铁路下一代移动通信系统制式研究
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表1 业务分类 列车 运行 控制类 调度 指挥类 业务名称 列控信息传送 机车同步操控信息传送 调车机车信号和监控信息传送 调度通信 列车无线车次号校核信息传送 调度命令传送（ 含进路预告） 调度命令传送（ 不含进路预告） 列尾信息传送 工务轨道动态监测信息传送 安全监控类 客车安全监控信息传送 机车信号状态信息传送 DMS 信息传送 动车组、 机车 CIＲ 出入库检测 运营维护类 直放站网管信息传送 漏缆监测信息传送 其他类 区间语音通信 应急图像传送 √ √ √ √ √
3G 虽 然 相 对 于 第 二 代 移 动 通 信 系 统 （ 如 GSM、GPＲS） 数据速率明显提高， 但目前仍已无 法满足不断增长的业务需求，特别是多媒体和数据 业务需要。 如 CDMA2000 理论上支持下行链路数 据速率最高为 3. 1 Mb / s， 上行链路数据速率最高 为 1. 8 Mb / s； WCDMA 仅能达到室内 2 Mb / s， 高 速移动 384 kb / s，即使采用了 HSPA 技术后， 也只 能达到下行最高 7. 2 Mb / s，上行最高 3. 1 Mb / s。 3. 1. 2 WiFi 技术 WiFi 作为无线局域网技术， 网络部署容易、 设备成本低、高数据速率，但受其无线局域网技术 的限制， 覆 盖 范 围 较 小 （ 通 常 为 几 十 米 至 数 百 米） ； 对高速 移 动 支 持 较 差， 无 法 支 持 200 km / h Fi 对移动性的支持要差于 WiMAX、 以上速度，Wi3G （ UMTS ） 和 GSM； 采 用 2. 4 GHz 的 免 授 权 频 段，容易受到其他系统的干扰， 安全性较差； QoS 保障能力较弱。 3. 1. 3 WiMAX 技术 WiMAX 技术作为无线城域网技术， 可以支持 大范围覆盖，数据速率可达 75 Mb / s， 但对高速移 动支持较差， 部分使用免授权频段， 安全性较差， 技术成熟度较低。 3. 1. 4 卫星通信 卫星通信可以方便地实现大面积覆盖 ，但系统 Fi 上 容量有限、使用成本高，如法国高速铁路 Wi网业务，每小时收费 4. 95 欧元。 3. 1. 5 LTE 相比于其他 4 种备选技术，LTE 作为当前移动 通信发展方向，采用了大量最新的研究成果，具有 频谱利用率高、数据速率高、覆盖范围广、使用成 本低、业务实时性好、 业务承载能力强等突出优 点，在支持高速移动、安全性等方面都较为符合铁 路下一代移动通信系统的需求。 就产业发展而言，LTE 作为公众移动通信的发 展方向已经成为共识，得到了国家的政策支持，各 大运营商和设备制造商都已经积极推动 3G 向 LTE 的演进， 因此具有完整的产业链， 技术成熟度较 高。采用 LTE 技术作为铁路下一代移动通信系统， 风险较小。 而且 UIC 已经确定铁路下一代移动通 — 52 —
2013 年 9 月 第 49 卷 第 9 期
铁 道 通 信 信 wk.baidu.com ＲAILWAY SIGNALLING ＆ COMMUNICATION
September 2013 Vol. 49 No. 9
通信· 信息技术
铁路下一代移动通信系统制式研究
席武夷
摘
代
赛
要： 在调研铁路下一代移动通信系统业务需求，分析铁路安全保障业务、铁路运输管理业务 和乘客信息服务等三类业务的基础上，提出了铁路下一代移动通信业务发展规划; 对比讨论了铁 路下一代移动通信系统的 5 种 备 选 技术， 提出铁路下 一代 移 动通信 接入 网 应 采 用 LTE 技术; 探 Ｒ 的发展规划建议。 讨了铁路下一代移动通信系统的发展思路，并给出了 LTE关键词： 铁路综合移动数字通信系统; 移动通信系统; 长期演进技术; 下一代铁路移动通信系统 Abstract: Based on an investigation of the service requirement of the next generation of GSMＲ as well as a analysis of three categories of services including railway safety guaranty，railway transportation management and passenger information，we put forward a service development planning for the next generation of GSMＲ． The paper also compares five kinds of alternative technologies of the next generation of GSMＲ and proposes adopting LTE technology． Furthermore，we explore the development ideas of the next generation of GSMＲ and give some suggests on the development planning of LTEＲ． Key words: GSMＲ; Mobile Communication System; LTE ; LTEＲ 对铁路下一代移动通信非常重视 ，已经开始相关技 术的研究和应用，很多研究机构和企业也积极参与 其中， 进展非常快。 UIC 计划于 2015 始铁路下一代通信系统标准的制定 。 我国虽然是 UIC 的创始国， 但由于历史原因， 在铁路第一代 （ 模拟移动通信 ） 和第二代移动通 Ｒ） 技术标准和规范的制定过程中， 我 信 （ GSM国参与不多、贡献不大，基本上都是参照欧盟相关 标准和规范，对 UIC 的影响力十分有限。 因此面对铁路下一代移动通信发展的契机 ，我 国需要开展总体研究，做好顶层设计，确立发展方 向，协调 “产学研用 ” 各方面的力量， 协同开展 研究， 形 成 合 力， 积 极 参 与 UIC 标 准 制 定 工 作， 在铁路下一代移动通信标准领域占据一席之地 。 2017 年开
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3. 1
铁路下一代移动通信制式
系统制式选择 参照公众移动通信的发展方向、演进路线和国
际铁路无线通信的发展方向，当前可供铁路下一代 移动通 信 系 统 选 择 的 制 式 主 要 有 以 下 几 种 ： 3G、 WiMAX、WiFi、卫星通信和 LTE （ Long Term Evo lution ， 长期演进） 技术。 本节将针对铁路下一代 移动通信系统的特殊性，对 5 种备选制式进行比较 分析。
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3G
Ｒ 信系统的演进路线将跨越 3G 技术， 直接由 GSM技术向 LTE 发展。 综合技术、 产业和国际发展趋 势，选择 LTE 技术作为我国铁路下一代移动通信 系统发展方向是合理的选择。 3. 2 总体技术发展思路 铁路下一代移动通信系统各方面的特殊性决定 了绝不能简 单 地 将 LTE 原 封 不 动 地 应 用 于 铁 路， 而是要以 LTE 理论和技术为基础， 针对铁路移动 通信系统的应用特点和运行环境 ，对关键技术进行 分析、取舍、改进和发展，形成适合铁路的下一代 移动通信技术体系，总体技术发展思路如下所述。 1． 铁路下一代移动通信系统在系统架构和协 议 （ 特别是空中接口协议 ） 方面尽可能与 LTE 保 持一致，以利于设备研发和产业化推广。 2． 当前 LTE 已经发布了很多版本， 今后还不 断会有新的技术和新的版本问世 ，因此铁路下一代 移动通信系统的技术也处于不断完善中 ，需要不断 借鉴 LTE 最新的研究成果， 如 OFDM、 MIMO、 波 束赋性和中继等技术。 再有， LTE 技术种类繁多， 且在不断发展中，铁路下一代移动通信系统没有必 要囊括全部 LTE 技术， 对于一些明显不适合铁路 环境的技术，可以不列入铁路下一代移动通信系统 技术体系中，例如家庭基站技术、世界范围内的漫 游技术等。 3． 铁路移动通信系统特殊的应用环境和 QoS 要求，在某些方面对现有 LTE 技术提出了更为严 峻的挑战，当前技术并不能完全满足要求，因此需 要对其中一些技术进行完善。 3. 3 需要完善的技术 1． LTE 系统虽然对移动性有较好的支持， 比 如： 在 120 km / h 以下时， 系统具有较好的性 能， 在 120 350 km / h 时可以保证连接， 不 掉 线。 但 是，随着移动速度的提高，系统性能还是会有明显 LTE 这一点更为明显。 而目前， 高 下降，对于 TD速列车运行速度在 300 350 km / h，未来列车的运 行速度还可能进一步提高。 2． LTE 虽然具有较高频谱利用率， 其峰值频 谱利 用 率 可 达 5 bps / Hz （ 下 行 ） 和 2. 5 bps / Hz （ 上行） ，但在小区边缘仅有 1. 6 行） 和 0. 66 2. 1 bps / Hz （ 下 1 bps / Hz （ 上行 ） ， 下降非常明显，
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铁路下一代移动通信系统研究的必要性
GSMＲ 作为第二代移动通信技术， 得到了广
泛的应用，但其属于窄带通信系统，频谱利用率较 Ｒ 平台上开拓各种新业务， 低，这使得在现有 GSM特别是对带宽需求较高的业务，难度非常大。在这 一背景下， 铁路下一代移动通信系统 （ 即铁路宽 带移动通信系统） 的研究被提上了日程。 另一 方 面， 随 着 公 众 移 动 通 信 网 从 2G 的 GSM，向 3G、 B3G 和 4G 方向发展， GSM 市场正 Ｒ 设备生产商已经纷纷表示将 在逐步萎缩。 GSMＲ 向铁 在 2025 年左右停止相关产品的生产， GSM路下一代移动通信系统演进已成大势所趋 。 国际上高 速 铁 路 发 达 国 家 和 地 区 （ 如 德 国、 法国、西班牙、 日 本 和 我 国 台 湾 地 区 ） 以 及 UIC （ International Union of Ｒailways， 国 际 铁 路 联 盟 ）
联网和移动票务 （ 移动电子商务） 。 3． 乘客信息服务业务： 信息发布、 公共信息 查询、公共广播、广告发布和乘客互联网。 2. 3 铁路下一代移动通信业务发展规划 我国铁路下一代移动通信系统研究还处于刚刚 起步阶段， 随着研究的深入和我国铁路的快速发 展，还会不断涌现各种新的业务。充分考虑当前需 求和长远发展，我国铁路下一代移动通信系统应该 分阶段发展： 第一阶段 （ 目前—2020 年 ） 应该首 先满足铁路安全保障业务和铁路运输管理业务需 求； 第二阶段 （ 2025 年 量的业务。 2030 年 ） 应该根据实际 情况，逐步稳妥地发展乘客信息系统等改善服务质
席武夷： 广州铁路 （ 集团） 公司 电务处 工程师 510088 广州 代 赛： 中铁第四勘察设计院 通号处 助理工程师 430063 武汉 0523 收稿日期： 2013-
2
2. 1
业务需求分析
铁路现有移动通信业务 GSMＲ 技 术 具 有 适 应 铁 路 运 输、 技 术 成 熟、
符合通信信号一体化发展等优势。 近十年来， GSMＲ 在我国铁路得到了越来越广泛的应用， 为 列车运行控制、列车调度通信、调度命令传输和重
GSMＲ 系统承载的铁路应用业务 高速铁路 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 重载线路 CTC 线路 TDCS 线路 其他线路 编组场
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载列车控制等业务提供了无线通信手段 。 现有的 GSMＲ 系统承载的应用业务如表 1 所示。 Ｒ 系统之外， 我国铁路原有的 除了采用 GSM450MHz、800MHz 无线通信系统仍然发挥着重要的 作用，主要用于承载无线列调、站场调车、车次号 传送、列车安全防护、组合列车控制、工务通信和 组织管理通信等应用业务。 2. 2 铁路下一代移动通信业务 Ｒ 系统应用日趋完善， 可 虽然我国铁路 GSM以满足列控安全数据传输、调度通信等铁路移动通 地之间不断出现 信基本业务需求， 但不能满足车的大数据量通信需求。为此，需要大胆创新，发展 铁路下一代移动通信系统， 建立高效、 高可靠性、 高实时性、高可维护性的网络。铁路下一代移动通 信业务，根据应用类别可分为铁路安全保障业务、 铁路运输管理业务和乘客信息服务业务等三大类 。 1． 铁路安全 保 障 业 务： 列 车 安 全 视 频 监 控、 列车运行状态实时监测、铁路基础设施监测、道岔 视频监控、列车运行控制系统安全数据传输 、列车 辅助驾 驶 与 自 动 驾 驶 安 全 数 据 传 输 和 列 车 安 全 预警。 2． 铁路运输管理业务： 铁路多媒体综合调度、 工务通信、铁路专用数据通信、应急通信、铁路物
3G 虽 然 相 对 于 第 二 代 移 动 通 信 系 统 （ 如 GSM、GPＲS） 数据速率明显提高， 但目前仍已无 法满足不断增长的业务需求，特别是多媒体和数据 业务需要。 如 CDMA2000 理论上支持下行链路数 据速率最高为 3. 1 Mb / s， 上行链路数据速率最高 为 1. 8 Mb / s； WCDMA 仅能达到室内 2 Mb / s， 高 速移动 384 kb / s，即使采用了 HSPA 技术后， 也只 能达到下行最高 7. 2 Mb / s，上行最高 3. 1 Mb / s。 3. 1. 2 WiFi 技术 WiFi 作为无线局域网技术， 网络部署容易、 设备成本低、高数据速率，但受其无线局域网技术 的限制， 覆 盖 范 围 较 小 （ 通 常 为 几 十 米 至 数 百 米） ； 对高速 移 动 支 持 较 差， 无 法 支 持 200 km / h Fi 对移动性的支持要差于 WiMAX、 以上速度，Wi3G （ UMTS ） 和 GSM； 采 用 2. 4 GHz 的 免 授 权 频 段，容易受到其他系统的干扰， 安全性较差； QoS 保障能力较弱。 3. 1. 3 WiMAX 技术 WiMAX 技术作为无线城域网技术， 可以支持 大范围覆盖，数据速率可达 75 Mb / s， 但对高速移 动支持较差， 部分使用免授权频段， 安全性较差， 技术成熟度较低。 3. 1. 4 卫星通信 卫星通信可以方便地实现大面积覆盖 ，但系统 Fi 上 容量有限、使用成本高，如法国高速铁路 Wi网业务，每小时收费 4. 95 欧元。 3. 1. 5 LTE 相比于其他 4 种备选技术，LTE 作为当前移动 通信发展方向，采用了大量最新的研究成果，具有 频谱利用率高、数据速率高、覆盖范围广、使用成 本低、业务实时性好、 业务承载能力强等突出优 点，在支持高速移动、安全性等方面都较为符合铁 路下一代移动通信系统的需求。 就产业发展而言，LTE 作为公众移动通信的发 展方向已经成为共识，得到了国家的政策支持，各 大运营商和设备制造商都已经积极推动 3G 向 LTE 的演进， 因此具有完整的产业链， 技术成熟度较 高。采用 LTE 技术作为铁路下一代移动通信系统， 风险较小。 而且 UIC 已经确定铁路下一代移动通 — 52 —
2013 年 9 月 第 49 卷 第 9 期
铁 道 通 信 信 wk.baidu.com ＲAILWAY SIGNALLING ＆ COMMUNICATION
September 2013 Vol. 49 No. 9
通信· 信息技术
铁路下一代移动通信系统制式研究
席武夷
摘
代
赛
要： 在调研铁路下一代移动通信系统业务需求，分析铁路安全保障业务、铁路运输管理业务 和乘客信息服务等三类业务的基础上，提出了铁路下一代移动通信业务发展规划; 对比讨论了铁 路下一代移动通信系统的 5 种 备 选 技术， 提出铁路下 一代 移 动通信 接入 网 应 采 用 LTE 技术; 探 Ｒ 的发展规划建议。 讨了铁路下一代移动通信系统的发展思路，并给出了 LTE关键词： 铁路综合移动数字通信系统; 移动通信系统; 长期演进技术; 下一代铁路移动通信系统 Abstract: Based on an investigation of the service requirement of the next generation of GSMＲ as well as a analysis of three categories of services including railway safety guaranty，railway transportation management and passenger information，we put forward a service development planning for the next generation of GSMＲ． The paper also compares five kinds of alternative technologies of the next generation of GSMＲ and proposes adopting LTE technology． Furthermore，we explore the development ideas of the next generation of GSMＲ and give some suggests on the development planning of LTEＲ． Key words: GSMＲ; Mobile Communication System; LTE ; LTEＲ 对铁路下一代移动通信非常重视 ，已经开始相关技 术的研究和应用，很多研究机构和企业也积极参与 其中， 进展非常快。 UIC 计划于 2015 始铁路下一代通信系统标准的制定 。 我国虽然是 UIC 的创始国， 但由于历史原因， 在铁路第一代 （ 模拟移动通信 ） 和第二代移动通 Ｒ） 技术标准和规范的制定过程中， 我 信 （ GSM国参与不多、贡献不大，基本上都是参照欧盟相关 标准和规范，对 UIC 的影响力十分有限。 因此面对铁路下一代移动通信发展的契机 ，我 国需要开展总体研究，做好顶层设计，确立发展方 向，协调 “产学研用 ” 各方面的力量， 协同开展 研究， 形 成 合 力， 积 极 参 与 UIC 标 准 制 定 工 作， 在铁路下一代移动通信标准领域占据一席之地 。 2017 年开
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铁路下一代移动通信制式
系统制式选择 参照公众移动通信的发展方向、演进路线和国
际铁路无线通信的发展方向，当前可供铁路下一代 移动通 信 系 统 选 择 的 制 式 主 要 有 以 下 几 种 ： 3G、 WiMAX、WiFi、卫星通信和 LTE （ Long Term Evo lution ， 长期演进） 技术。 本节将针对铁路下一代 移动通信系统的特殊性，对 5 种备选制式进行比较 分析。
3. 1. 1
3G
Ｒ 信系统的演进路线将跨越 3G 技术， 直接由 GSM技术向 LTE 发展。 综合技术、 产业和国际发展趋 势，选择 LTE 技术作为我国铁路下一代移动通信 系统发展方向是合理的选择。 3. 2 总体技术发展思路 铁路下一代移动通信系统各方面的特殊性决定 了绝不能简 单 地 将 LTE 原 封 不 动 地 应 用 于 铁 路， 而是要以 LTE 理论和技术为基础， 针对铁路移动 通信系统的应用特点和运行环境 ，对关键技术进行 分析、取舍、改进和发展，形成适合铁路的下一代 移动通信技术体系，总体技术发展思路如下所述。 1． 铁路下一代移动通信系统在系统架构和协 议 （ 特别是空中接口协议 ） 方面尽可能与 LTE 保 持一致，以利于设备研发和产业化推广。 2． 当前 LTE 已经发布了很多版本， 今后还不 断会有新的技术和新的版本问世 ，因此铁路下一代 移动通信系统的技术也处于不断完善中 ，需要不断 借鉴 LTE 最新的研究成果， 如 OFDM、 MIMO、 波 束赋性和中继等技术。 再有， LTE 技术种类繁多， 且在不断发展中，铁路下一代移动通信系统没有必 要囊括全部 LTE 技术， 对于一些明显不适合铁路 环境的技术，可以不列入铁路下一代移动通信系统 技术体系中，例如家庭基站技术、世界范围内的漫 游技术等。 3． 铁路移动通信系统特殊的应用环境和 QoS 要求，在某些方面对现有 LTE 技术提出了更为严 峻的挑战，当前技术并不能完全满足要求，因此需 要对其中一些技术进行完善。 3. 3 需要完善的技术 1． LTE 系统虽然对移动性有较好的支持， 比 如： 在 120 km / h 以下时， 系统具有较好的性 能， 在 120 350 km / h 时可以保证连接， 不 掉 线。 但 是，随着移动速度的提高，系统性能还是会有明显 LTE 这一点更为明显。 而目前， 高 下降，对于 TD速列车运行速度在 300 350 km / h，未来列车的运 行速度还可能进一步提高。 2． LTE 虽然具有较高频谱利用率， 其峰值频 谱利 用 率 可 达 5 bps / Hz （ 下 行 ） 和 2. 5 bps / Hz （ 上行） ，但在小区边缘仅有 1. 6 行） 和 0. 66 2. 1 bps / Hz （ 下 1 bps / Hz （ 上行 ） ， 下降非常明显，
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铁路下一代移动通信系统研究的必要性
GSMＲ 作为第二代移动通信技术， 得到了广
泛的应用，但其属于窄带通信系统，频谱利用率较 Ｒ 平台上开拓各种新业务， 低，这使得在现有 GSM特别是对带宽需求较高的业务，难度非常大。在这 一背景下， 铁路下一代移动通信系统 （ 即铁路宽 带移动通信系统） 的研究被提上了日程。 另一 方 面， 随 着 公 众 移 动 通 信 网 从 2G 的 GSM，向 3G、 B3G 和 4G 方向发展， GSM 市场正 Ｒ 设备生产商已经纷纷表示将 在逐步萎缩。 GSMＲ 向铁 在 2025 年左右停止相关产品的生产， GSM路下一代移动通信系统演进已成大势所趋 。 国际上高 速 铁 路 发 达 国 家 和 地 区 （ 如 德 国、 法国、西班牙、 日 本 和 我 国 台 湾 地 区 ） 以 及 UIC （ International Union of Ｒailways， 国 际 铁 路 联 盟 ）
联网和移动票务 （ 移动电子商务） 。 3． 乘客信息服务业务： 信息发布、 公共信息 查询、公共广播、广告发布和乘客互联网。 2. 3 铁路下一代移动通信业务发展规划 我国铁路下一代移动通信系统研究还处于刚刚 起步阶段， 随着研究的深入和我国铁路的快速发 展，还会不断涌现各种新的业务。充分考虑当前需 求和长远发展，我国铁路下一代移动通信系统应该 分阶段发展： 第一阶段 （ 目前—2020 年 ） 应该首 先满足铁路安全保障业务和铁路运输管理业务需 求； 第二阶段 （ 2025 年 量的业务。 2030 年 ） 应该根据实际 情况，逐步稳妥地发展乘客信息系统等改善服务质
席武夷： 广州铁路 （ 集团） 公司 电务处 工程师 510088 广州 代 赛： 中铁第四勘察设计院 通号处 助理工程师 430063 武汉 0523 收稿日期： 2013-
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业务需求分析
铁路现有移动通信业务 GSMＲ 技 术 具 有 适 应 铁 路 运 输、 技 术 成 熟、
符合通信信号一体化发展等优势。 近十年来， GSMＲ 在我国铁路得到了越来越广泛的应用， 为 列车运行控制、列车调度通信、调度命令传输和重
GSMＲ 系统承载的铁路应用业务 高速铁路 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 重载线路 CTC 线路 TDCS 线路 其他线路 编组场
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载列车控制等业务提供了无线通信手段 。 现有的 GSMＲ 系统承载的应用业务如表 1 所示。 Ｒ 系统之外， 我国铁路原有的 除了采用 GSM450MHz、800MHz 无线通信系统仍然发挥着重要的 作用，主要用于承载无线列调、站场调车、车次号 传送、列车安全防护、组合列车控制、工务通信和 组织管理通信等应用业务。 2. 2 铁路下一代移动通信业务 Ｒ 系统应用日趋完善， 可 虽然我国铁路 GSM以满足列控安全数据传输、调度通信等铁路移动通 地之间不断出现 信基本业务需求， 但不能满足车的大数据量通信需求。为此，需要大胆创新，发展 铁路下一代移动通信系统， 建立高效、 高可靠性、 高实时性、高可维护性的网络。铁路下一代移动通 信业务，根据应用类别可分为铁路安全保障业务、 铁路运输管理业务和乘客信息服务业务等三大类 。 1． 铁路安全 保 障 业 务： 列 车 安 全 视 频 监 控、 列车运行状态实时监测、铁路基础设施监测、道岔 视频监控、列车运行控制系统安全数据传输 、列车 辅助驾 驶 与 自 动 驾 驶 安 全 数 据 传 输 和 列 车 安 全 预警。 2． 铁路运输管理业务： 铁路多媒体综合调度、 工务通信、铁路专用数据通信、应急通信、铁路物