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

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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

一、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，GSM for Railway。

二、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”。

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G SM ／EDGE 并在这两种技术上，采用OFDM 和M IM O 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—F DD，而是TD -LTE 。其中TD—LTE 技术是我国通信企业普遍采用的一种LT E 标准。TD—LTE 与LT E F DD 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QP SK 技术；PCF ICH物理控制格式指示信道可以采用QP SK ，BP SK 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16QA M、64QAM 和QPSK 技术：PUCCH 物理上行控制信道可采用QP SK 。同时，所采用的BPSK 调制方式还可以有效地降低峰均值比。

(2 ) OF DM 和M IMO

与现在广泛应用的GSM—R 技术相比，下一代铁路通信LT E 系统可以采用正交频分复用O FDM 和多输入多输出M IM O 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M IM O 技术。在M IM O 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M IMO 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。M IMO 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，M IMO 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M IMO 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