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基于4G LTE技术的高速铁路移动通信系统KS Solanki教授，Kratika ChouhanUjjain工程学院，印度Madhya Pradesh的Ujjain摘要：随着时间发展，高速铁路（HSR）要求可靠的，安全的列车运行和乘客通信。为了实现这个目标，HSR的系统需要更高的带宽和更短的响应时间，而且HSR的旧技术需要进行发展，开发新技术，改进现有的架构和控制成本。为了满足这一要求，HSR采用了GSM的演进GSM-R技术，但它并不能满足客户的需求。因此采用了新技术LTE-R，它提供了更高的带宽，并且在高速下提供了更高的客户满意度。 本文介绍了LTE-R，给出GSM-R与LTE-R之间的比较结果，并描述了在高速下哪种铁路移动通信系统更好。关键词：高速铁路，LTE，GSM，通信和信令系统一 介绍高速铁路需要提高对移动通信系统的要求。 随着这种改进，其网络架构和硬件设备必须适应高达500公里/小时的列车速度。HSR还需要快速切换功能。 因此，为了解决这些问题，HSR需要一种名为LTE-R的新技术，基于LTE-R的HSR提供高数据传输速率，更高带宽和低延迟。LTE-R能够处理日益增长的业务量，确保乘客安全并提供实时多媒体信息。 随着列车速度的不断提高，可靠的宽带通信系统对于高铁移动通信至关重要。 HSR的应用服务质量 （QOS）测量，包括如数据速率，误码率（BER）和传输延迟。为了实现HSR的运营需求，需要一个能够与 LTE保持一致的能力的新系统，提供新的业务，但仍 能够与GSM-R长时间共存。 HSR系统选择合适的无线通信系统时，需要考虑性能，服务，属性，频段和工业支持等问题。4G LTE系统与第三代（3G）系统相比，它具有简单的扁平架构， 高数据速率和低延迟。在LTE的性能和成熟度水平上，LTE- railway（LTE-R）将可能成为下一代HSR通信系统。 二 LTE-R系统描述 考虑LTE-R的频率和频谱使用，对为高速铁路（HSR） 通信提供更高效的数据传输非常重要。 高铁是重要的战略基础设施，因此需要专门为其分配大量的频谱块。 包括欧洲铁路局（ERA），中国铁路在内的一些行业机构正试图对高铁使用的频谱进行划分。 目前，尽管在一些国家也使用700-900MHz频段，但大多数LTE系统工作在1GHz以上的频段，例如 1.8,2.1,2.3和2.6GHz。 较高的频带提供较大的带宽，提供较高的数据速率，而较低的频带对应较长的距离。 由于高频段传播损耗较大，衰落更严重，因此建议 LTE-R小区的半径保持小于2km 由于HSR中信噪比（SNR）的严格要求，但是这导致频繁切换和为满足更高的BS密度而投资更多资金。 因此，450-470 MHz，800MHz和1.4GHz等低频带已被广泛考虑。450-470MHz频段已经被铁路行业所采用。 此外，LTE的载波聚合能 力将允许使用不同的频带来克服容量问题。图1（b） 给出了中国450470 MHz频率的详细分配12，在该频带内为LTE-R分配足够的带宽是可行的。 在欧洲，UIC的FRMCS希望通过在当前的GSM-R投资基础之上，重复使用现有的无线站点。这可以节省高达80-90的网络成本。铁路也考虑继续使用GSM-R无线，因此，1 GHz以下的频谱划分在欧洲更具成本效益。但是，频段的选择取决于政府政策，因国家而异。 标准 LTE包括演进分组核心（EPC）的核心网络和演进通用陆地无线电的无线电接入网络（E-UTRAN）。 基于互联网协议（IP）的 EPC支持语音和数据到小区塔的无缝切换，并且每个E-UTRAN小区将通过高速分组接入（HSPA）支持高数据和语音容量。作为HSR下一代通信系统的候选者。LTE-R继承了LTE的所有重要特性，并提供额外的无 线接入系统与车载设备（OBU）交换无线信号，与HSR特定需求相匹配。 图2给出了根据4的LTE-R的未来架构，它表明LTE-R的核心网络以后兼容GSM-R。与公众LTE网络相比，LTE-R在架构，系统参数，网络布局，业务和QoS等方面存在很多差异。列车信息由RBC和机载无线电设备检测。这提高了列车跟踪的准确性和列车调度的效率。 LTER也可用于为未来的自动驾驶系统提供信息传输。表格 GSM-R,LTE,LTE-R 系统参数参数GSM-RLTELTE-R频率上行：876-880MHz下行：921-925MHz800MHz,1.8GHz,2.6GHz450MHz,800MHz,1.4GHz,1.8GHz带宽0.2MHz1.4-20MHz1.4-20MHz调制GMSKQPSK/M-QAM/OFDMQPSK/16-QAM小区范围8KM1-5KM4-12KM小区配置单一部门多部门单一部门峰值数据速率,下行/上行172/172Kbps100/50Mbps50/10Mbps峰值频谱效率0.33bps/Hz16.32bps/Hz2.55bps/Hz数据传输需要语音呼叫连接分组交换分组交换（UDP 数据）分组重传否（串行数据）是（IP数据包）简化（UDP数据包）MIMO（多入多出）无2x2,4x42x2流动性最大500km/h最大350km/h最大500km/h切换成功率99.5%99.5%99.9%切换程序硬切换硬/软切换软切换：无数据丢失所有IP（本地）否是是基于未来HSR通信的QoS要求，LTE-R的优选参数总结在表1中。请注意，LTE-R的可靠性将超过容量。该网络必须能够在复杂的铁路环境中以500km/h的速度运行。 因此，正交相移键控（QPSK）调制是优选的，并且必须尽可能减少重传的分组数量。三 LTE-R服务 HSR通信打算使用一个完善的/现成的系统，这些系统需要对某些特定需求的服务级别定义进行。正如E-Train项目6所建议的， LTE-R应提供一系列服务来提高安全性，服务质量和效率。 与GSM-R的传统业务相比，描述了LTE-R的一些特性。 1) 控制系统的信息传输：为了与ETCS-3或中国列车控制系统第4级（CTCS-4）兼容，LTE-R通过无线通信实现控制信息的实时信息传输，延迟时间50 毫秒.当ETCS-2 / CTCS-3中的轨道电路检测到列车的位置信息时，在ETCS-3 / CTCS-4和LTE-R中，火车的位置信息被RBC和机载无线电设备检测到。这提高了列车跟踪的准确性和列车调度的效率。LTE-R也可用于为未来的自动驾驶系统提供信息传输。 2) 实时监控：LTE-R提供前轨道，驾驶室和汽车连接器状态的视频监控; 轨道状况的实时信息监测(如温度和探伤)；对铁路基础设施(如桥梁和隧道)视频监控以避免自然灾害；和对交叉轨道的视频监控以检测低温下的冻结。 监控信息将与控制中心和高速列车实时共享，延时小于300 毫秒。尽管上述一些监视可以通过有线通信进行，但基于无线的LTER系统对部署和维护而言更具成本效益。 3) 培训多媒体调度：LTE-R为调度员提供驾驶员和车场的全部调度信息（包括文本，数据，语音，图像，视频等），提高调度效率。它支持丰富的功能，如语音中继，动态分组，临时组 呼，短消息和多媒体消息。 4) 铁路应急通信：当发生自然灾害，事故或其他紧急情况时，需要在事故现场和救援中心之间建立即时通信，以提供语音，视频，数据和图像传输。铁路应急通信系统使用铁路专用网 络，以确保与GSM-R相比快速部署和更快的响应速度（延迟100ms）。 5) 铁路物联网（IOT）：LTE-R提供铁路物联网服务，例如实时查询和跟踪火车和货物。它有助于提高运输效率并延长服务范围。 此外，铁路物联网还可以提高列车的安全性。今天的大多数列车依靠位于偏远地区的轨道交换机。借助IOT和远程监控，可以将交换机的轨道基础设施重新转换为电力线，可以自动执行许多常规安全检查并降低维护成本。 除了之前列出的功能之外，还应包括LTE-R的其他一些服务，例如动态座位预留，移动电子票务和乘客信息的无线互动。 基于UIC，中国铁路和ERA的技术报告，图3总结了LTE-R未来可能提供的服务。 值得注意的是，高速列车内的乘客的宽带无线接入不由LTE-R提供因为其带宽有限。一些针对火车乘客的宽带无线接入的候选者已经被探讨过，例 如Wi-Fi，全球微波接入互操作性（WiMAX）， 3G / 4G / 5G，卫星通信以及光纤无线电（RoF） 技术13。 四 LTE-R挑战 与LTE-R相关的挑战有以下几个。 1) 特定于HSR的场景：在的LTE标准中，提出了HSR的信道模型，其仅包括两种场景，即开放空间和隧道，并且在两种场景中都使用非衰落信道模型。 但是，如15所示，HSR的严格要求（高速，铁轨平坦度等）导致许多特定于HSR的环境，例如高架桥，岩屑和隧道。这些情景中的传播特性是不同于传统的蜂窝通信，可能会明显影响GSM-R 和LTE-R的系统性能。过去，为了描述GSM-R频带的HSR信道，进行了一些测量，并且已经提出了基于情景的路径损耗和阴影衰落模型，用于930MHz的GSM-R。 然而，这项工作 仍在进行中，许多科学问题尚未在LTE-R频段得到解决，例如传播损耗，多径分量（MPC）的几何分布以及这些HSR特有的二维/三维角度估计环境。 有必要LTE-R的链路预算和网络设计开发一系列信道模型，并且需要广泛的信道测量。 2) 高机动性：高速列车通常以350公里/小时的速度运行，而LTE-R则支持500公里/小时。高速度导致一系列问题。 首先，高速度导致信道的不平稳，因为在短时间段内，列车通过MPC发生显著变化的大区域。非平稳性的表征特别重要，因为它影响单载波和多载波系统的BER（误码率）。 其次， 高速度导致接收频率的偏移，称为多普勒频移。 例如，如果频率为2.6 GHz，则350km/h的最大多普勒频移为843 Hz，而10km/h的行人移动速度仅为24 Hz。严重的多普勒频移会导致信号的相移，并可能损害角度调制信号的接收。 然而， 由于高速列车大多以已知速度沿着预定线路移动，因此可以通过使用实时记录的速度和位置信息来跟踪和补偿多普勒频移。第三，由于高 速，HSR环境中会出现大的多普勒扩展。 对于 LTE-R（宽带系统），多普勒扩展通常会导致信号与干扰加噪声比的损失，并会妨碍载波恢复和同步。多普勒扩展也是正交频分复用（OFDM）系统特别关心的问题，因为它会破坏OFDM子载波的正交性。应考虑几种方法，如频域均衡和载波间干扰自消除方案18。 3) 延迟扩展：延迟扩散会导致OFDM子载波之间的正交性的丢失，并且应该使用称为循环前缀 （CP）的特殊类型的保护间隔。延迟弥散决定了所需的CP长度。LTE支持短（4.76毫秒）和长（16.67毫秒）CP方案。对于短CP方案，两个MPC之间相应的最大路径长度差为1.4公里。 由于铁路通信的目标是提供线性覆盖，因此广泛使用沿轨道具有主瓣的定向BS天线，因此发射功率集中在窄条形区域。直观地说，我们预计短 CP方案对于LTE-R是足够的。这主要是因为高速列车主要在（半）郊区/郊区环境中行驶，而在这些环境中，散射点很少。但是，在一些具有丰富多次反射的特殊环境中，如岩屑，预计会出现较大的延迟差异（注意这是需要基于测量的验证），并应使用较长的CP方案。另一个大型延误传播的例子发生在沿着铁轨19的山区，特别是在火车进入和离开隧道前后。需要进行更多测量来解决HSR环境中延迟传播的现象，并且需要像使用通用LTE一样根据环境调整CP。 4) 线性覆盖：在HSR中，使用沿轨道定向天线的线性覆盖，其中定向BS天线将它们的主瓣沿着轨道定位，以使其功率效率更高。线性覆盖带来一些好处，例如，与火车的已知位置相比，可以设计具有良好性能的基于距离/时间的波束形成算法。然而，值得注意的是，线性覆盖的链路预算和性能分析与蜂窝系统的环形小区不同，例如用于确定覆盖区域的百分比。众所周知，由于阴影衰落的影响，覆盖区域内的一些位置将具有低于特定阈值的接收信号。计算边界覆盖与覆盖区总体百分比的关系对链路预算和整体网络规划非常有用。在图4中，我们使用基于Hata的链路预算模型比较线性和圆形小区覆盖面积百分比，我们可以看到HSR中的线性覆盖范围通常具有较高的覆盖区域百分比.在设计LTE-R网络时应该仔细考虑这一点，以避免过度部署基站。 5) 稀疏多径：稀疏多径信道表示角度延迟多普勒域中可分辨路径的稀疏分布。例如在高铁桥和农村地区的一些开放地区，散布者很少。HSR的线性覆盖范围也减少了发射机/接收机可 以看到的散射体的数量。在这些环境中可以有一个稀疏的多路径通道。但是，支持多输入多输出（MIMO）传输将成为LTE-R不可分割的一部分。多天线解决方案的性能，如空间分集和空 间复用，取决于环境中散射的丰富程度。如果在这些开放区域HSR信道稀疏，清晰的视线和很少的散射体将导致两个天线信号之间的强关联，并降低分集和空间复用增益。有迹象表明，在某些稀疏环境中，重构天线阵列可以提高系统容量。 6) 列车车厢的影响：高速列车通常长度超过200米，由金属制成。静态高速列车充当具有强烈反射的散射体并增加了延迟扩展，而高速列车的动态特性使通道的非平稳性特征显著增强。 列车的大型金属车顶也增强了发射器和接收器附近的反射和散射，并且影响了车顶上的发射器/接收器天线的样式。 而且，传播到高速列车的内部会导致大的穿透损失降低了信噪比。 火车车厢内的覆盖范围可以通过移动继电器得到改善，类似于小区接入点。 五 结论在本文中，我们对LTE-R系统进行了完整描述，其中包括在一定参数的基础上比较GSM-R和LTER系统。本文还分析了LTE-R相比GSM-R系统的优势。LTE-R为HSR通信提供不同的服务，更利于高速通信。对于LTE-R而言，在某些方面也存在一些挑战，这在本文中已经阐述，但是这些对LTE-R的挑战进一步证明了它将能够满足高速铁路移动通信系统的要求。六 参考1. 高婷婷，孙斌