２０１８年８月 铁道通信信号 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡｌ ＬＩＮＧ＆Ｃ（）ＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ Ａｕｇｕｓｔ ２Ｏ１８ 第５４卷第８期 Ｖｏ１．５４ ＮＯ．８ ＧＳＭ．Ｒ与ＬＴＥ—Ｒ网络对比 赵泽宇 摘要：随着运输和养护技术的提高，窄带ＧＳＭ—Ｒ网络已不能满足新业务的需求，宽带Ｉ．ＴＥ—Ｒ 系统成为下一代铁路无线通信系统的发展方向。本文对ＧＳＭ－Ｒ和ＬＴＥ—Ｒ的系统架构、接口及 协议进行对比，并展望铁路无线移动通信技术的未来发展。 关键词：铁路数字移动通信系统；铁路宽带移动通信系统；系统架构；接口协议 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ ＧＳＭ—Ｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｎ ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｎｅｗ ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｉ ＴＰＲ ｓｙｓ～ ｔｅｍ ｂｅｃｏｍｅｓ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｒａｉｌｗａｙ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｏｆ ＧＳＭ Ｒ ａｎｄ ＬＴＥ—Ｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＳＭ—Ｒ；ＬＴＥ－Ｒ；Ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ＤＯＩ：１０．１３８７９／ｊ．ｉｓｓｎｌ０００—７４５８．２０１８—０８．１８２０３ ＧＳＭ—Ｒ是专门为铁路通信设计的数字移动通 ９．６ ｋｂ／ｓ，使用ＧＰＲＳ承载数据业务时的峰值速率 为ｌ７１．４ ｋｂ／ｓ。 信系统，为铁路调度指挥、运输生产、应急指挥提 供无线通信功能。随着客货运输和养护维修技术的 ＬＴＥ－Ｒ基于ＬＴＥ技术，频段南围家统一规 划，目前还未确定。Ｉ ＴＥ Ｒ系统可支持５，１０， ｌ５，２０ ＭＨｚ等多种带宽；下行采用正交频分多址 （ＯＦＤＭＡ）技术，上行采用单载波频分多址（ＳＣ ＦＤＭＡ）技术；控制面时延小于１００ ＩｌｌＳ，无负载 情况下用户面时延小于５ ｍｓ；下行峰值传输速率 更新，窄带网络难以满足日益增长的通信需求，铁 路通信技术亟待向更高的水平发展。我国于２０１０ 年开始研究ＬＴＥ—Ｒ铁路宽带移动通信系统，２０１ ２ 年国内第一条Ｉ．ＴＥ—Ｒ系统在朔黄铁路建成，在建 京沈铁路也将对ＬＴＥ—Ｒ进行系统试验。Ｆ｝｜于国内 还未发布ＬＴＥ Ｒ的规范，本文中提到的ＬＴＥ Ｒ 网络技术特征、系统架构、接口协议等内容，是基 于现行商用ＬＴＥ系统及国内ＬＴＥ－Ｒ系统相关 需求。 达到１００ Ｍｂ／ｓ，上行峰值传输速率达到５Ｏ Ｍｂ／ｓ。 相比于ＧＳＭ－Ｒ系统，ＬＴＥ—Ｒ系统引入了正交 频分复用（ＯＦＤＭ）和多输入多输出（ＭＩＭ（））技 术。ＯＦＤＭ技术将信道分为正交子信道，将高速 数据流变为并行低速数据流传输，使ＬＴＤＲ系统 具有较强的抗符号问干扰和抗衰落能力。而ＭＩ— ＭＯ技术在发送端和接收端同时使用多副天线收发 ｌ技术特征 ＧＳＭ—Ｒ技术起源于欧洲，工作频段为 ９００ ＭＨｚ，上行频段范围８８５～８８９ ＭＨｚ，下行频 段范围９３０～９３４ ＭＨｚ，信道带宽２００ ｋＨｚ，采用 数据，可以成倍的提高ＬＴＥ—Ｒ系统容量，提高信 道的可靠性。 ＧＭＳＫ调制方式和时分多址（ＴＤＭＡ）技术，每 个载波８个时隙，承载话音业务时的峰值速率为 赵泽宇：中国铁路经济规划研究院有限公司 助弹上程师 １０００３８北京 ２ 系统架构 ２．１ ＧＳＭ－Ｒ系统架构 ＧＳＭ—Ｒ系统主要包括核心网和无线子系统 （ＢＳＳ），核心网又包括移动交换子系统（ＳＳＳ）和 收稿日期：２０１８ ０４—２３ ８４—ｕ———— ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＩ ＬＩＮＧ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ Ｖｏ１．５４ Ｎｏ．８ ２０１８ 通用分组无线业务子系统（ＧＰＲＳ），ＧＳＭ－Ｒ系统ＰＤＮ网关（Ｐ—ＧＷ）、归属用户服务器（ＨＳＳ）等 架构如图１所示。 构成。ＭＭＥ的功能类似于ＧＳＭ—Ｒ中ＳＧＳＮ的控 制面功能，主要负责接人控制、移动性管 理、会话管理；Ｓ＿ＧＷ负责数据包的路由和 转发，支持与３ＧＰＰ的２Ｇ和３Ｇ系统的切 换，同时在切换时作为用户面的锚点；Ｐ— ＧＷ在３ＧＰＰ与非３ＧＰＰ网络间互相操作 时，作为用户面的锚点，负责管理３ＧＰＰ和 非３ＧＰＰ网络问的数据路由，还负责包过 图ｌ ＧＳＭ－Ｒ系统架构 滤、合法侦听、ＵＥ的ＩＰ地址分配等功能； ＨＳＳ类似于ＧＳＭ—Ｒ中的ＨＬＲ，用于存储 无线子系统（ＢＳＳ）主要负责无线信号的发 用户信息、执行用户的身份验证和授权。 送、接收和无线资源管理，实现移动用户之间或者 演进ＵＭＴＳ陆地无线接入网（Ｆ＿ＵＴＲＡＮ） 移动用户与固定用户之间的通信连接，由基站收发 主要由ｅＮｏｄｅＢ构成，ｅＮｏｄｅＢ由３Ｇ网络中的Ｎｏ 信台（ＢＴＳ）、基站控制器（ＢＳＣ）、分组控制单元 ｄｅＢ发展而来，同时整合了ＮｏｄｅＢ和ＲＮＣ的大部 （ＰＣＵ）等构成。 分功能，取代了ＧＳＭ—Ｒ网络中的ＢＳＣ和ＢＴＳ。 移动交换子系统（ＳＳＳ）主要完成用户业务交 换、数据管理、移动性管理、安全管理等功能，由 移动交换中心（ＭＳＣ）、拜访位置寄存器（ＶＬＲ）、 归属位置寄存器（ＨＬＲ）、鉴权中心（ＡｕＣ）等构 成。ＭＳＣ是ＧＳＭ网络的核心，支持同一ＭＳＣ下 不同ＢＳＣ的信道切换，以及不同ＭＳＣ之间的信道 图２ ＬＴＥ－Ｒ系统架构 切换；ＶＬＲ用于临时存储进入管辖区域内的用户 信息；ＨＬＲ用于永久存储和记录管辖区内所有移 ２．３系统架构对比 动用户的数据；ＡｕＣ是电路域和分组域的共用部 ＧＳＭ－Ｒ系统中基站和基站控制器分离设置， 分，进行数据的鉴权和加密。 电路业务和分组业务分别处理，因此网元数量较 通用分组无线业务系统子系统（ＧＰＲＳ），是 多、系统结构较为复杂。ＬＴＥ系统接人网完全交 为了使ＧＳＭ－Ｒ网络支持分组业务而引人的，由服 由ｅＮｏｄｅＢ处理，取代了ＢＴＳ－ＢＳＣ二级架构，由 务ＧＰＲＳ支撑节点（ＳＧＳＮ）、网关ＧＰＲＳ支持节 于采用全ＩＰ的网络架构，其核心网无需同时考虑 点（ＧＧＳＮ）等构成。ＳＧＳＮ负责接收和处理ＰＣＵ 电路域和分组域，只需处理分组业务。ＥＰＣ相当 传来的分组业务，其作用类似于语音业务中的 于同时整合了ＧＳＭ－Ｒ中的移动交换子系统、通用 ＭＳＣ；ＧＧＳＮ是网关设备，主要完成与外部网络 分组无线业务子系统和移动智能网子系统的大部分 协议的转换功能。 功能，因此网元数量大大减少，网络结构更加扁平 ２．２ ＬＴＥ－Ｒ系统架构 化。网元数目的减少，降低了网络部署和维护的成 ＬＴＥ－Ｒ系统由演进分组核心网（ＥＰＣ）和演 本；网络层级的减少保证了低时延，改善了用户 进ＵＭＴＳ陆地无线接入网（Ｅ－ＵＴＲＡＮ）组成， 体验。 如图２所示。 演进分组核心网（ＥＰＣ）集成了ＧＳＭ＿Ｒ中 ３接口及协议 ＢＳＣ、ＳＧＳＮ、ＧＧＳＮ、ＨＬＲ的部分功能，主要由 ３．１ ＧＳＭ—Ｒ接口 移动性管理实体（ＭＭＥ）、服务网关（Ｓ－ＧＷ）、 ＧＳＭ－Ｒ的接口主要有Ｕｍ接口、Ａｂｉｓ接口和 ８５ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＩ Ｉ ＩＮＧ Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０Ｎ Ｖｏ１．５４ Ｎｏ．８ ２０ １ ８ 性保护，以及在反方向上实现ＲＲＣ信令的解密和 一致性检查；ＲＲＣ主要为ＮＡＳ层提供连接管理、 消息传递等服务，对底层协议进行参数配置，以及 对ＵＥ进行移动性管理；ＮＡＳ层终止于ＭＭＥ，且 不存在于ｅＮｏｄｅＢ中，负责ＵＥ与ＭＭＥ之间用户 信息和控制信息的传输，具有会话管理、用户管 理、安全管理等功能。 图６ ＬＴＥ－Ｒ控制平面协议 ３．３接口及协议对比 由于ＧＳＭ－Ｒ的网元数目较多，网元之间互联 需要考虑的情况较为复杂，导致其接口较多，协议 相对繁琐。ＬＴＥ－Ｒ的用户面和控制面相分离，逻 辑上有专门的数据传输通道和信令传输通道，在协 议上专门设计了不同的承载加以区分，层级结构更 加清晰。ＵＥ、Ｅ—ＵＴＲＡＮ、ＥＰＣ三级的网络结构 降低了接口数量，全ＩＰ网络使得ＬＴＥ只需要关注 分组交换协议，避免了同时处理电路数据。ＬＴＥ－ Ｒ网络无论安装还是维护，都比已有的ＧＳＭ－Ｒ网 络更加方便。 ４发展与展望 ＬＴＥ－Ｒ系统采用了新的多址技术、调制技术 及天线技术，具有更大吞吐量、更小传输时延及更 高频谱利用率；而且，ＬＴＥ系统采用扁平化全ＩＰ 网络结构，网络结构更加简单。 我国ＬＴＥ技术经过了３年多的市场检验，取 得了巨大的成功，也积累了相当宝贵的运用维护经 验，可以供ＬＴＥ—Ｒ网络建设参考，保障铁路通信 的稳定发展和长期服务。 ＬＴＫＲ网络的部署，能够给现有的铁路调度， 运营、维护带来极大的便利。ＬＴＥ—Ｒ网络具有更 小的端到端时延，可以进一步缩短列控、调度等业 务的传输时间，保证铁路运输的安全性和可靠性。 同时，更大的数据传输速率，使得无线通信在视频 监控等宽带业务上有更大的发挥空间。此外， ＬＴＥ—Ｒ网络除了服务于铁路运输，也可以服务于 旅客上网，为旅客提供更好的乘车体验。 ＬＴＥ—Ｒ技术的优势固然明显，但是，由于铁 路运输的特殊性，距离ＬＴＥ—Ｒ的大规模部署还有 很长的路要走。其中，安全性和可靠性是需要优先 考虑的因素，虽然ＬＴＥ—Ｒ的带宽、时延等技术指 标优于ＧＳＭ－Ｒ网络，但是在抗干扰性、连线响应 速度等方面，仍然逊色于ＧＳＭ—Ｒ网络。因此，在 网络过渡中需要兼顾网络与业务，保证无线网、核 心网和业务的平滑演进，可以先使用ＬＴＥ—Ｒ网络 承载一些对安全性要求不高的业务，这有利于最大 限度地保证铁路业务的延续性及安全性。 此外，频率分配是铁路移动通信技术研究及规 划的基础与前提。目前全路范围进行的Ｇ网改造 工程正努力推进，腾退４５０ ＭＨｚ频段为后续发展 预留空间。ＬＴＥ－Ｒ网络在技术层面的准备已经非 常充足，随着ＬＴＥ－Ｒ网络的推进，将带领中国高 铁走进数据时代，给ＬＴＥ—Ｒ产业带来巨大繁荣， 进一步推动我国高铁走向世界。 参考文献 ［１］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢ／Ｔ ３３２４—２０１３．铁路数字移 动通信系统（ＧＳＭ－Ｒ）总体技术要求［Ｓ］．北京：中国铁 道出版社，２０１３． ［２］国家铁路局．ＴＢ １００８８—２０１５．铁路数字移动通信系统 （ＧＳＭ－Ｒ）设计规范￣ｓ３．北京：中国铁道出版社，２０１５． ［３］ ３ＧＰＰ ＴＳ ３６．１０４，”Ｅｖｏｌｖｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｒａ— ｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ（ＫＵＴＲＡ）：Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ（ＢＳ）ｒａｄｉｏ ｔｒａｎｓ— ｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ”Ｖ１５．１．０（２０１７—１２）． ［４］ ３ＧＰＰ ＴＳ ３６．１０１，”Ｅｖｏｌｖｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｒａ— ｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ（Ｅ－ＵＴＲＡ）；Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（ＵＥ）ｒａｄｉｏ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ”Ｖ１５．１．０（２０１７—１２）． Ｉｓ］ ３ＧＰＰ ＴＳ ３６．２１ １，”Ｅｖｏｌｖｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｒａ— ｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ（Ｅ－ＵＴＲＡ）；Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｎｄ ｍｏｄｕ— ｌａｔｉｏｎ”Ｖ１５．０．０（２０１７—１２）． （责任编辑：诸红） ８７—