采用FDD制式，3GPP建議的700MHz頻段目前為廣電使用，800MHz頻段主要為CDMA、GSM使用，但尚存在一些空閑頻段，故可能選擇的頻段是800MHz 或1.4GHz附近頻段或1.7GHz附近頻段。若從國家對專網(wǎng)的一些頻段劃分傾向來看，LTE-R系統(tǒng)可能選擇1.4GHz（1447-1467MHz）或1.8GHz（1785-1805MHz）頻段。

總之，建議LTE-R系統(tǒng)在我國可用頻段上盡量爭取低頻段資源，如800MHz頻段或1.4GHz頻段。

3.1.3 峰值傳輸速率和峰值頻譜效率

LTE系統(tǒng)對峰值傳輸速率和峰值頻譜效率的性能要求如下：

下行峰值傳輸速率應>100Mbit/s（FDD，在20MHz帶寬，2*2空分復用條件下）。

下行峰值頻譜效率>5bit/s/Hz（FDD，在20MHz帶寬，2*2空分復用條件下）。

上行峰值傳輸速率應>50Mbit/s（FDD，在20MHz帶寬，單天線傳輸條件下）。

上行峰值頻譜效率>2.5bit/s/Hz（FDD，在20MHz帶寬，單天線傳輸條件下）。

上述是針對上行、下行各采用20MHz帶寬情況下性能指標的要求，在TDD模式下，上、下行共享20MHz帶寬，不必同時達到上述上、下行的要求。

LTE-R系統(tǒng)對此指標的要求與LTE系統(tǒng)相同。

3.1.4 移動性

LTE-R系統(tǒng)要求在低速場景（0-15km/h）系統(tǒng)性能非常好，在較高速場景（15-120 km/h）能實現(xiàn)較好性能，能支持在350km/h，甚至500 km/h時速下的通信。

3.2 業(yè)務質(zhì)量指標

LTE系統(tǒng)中業(yè)務質(zhì)量指標包括服務質(zhì)量等級指示（QCI）、分配與保持優(yōu)先級（ARP）、保證比特速率（GBR）、最大比特速率（MBR）和聚合最大比特速率（AMBR）。其中，QCI是最重要的參數(shù)，LTE標準中將QCI劃分為9個等級，每種等級定義如表2所示。根據(jù)鐵路業(yè)務特點，確定每種鐵路業(yè)務的QCI，如表2所示。

3.3 網(wǎng)絡質(zhì)量指標

3.3.1 覆蓋

實際組網(wǎng)時，覆蓋范圍主要取決于邊緣用戶速率的大小需求，如500 kbit/s、1Mbit/s、2Mbit/s 等，不同的目標數(shù)據(jù)速率的解調(diào)門限不同，導致覆蓋半徑也不同，因此確定合理的目標速率后，才能得到準確的覆蓋。LTE系統(tǒng)中覆蓋指標主要包含RSRP和RS-SINR。

（1）RSRP

RSRP表示接收信號強度的絕對值，一定程度上可反映移動臺距離基站的遠近，因此這個值可以用來度量小區(qū)覆蓋范圍大小。RSRP是承載小區(qū)參考信號RE上的線性平均功率。

（2）RS-SINR

RS-SINR指UE在RS信道上測量的信噪比，是指示信道質(zhì)量的關(guān)鍵指標之一。RS-SINR在終端定義為RS有用信號與干擾（或噪聲或干擾加噪聲）相比強度，由UE測量得到。

參考國內(nèi)TD-LTE試驗網(wǎng)的測試情況，建議LTE-R系統(tǒng)覆蓋指標要求如下：

RSRP： RSRP>-110dBm的面積占90%以上。

空載條件下RS-SINR：大于5dB的面積占90%以上。

滿載條件下RS-SINR：大于-3dB的面積占90%以上。

3.3.2容量

（1）小區(qū)平均吞吐量

小區(qū)平均吞吐量是以小區(qū)為單位統(tǒng)計的吞吐量。結(jié)合未來鐵路業(yè)務需求及LTE系統(tǒng)測試情況，LTE-R系統(tǒng)容量要求如下：

在0~120km/h場景、20MHz帶寬條件下，小區(qū)上下行平均吞吐量要達到60Mbit/s。

在120~350km/h場景、20MHz帶寬條件下，小區(qū)上下行平均吞吐量要達到40Mbit/s。

（2）邊緣用戶吞吐量

結(jié)合未來鐵路業(yè)務需求及LTE系統(tǒng)測試結(jié)果，LTE-R系統(tǒng)上下行邊緣用戶吞吐量的目標是1Mbit/s。

（3）VoIP用戶數(shù)

VoIP用戶數(shù)表示系統(tǒng)對語音業(yè)務的支持能力。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)在20MHz帶寬，每扇區(qū)VoIP的最大用戶數(shù)應達到400個。

（4）同時在線并發(fā)（激活）用戶數(shù)

同時在線并發(fā)（激活）用戶數(shù)取決于LTE協(xié)議字段的設計和設備能力。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)在20MHz帶寬內(nèi)，單小區(qū)應能提供超過1200個“最大同時在線用戶數(shù)”的能力。

（5）同時調(diào)度的用戶數(shù)

同時調(diào)度的用戶數(shù)指的是一個TTI內(nèi)可以同時得到調(diào)度，傳輸數(shù)據(jù)的用戶數(shù)。該指標受限于上下行控制信道的配置。采用動態(tài)調(diào)度時，一個TTI能同時調(diào)度的用戶數(shù)約70個。

3.3.3 其他指標

（1）附著成功率

終端附著到網(wǎng)絡需經(jīng)歷以下幾個步驟：開機后小區(qū)搜索、隨機接入、RRC連接建立以及附著與EPS默認承載建立，這些步驟后能傳送用戶數(shù)據(jù)，則附著才算成功。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的附著成功率要求≥99%。

（2）RRC連接建立成功率

RRC連接建立成功率指終端發(fā)起RRC連接建立請求并成功建立連接的次數(shù)與終端發(fā)起RRC連接建立請求總次數(shù)之比，RRC連接成功后，UE從IDLE狀態(tài)轉(zhuǎn)為CONNECTED狀態(tài)。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的RRC連接建立成功率要求≥99%。

（3）尋呼成功率

尋呼成功率等于尋呼成功次數(shù)與EPC 發(fā)起尋呼請求總次數(shù)比值。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的尋呼成功率要求≥99%。

（4）RRC連接異常掉線率

對處于RRC連接狀態(tài)的用戶，存在由于eNB異常釋放UE RRC連接的情況，這種概率表示基站RRC連接保持性能，一定程度上反映用戶對網(wǎng)絡的感受。結(jié)合國內(nèi)測試情況，LTE-R系統(tǒng)的RRC連接異常掉線率要求≤5%。

（5）切換成功率

切換成功率包括eNodeB內(nèi)切換成功率、X2口切換成功率、S1口切換成功率。

切換成功率等于切換成功次數(shù)與切換嘗試次數(shù)的比值。高速鐵路移動通信對切換成功率要求較高，LTE-R系統(tǒng)各種切換成功率均應≥99.5%。

（6）控制面時延

LTE系統(tǒng)主要有兩種狀態(tài)，即“RRC_IDLE”（空閑狀態(tài)）和“RRC_CONNECT”（激活狀態(tài)），從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間應小于100ms。LTE-R系統(tǒng)要求與LTE系統(tǒng)相同。

（7）用戶面時延

用戶平面時延指UE（或RAN邊緣節(jié)點）發(fā)送IP層數(shù)據(jù)到RAN邊緣節(jié)點（或UE）的單向傳輸時延。在無負載的小IP包（僅有IP包頭，無負載）情況下，時延應小于5ms。LTE-R系統(tǒng)要求與LTE系統(tǒng)相同。

4 結(jié)論

在下一代移動通信系統(tǒng)研究的背景下，本文對比分析得出鐵路下一代移動通信系統(tǒng)適宜采用的制式，即LTE，在此制式下，結(jié)合公網(wǎng)LTE系統(tǒng)應用情況及鐵路特殊業(yè)務和環(huán)境需求，明確了LTE-R系統(tǒng)技術(shù)指標體系，包括3大類，即系統(tǒng)指標、業(yè)務質(zhì)量指標和網(wǎng)絡質(zhì)量指標。系統(tǒng)技術(shù)指標體系的建立為我國LTE-R系統(tǒng)的設計、研發(fā)等工作提供了一定的參考作用，其中的帶寬需求和頻段建議為盡早開展鐵路下一代移動通信系統(tǒng)頻率申請工作提供了依據(jù)。

但應注意到，文中提出的指標建議僅基于目前的研究成果，今后還要結(jié)合LTE關(guān)鍵技術(shù)在鐵路的適用性、下一代鐵路的業(yè)務需求對技術(shù)指標展開深入研究；另一方面，要通過搭建LTE-R試驗網(wǎng)，獲得真實鐵路環(huán)境下LTE-R系統(tǒng)的技術(shù)指標。