下一代车地通信技术

用于列控系统的下一代车地移动通信技术综述学院：电子信息工程学院专业：学生姓名：学号：指导教师：2015年11月日

用于列控系统的下一代车地移动通信技术综述我国铁路无线通信1.1我国铁路无线通信技术发展历程我国铁路无线通信系统主要实现无线列车调度、铁路站场调车通信、铁路区间移动通信等话音通信功能，以及列车运行控制、车次号传输、列车尾部风压数据传输、道口预（报）警等数据的无线传输功能。具体包括：①无线列车调度电话：主要有A、B、C三种制式，频率为450MHz或150MHz的单工或双工通信系统。②站场无线通信：在铁路的区段站、编组站使用平面调车等站场无线通信系统。③各种独立的单工通信系统：在站场内及铁路沿线由公务、公安、电力、电务维修、列检、施工等部门或单位自行投资建设的各种独立的单工通信系统。④集群移动通信系统：早期为模拟集群系统，目前数字集群系统，如iDEN、TETRA、FHMA等系统。⑤GSM-R：欧洲铁路综合调度移动通信系统，GSMforRailway。下一代移动通信技术2.1下一代移动通信技术概述下一代移动通信技术涉及宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2

Mbit/s的数据传输能力；包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。与传统通信技术相比，下一代移动通信技术的优势在于通话质量好、数据通信速度高以及通信费用更加便宜，可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。下一代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统、宽带接入IP系统。2.2下一代移动通信技术的需求(1)更快的通信速度速度达到10

Mbit/s～20

Mbit/s，最高可以达到100

Mbit/s。(2)更宽的网络频谱每个信道将占有100

MHz的频谱，相当于WCDMA网络的20倍。(3)更灵活的通信方式终端从功能到式样将有更惊人的突破。(4)更高的智能化智能性更高，不仅表现在终端设备的设计和操作具有智能化，更重要的是可以实现许多难以想象的功能。(5)更平滑的兼容性能终端将具备全球漫游、接口开放、网络互连、终端多样化，以及能从2G、2.5G/3G平稳过渡等特点。(6)更高质量的多媒体通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息将透过宽频的信道传送出去，因此也可称为“多媒体移动通信”。(7)更低的通信费用通过解决与3G的兼容性问题，从而使现有通信用户能轻易地升级；通过引入多项尖端通信技术，使下一代移动通信部署起来相对容易，将有效地降低运营成本。可用于列控系统的下一代车地移动通信技术3.1下一代车地移动通信技术概述近年来，移动技术的飞速发展在许多领域造成了革命性的冲击，对于铁路系统也不例外。随着高铁技术的飞速发展，以及CTCS-3级列控系统在高铁中成熟的应用，GSM-R在车地通信中起到的扮演了重要的角色，移动通信技术发展在铁路系统中起到了意义深远的作用。GSM-R基于GSM无线通信技术，属于2G网络。近年来随着3g网的成熟，4g的推广，以及5g的研究，移动通信飞速更新，在此我们讨论可以用于列控系统的下一代车地移动通信技术，包括3G、LTE、Wimax和IEEE802.20等，通过对这些技术特点的介绍，讨论在列控系统中应用的可能性。3.23G技术3G是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。3G下行速度峰值理论可达3.6Mbit/s（一说2.8Mbit/s），上行速度峰值也可达384kbit/s。中国国内支持国际电联确定三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA，中国移动的TD-SCDMA，GSM设备采用的是时分多址，而CDMA使用码分扩频技术，先进功率和话音激活至少可提供大于3倍GSM网络容量，业界将CDMA技术作为3G的主流技术，国际电联确定三个无线接口标准，分别是美国CDMA2000，欧洲WCDMA，中国TD-SCDMA。原中国联通的CDMA卖给中国电信，中国电信已经将CDMA升级到3G网络，3G主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。对于将3G网络应用于高速铁路的列控系统，首先解决的就是如何提供良好的3G信号覆盖的问题。由于高速列车运行速度快且无线信号穿透列车车体的损耗大因此不仅无线信号衰减严重，同时多普勒效应明显且越区切换频繁，这样就非常不利于作为列控系统的通信信号，也是一些需要解决的问题。但是相对于2G网络的比较，在高速移动的地面物体上，3G网络所能提供的数据业务为64～144kb／s要能够适应500km／h的移动环境。针对该标准，我国现行的3种3G网络中WCDMA和CDMA2000主要采用“软切换”技术。能够实现移动终端在时速500km时的正常通信即能够实现在与另一个新基站通信时．首先不中断跟原基站联系，而是在跟新的基站连接好后，再中断跟原基的连接，这也是3G网络优于2G网络的一个突出特点：WCDMA技术已经解决了高速运动物体的无缝覆盖问题；此外，I'D—SCDMA也对高铁通信的覆盖方案进行了研究。3G移动通信网络在技术层面上已经具有为高铁提供通信保障的基本条件．为我国高铁发展过程中移动通信问题的完满解决奠定了坚实基础。3.2LTE技术3.2.1LTE技术简介LTE(TheLongTermEvolution)是2008年由3GPP在Release8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由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UMTS／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，而是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LTEFDD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。下一代铁路通信系统应该采用两种制式中哪一种作为主要应该模式是目前行业讨论的焦点问题。3.2.2关键技术(1)调制和信道编码技术下一代铁路通信LTE制式可采用的调制编码技术可以参考地面电信通信系统。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PUSCH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LTE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。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LTE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2x2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，低了信号检测难度。其中，采用MIMO处理技术可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)信道估计技术现代铁路运输体系向高速化方向发展，这是我国经济发展的必然所向。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LTE系统可以LTE的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。才外，相对于一维线性插值信道估计技术，可以研究和采用的信道估计技术还有二维线性插值技术、高斯内插滤波技术、维纳插值滤波技术等。然而，这些技术的相关软硬件设备支持尚不成熟，需要进一步的改善方案以适应铁路移动通信LTE系统的场景要求。(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FEC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FEC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FEC技术与ARQ技城市建筑I道路·铁路IURBANISMANDARCHITECTUREIROAD·RAILWAY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。FEC差错控制技术的技术原理为：首先利用FEC技术对信源数据进行编码处理，通过发送端将信号发送，接收端收到信息后首先进行FEC技术解码；若正确进行数据解码，则接收端向发送端反馈ACK数据信息；反之，则向发送端反馈NACK信息；下一步发送端通过接收相关的ACK／NACK数据进行相关性调整，若为ACK则进行正常的数据再传送，若为NAEK则启动ARQ进行数据重新传送，发送端根据FEC解码错误的数据包进行重新传送；最后，接收端根据不同的信号再发送机制，最重新传送的数据进行独立EFC数据解码，与之前传输的正常数据进行合并后执行数据的整体FEC解码处理。铁路运输系统朝着高速化、密集化、高承载化的发展趋势对现阶段的GSM—R通信技术提出了新的挑战，同时也显现出了更多的问题。实践表明，要满足现代铁路通信的新时期发展需求，必须在原有的GSM-R基础上进行制式升级。而采用LTE—R技术，既符合国际化的铁路通信标准，又能起到很好的技术过作用。实现铁路通信系统由GSM向LTE技术的演进，为铁路通信提供更高的效率性并有效地控制建设成本，同时可以提供安全的语音和数据业务。3.3Wimax技术3.3.1Wimax技术简介WiMAX全称为WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess．即全球微波接入互操作性．是一项基于IEEE802．16标准的新的宽带无线接入城域网技术(BroadbandWirelessAccessMetropolitanAreaNetwork)。它是针对微波频段提出的一种新的空中接口标准。WiMAX的基本目标是提供一种在城域网接人多厂商环境下．确保不同厂商的无线设备互连互通；主要用于为家庭、企业以及移动通信网络提供最后一公里的高速宽带人．以及将来的个人移动通讯业务。技术标准基于IEEE802．16系列标准．主要是802．16d和802．16e。该标准仅仅制定了物理层(PHY)和媒质接入层(MAC)的规范。为了推广IEEE802．16无线宽带接入技术，促进和认证符合IEEE802．16标准的宽带无线接入设备的兼容性和互操作性．由Intel和Nokia在2001年发起并成立了WiMAX论坛组织．至今已发展到470多成员，成为行业内最有影响力的组织．涵盖世界众多知名运营商、芯片厂商、设备厂商的参与的WiMAX论坛组织．形成了完整的产业链。3.3.2Wimax技术特点(1)标准化，成本低：由于使用同一技术标准．不同厂商设备可在同一系统中工作．增加了运营商选择设备时的自主权，降低了成本：(2)数据传输速率更高：WiMAX所能提供的最高接入速度是75M．目前实际应用时每3．5MHz载波可传输净速率为18Mbps，频率利用系数高；(3)NLOS(非视距传输)：采用OFDM／OFDMA技术．具备非视距传输能力．可方便更多用户接入基站．大大减少基础建设投资；(4)传输距离远：最大传输半径50km，是无线局域网所不能比拟的：(5)部署灵活，配置伸缩性强．可平滑升级：根据业务需求区域灵活部署基站，网络建设初期．可选用最小配置．根据业务增长，逐步增加设备；(6)无“最后1km”瓶颈限制：作为一种无线城域网技术，它可以将Wi—Fi热点连接到互联网．也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展．实现最后1km的宽带接入：(7)同时支持数百个企业级和家庭DSL连接：(8)提供广泛的多媒体通信服务：能够实现电信级的多媒体通信服务和Internet接入．提供语音、数据和视频业务；(9)在全移动WiMAX接入网，在移动速度达120m／s，保持可靠传输，随着WiMAX标准的提高．应用环境会更高。WiMAX宽带无线接入与目前其它接入方式相比，具有部署速度更快、扩展能力更强、灵活性高、传输速率高、覆盖范围大等优点。因此，若在铁路方面引进WiMAX技术，对促进铁路信息化建设，提高铁路运输安全和服务质量具有很大的推动。WiMAX作为先进的宽带移动技术，目前被业界所公认。若铁路选用这项技术。必将对铁路调度通信、公务移动、信息传输、列车控制一体化有极大推动作用。铁路应该把WiMAX技术作为推广、开发的主要技术之一。打造铁路综合移动宽带网。3.4IEEE802.20技术3.4.1IEEE802.20技术简介2002年12月12日，IEEE标准委员会批准了IEEES02．20移动宽带无线接入(MBwA)工作组研究组的成立。IEEE802．20工作组的任务是要制定出一个标准，标准化一个高效的、并且对IP业务作了优化的基于分组的空中接口，其目的是要实现在全球范围内部署低成本、无处不在的、永久在线的、并且支持多厂商的移动宽带无线接入网络。IEEE802．20将会解决移动蜂窝网络(低带宽高移动性)以及其他正在使用的IEEE802无线网络(高带宽低移动性)之间的矛盾。它可以在工作、家庭以及移动三个领域之间提供无缝的整合解决方案Ⅲ，使得无论用户在什么地方都可以通过单个连接而接入网络，它提供对实时或非实时业务的支持，提供永久在线的支持，广泛的频率再用，支持不同技术之间的漫游和切换(例如从MBWA到WLANs)，小区间和小区内的无缝切换，上下行链路的快速资源分配，基于策略的QoS，支持IPv4和IPv6，以及与现有网络共存的兼容性。IEEE802．20在许多方面其实都是为了缩小IEEE802．16e与3G之间技术上的差异，并且将它们两者以一种对用户来说可接受的，且功能强大的方式结合起来。该标准意在将3G移动通信的移动性和漫游性与802．16e的高带宽和低延迟特性相结合。IEEE802．16e可以在授权的2～6GHz频带内支持低速移动性，例如行走中的PDA或者膝上电脑，但是第四代移动通信关键技术及第四带移动网络、移动IP。IEEE802．20可以支持高速的移动性，它可以在低于3．5GHz的频带下支持最大每小时250I(1n的高速移动性。3.4.2IEEE802.20接口特点

（1）切换与延迟在所有移动速度下的小区内和小区间切换都应该得到支持。小区与扇区的概念跟移动通信网络中的几乎是类似的。切换过程的设计与实施应该尽可能的使丢包率和延迟晟小，并且提供不问断的IP分组传输…。切换的实施应该是一种软切换方式：移动台可以监视周围基站的信号强度，当需要切换的时候，就在与旧的基站断开连接之前与新的基站注册比】。就像前所说的那样，MBWA系统应该可以区别不同的包的类型，并把它们分类成不同的类别，每一个类的包都有不同的OoS要求。为了满足这些要求，空中接口应该最小化RTT以及某个OoS类所对应的RTT认证。无线链路上MAC数据帧的RTT应该不超过10ms…。（2）频谱效率该无线接口应该运行在3．5GHz之下的授权频率段。MBWA系统频率应该提供带有多重带宽(例如1．25MHz或者5MHz)的成对或者不成对的信道，这样可以与现有移动通信系统共存。对于一个负载网络来说。，频谱效率应该大于每小区每赫兹1b／s。无线接口应该也支持通用频率复用…。在频谱效率上，802．20远远高于当前的主流移动技术。举例来说，对于下行链路中的频谱效率，CDMA2000lx最高为每小区每赫兹O．1bit／s，EV-DO最高为每小区每赫兹0．5bit／s，而802．20却大于每小区每兹1bit／s”1。因此，对于运营商来说802．20的到来是个福音一花相同价钱买来的频谱资源，却可以提供更高速率的接入服务。这既是802．20自身强有力的“卖点”，更是移动通信技术发展的大势所趋。（3）物理层信道带宽(对于FDD)应该呈现成对的频率范围，包括两个使用FDD的1．25MHz的信道。系统应该有能力支持每小区六个以上的扇区，当然也应该具备向下放缩的能力≯这样可以支持更典型的每小区三个扇区的情况。·太子”400Hz的多普勒效应承受能力应该被考虑进来，以满赶垒速移动性的支持。在2GHz载波的情况下，系统可以具备400Hz的抗多普勒效应能力，这样一来就可