TD�DLTE无线通信系统在铁路上的应用研究
TD DLTE�无线通信系统在铁路上的应用研究
从2003 年起，我国的铁路专用通信网络大多采用 GSM-R 技术，并且在实际应用中取得了
较大的成功。当前我国的青藏线、大秦线、胶济线等铁路都采用 GSM-R 通信技术。随着我国
铁路运营系统的高速化和现代化发展，现今的 GSM-R 技术已经难以满足其各方面的业务需
求。因此，铁路通信系统需要在原有的技术上进行技术和结构升级以适应铁路移动通信的高传
输率、高传输量、高带宽承载能力、高可靠度、短时延的发展趋势。
1 TD-LTE 无线通信技术的发展背景
现存的 GSM-R 通信技术在引入了 GSMS 网络技术之后，其通信系统在构建方式和数据承
载能力上都得到了一定程度的完善，但是从其技术本质上来讲，它仍然属于第二代移动通信技
术。目前的 GSM-R 铁路移动通信技术在业务开展能力上已经难以满足现代铁路通信系统的需
求，其业务处理能力必须得到改善和提升。因此，铁路通信系统必须找到新的发展出路，结合
我国铁路的运营现状和未来发展动态构建符合新时期发展的铁路通信系统。结合用户对移动通
信的未来需求以及国际铁路的无线通信发展趋势。根据我国的铁路通信工程发展现状，采用与
国际接轨的无线通信技术方案，以解决我国在无线通信技术领域相对薄弱的技术水平和建设实
践经验，通过直接分享国际已有的研究成果，来降低研发成本，降低制式选择所带来的风险
性。在此大背景下，选择 TD-LTE 无线通信技术成为我为铁路通信发展的新方向是准确的，符
合我国当前的实际情况的。
2 TD-LTE 无线通信技术
LTE 是2008 年由 3GPP 在Release 8 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山 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 CMTS/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、二是 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LTE-FDD 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。当前在我国的铁路通信系统当中主要是采用 TD-LTE 制式，本论文部分也主要是讲 TD-
LTE 制式的应用。
3 高速铁路 TD-LTE 无线通信系统
3.1 网络架构
下一代铁路通信系统的 TD-LTE 结构与 LTE/SAE 技术存在着相同与相似性。与现有的
GSM-R 通信系统网络架构相比较，两者之间的差异性主要表现在接入网技术和核心网组建技
术上。就核心网技术而言，TD-LTE 网络结构与 GSM-R 的最大不同是前者采用全 IP 网络。其
采用 HSS 归属用户服务器作为本地用户服务器，主要负责对用户的注册性资料信息进行统一管
理。另一方面，TD-LTE 采用 IP 多媒体子系统为系统提供IP 多媒体服务，能够实现数据传输
包的有效传输，通过会话初始化协议实现可以互操作的 IP 协议服务。与 GSM-R 网络架构相比
较，TD-LTE 的网络架构相对扁平和简洁，突出了系统的本质作用性和实效性，从而极大的减
少了设备和网络节点维护成本，为网络部署提供了更高的便利性，节省了运营商的开发成本的
运营成本，同时采用基站与核心网直接相连的关键性技术，能够大大减少信令的交换，提高了
系统运行的整体效率。
3.2 关键技术
（1）调制和信道编码技术
下一代铁路通信 LTF 制式可采用的调制编码技术可以参考地而电信通信系统。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PISCH 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 LTF 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。同时，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 TD-LTF 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 2×2 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，降低了信号检测难度。其中，采用 MIMO 处理技术可以针对每个子信道
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
进入 21 世纪以来，我国现代铁路运输体系向高速化方向发展是必然趋势。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 TD-LTF 系统可以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，作为下一个信号的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。
（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 FFC 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 FFC 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FFC 技术与 ARQ 技术的优点，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。
4 TD-LTE 无线通信系统的铁路应用
4.1 TD-LTE 在无线调度系统中的应用
摘要：
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TDDLTE�无线通信系统在铁路上的应用研究 从2003年起，我国的铁路专用通信网络大多采用GSM-R技术，并且在实际应用中取得了较大的成功。当前我国的青藏线、大秦线、胶济线等铁路都采用GSM-R通信技术。随着我国铁路运营系统的高速化和现代化发展，现今的GSM-R技术已经难以满足其各方面的业务需求。因此，铁路通信系统需要在原有的技术上进行技术和结构升级以适应铁路移动通信的高传输、高传输量、高带宽承载能力、高可靠度、短时延的发展趋势。 1 TD-LTE无线通信技术的发展背景 现存的GSM-R通信技术在引入了GSMS网络技术之后，其通信系统在构建方式和数据承载能力上都得到了一定程度的完善，但...
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作者：闻远设计
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时间：2025-02-19
