英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于LTE的下一代铁路移动通信系统可行性方案比较分析
摘要
无线通信技术在支持铁路运营和控制中起着至关重要的作用。当前的全球移动通信系统铁路系统提供了一套丰富的与列车控制相关的语音服务和数据服务, 但它的多媒体服务承载能力非常有限。随着商业无线产业的发展，长期演进移动宽带技术正在成为大多数商用移动网络中的主流技术。LTE是未来铁路移动通信系统的一种有前途的技术。第三代合作伙伴项目（3GPP）和中国通信标准协会（CCSA）提出了两种可行的基于LTE的宽带集群通信解决方案：3GPP关键任务推送通话（MCPTT）解决方案和B-TrunC解决方案。本文首先介绍了铁路移动通信和LTE技术的发展, 讨论了未来铁路移动通信的用户需求。从不同角度分析了两种基于LTE的下一代铁路移动通信系统（LTE-R）解决方案的适用性。
关键词：3GPP MCPT；B-TrunC；FRMCS；LTE-R
第1章 绪论
铁路移动通信源于轨道电缆和模拟铁路无线网络的不兼容匹配。由于其承载能力有限、抗干扰能力较低和缺乏加密，模拟铁路无线网络被全球移动通信铁路系统（GSM-R）所取代。GSM-R具有铁路干线调度语音业务和列车控制数据业务，满足铁路系统移动通信业务的要求。然而，从GSM所留下来的包括有限的容量、较高的成本和开发周期等弊端，导致了GSM-R市场正日趋灭亡。
2012年，国际铁路联盟（UIC）开始评估全球铁路市场的实际情况，研究铁路运营商和乘客的需求。2016年3月发布了未来铁路移动通信系统（FRMCS）的第二版“用户需求规范”，这是引入GSM-R接班人必不可少的一步。除了现有的GSM-R业务外，FRMCS还将增加一些潜在的新应用需求，如多媒体调度通信、实时视频监控等。GSM-R不能满足用户对FRMCS的需求，GSM产业将于2025年终止，这也促使了GSM-R发展。
长期演进（LTE）移动宽带技术是目前最成功的商用宽带移动通信系统。LTE提供了比GSM更高的数据容量，并且提供了一个扁平的体系结构，以减少部署和维护成本，只要使用标准实体即可。从这个意义上讲，第三代合作伙伴项目（3GPP）和中国通信标准协会（CCSA）提出了两种可行的基于LTE的宽带集群通信解决方案3GPP关键任务推送通话（MCPTT）和基于LTE的宽带集群通信（B-TrunC）。MCPTT是一种新的全球标准，用于取代传统的集团通信系统，如跨欧洲集群无线电（TETRA）、P25等。MCPTT基于LTE架构，可供政府/公共安全或铁路运营商使用。3gpp的重点是网络基础设施的设计，而客户端则由制造商根据用户的需求进行设计和实施。B-TrunC由CCSA开发，基于LTE 发布的第9代设计。B-TrunC标准的制定是为了满足新的集群通信需求（如多媒体调度应用）所推动的不断变化的需求。
然而，不论是MCPTT还是B-TrunC都不是专门为铁路移动通信设计。在此背景下，本文从体系结构、系统功能和性能、标准化水平、互操作性、高移动性支持能力和与GSM-R的向后兼容性六个方面分析了两种基于LTE的解决方案对基于LTE的FRMCS（LTE-R）的适用性。
本文的内容如下安排。首先，在第2章中简要介绍了铁路移动通信和LTE系统。然后，在第3章中讨论了FRMCS的用户需求，其中介绍了MCPTT和B-TrunC。在第四章中，我们分析了两种可行的LTE-R方案的适用性，最后在第五章中得出结论。
第2章 铁路移动通信发展
高速铁路（HSR）正成为一种主要的旅行运输方式，在世界范围内得到迅速发展，得益于其安全、可靠、方便、舒适和低能耗的优点。为了保证车地数据传输的可靠性、可用性和安全性，铁路移动通信系统在高铁运行中起着关键作用。
在铁路移动通信的早期阶段，一些模拟无线网络支持司机和轨旁工作人员的移动通信应用。例如，英国铁路公司开发了专门用于运营铁路的国家无线电网络（NRN），该网络通过基站和无线电交换为铁路网络的98%提供无线电覆盖。NRN可以为事故管理和超控优先设施提供专用的开放式对话模式，以确保所有紧急呼叫可以立即连接到铁路列车控制办公室和电气控制室。
由于通信量的快速增长和对铁路交通安全、经济、效率和安全的要求日益提高，模拟无线网络已达到极限。
1994年，欧洲电信标准协会（ETSI）的GSM标准被UIC选定为第一个数字铁路无线电通信系统标准，因为它是商业运营中唯一的系统，并且已经证明了其现有的现成产品，且需要最少的修改。然而，GSM不能满足高效铁路服务的所有必要要求。因此，有必要确定高级语音通话功能并将其添加到标准GSM中。UIC与铁路运营商一起启动了欧洲综合无线电增强网络（EIRENE），以明确要求。
移动网络满足铁路需求，包括附加群和广播呼叫的特点。为了验证这些Eirene功能规范是否可以转化为技术实现，制造商开发了三个原型，在法国、意大利和德国计划并实现了三条试验线。这三个试验线路系统是为了测试运行的不同方面，如火车站环境、复杂的隧道和弯道无线电覆盖拓扑结构以及速度高达300 km/h的高速线路。
1997年，全欧洲32家铁路运营商签署了合作备忘录（MOU），终止对模拟无线电系统的投资，并开始投资实施GSM-R。截至今天，签署国的数量已增至38家，其中包括欧洲以外的铁路运营商。今天，超过10万公里的铁路线由GSM-R系统运营，而且这一数量还在增长。此外，至少在2030年之前，该行业一直致力于支持GSM-R技术。
第3章 下一代铁路移动通信系统用户需求
随着电信标准的不断发展，通常需要很长的时间才能实现任何技术规范的应用，迫切需要对GSM-R的继承者展开研究工作。因此，UIC决定设立FRMCS项目，以准备在2012年引入GSM-R的接班人。本项目从实际铁路系统的现状评估和用户需求调查入手，最终交代了下一代铁路移动通信系统用户需求的第一个规范。
2016年，发布了新版本的FRMCS用户需求规范，其中交通需求分为两类，包括通信应用和支持应用。此外，用户分为三类：关键用户、性能用户和业务用户。关键用户是指能够提高铁路系统可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）的应用。性能用户是指能够提高铁路运营性能的应用，如列车发车、遥测等。业务用户一般是指能够支持铁路业务运营的应用。
与GSM-R系统的功能需求规范相比，新版本的GSM-R系统对宽带移动业务提出了更高的要求，如实时视频和无线车载乘客互联网。此外，还包括更多的列车地面数据服务，如非关键基础设施的监控和控制以及轨旁维护通信。
窄带移动通信系统无法满足上述所有交通需求，且GSM-R的行业支持将于2030年结束。因此，开发一套专用的宽带移动通信系统作为GSM-R的后继系统是当务之急。
除业务需求外，还针对用户需求提出了FRMCS的基本设计原则，包括与系统架构脱钩的应用、互操作性、现有基础设施的重用、高移动性支持、与GSM-R的向后兼容等。这些原则将是LTE-R系统的设计的规范。
第4章 两种LTE-R可行方案
为了为涉及公共安全的政府和组织提供视频共享、多媒体调度、无处不在的互联网和内部网接入等广泛的数据中心服务，设计了两个基于LTE的宽带集群通信系统B-TrunC系统和3GPP MCPTT系统。这两个系统被认为是LTE-R的候选系统，因为铁路系统的用户需求类似于公共安全通信服务，LTE是目前最流行的4G移动宽带系统。
4.1基于LTE的宽带集群通信系统（B-TrunC）
为满足宽带多媒体集群服务需求，即对语音、数据和视频的群体通信需求，CCSA于2012年开始开发宽带集群通信（B-TrunC）系统，并被ITU-R认可为公共防护和救灾（PPDR）推荐标准。
B-TrunC系统是基于TD-LTE系统和3GPP第九代设计的。单小区点对多点（SC-PTM）是B-TrunC系统空中接口的特点，旨在实现分组通信。SC-PTM是一种新型的无线接入方式，专门用于单小区物理下行链路共享信道（PDSCH）的组播。对于SC-PTM传输，组中的用户设备通过PDSCH中的公共无线资源区域接收组数据。这个概念自然允许组数据与PDSCH子帧内的普通单播数据进行多路复用，因此不会导致无线资源粒度问题。
除了SC-PTM技术外，LTE系统的体系结构演化还涉及两个集群通信实体，即集群控制功能（TCF）和集群媒体功能（TMF）。TCF负责集群服务调度、呼叫设置和发布、会话管理、身份验证、注册和取消。TMF负责集群用户平面管理、路由、数据转发、编码等工作，设计了终端与系统的接口、UU-T、核心网与调度员D的接口。为了提高B-TrunC的延迟性能，采用LTE的多媒体广播/组播服务（MBMS）和一键通蜂窝（POC）技术。目前CCSA已经完成了B-TrunC的通用技术要求和空中接口标准。
4.2 LTE和MCPTT标准化汇总
在本节中，介绍了与MCPTT相关的3GPP LTE标准化过程。
LTE系统的完全商业化运营始于3GPP Release 8规范，该规范于2008年完成。最新版本的LTE Release14已于2017年中期冻结。
LTE Release 8规定了一种基于正交频分多址（OFDM）的主要宽带技术。LTE Release 8主要部署在宏/微蜂窝布局中，可以提供改进的系统容量和覆盖范围、高峰值数据速率、低延迟、降低操作成本、多天线支持、灵活的带宽操作以及与现有系统的无缝集成。LTE Release 9空中接口方面为LTE版本8提供了一些小的增强。这些特点包括双层波束形成和基于到达时间差的定位技术。为了支持视频点播、视频会议等多媒体业务，在LTE的演进包核心（EPC）中加入了MBMS体系结构。
LTE Release 10实现了以下功能：通过载波聚合进行带宽扩展，以支持高达100兆赫的部署带宽；下行空间复用，包括单小区多用户MIMO传输和上行空间复用；以及强调类型1和类型2中继的异构网络。对于这个版本，LTE技术将LTE-A称为正式的4G系统。随着LTE业务信道容量和性能的逐步提高，下行控制信道可能成为瓶颈。为了解决这个问题，3GPP LTE Release 11中引入了增强的物理下行链路控制通道（EPDCCH）。
就组通信而言，Release 12的核心规范项目是组通信系统启用程序（GCSE）。LTE中的传统物理信道可以作为在一些基本场景中提供群组通信的良好媒介。GCSE定义了集团通信的需求，并在现有物理信道的基础上提出了系统架构。Release 12的LTE系统有两个基本的物理通道用于传输数据：PDSCH（通常用于普通单播数据）和物理多播通道（PMCH），后者设计用于演进的MBMS（EMBMS）。此外，直接设备到设备（D2D）通信是版本12的另一个特性。
Release 13和Release 14的重点是空中接口方面。它们是LTE Advanced不断演进的一部分，是4G到5G的桥梁，为满足PPDR的用户需求，定义了MCPTT服务和系统架构，其技术增强和实现已在Release 14中完成。此版本中的其他技术包括增强D2D邻近服务、室内定位增强和单小区点对多点（SC-PTM）。
第5章 铁路LTE可行架构方案分析
3GPP MCPTT和B-TrunC都不是专门为铁路通信设计的。它们不能完全满足LTE-R的用户需求，接下来从体系结构、系统功能和性能、标准化水平、互操作性、高移动性支持能力和与GSM-R的向后兼容性等六个方面分析了两种基于LTE的解决方案对FRMCS的适用性。
5.1系统架构
未来铁路系统的功能和商品化决定了未来铁路移动通信系统的设计原则。FRMCS体系结构设计应满足服务和体系结构去耦原则。由于GSM-R是一个基于GSM产品的改进的现成技术系统，因此对提供特定“R”（铁路）功能的增强对于铁路来说是昂贵的。对于未来的铁路通信系统，特定的“R”（铁路）功能配置应与通信系统分离。
B-TrunC为群组通讯提供了基本的解决方案。为提供分组通信业务，设计了多个逻辑信道，包括集群控制信道（TCCH）、集群业务信道（TTCH）、集群寻呼信道（TPCH）和集群寻呼控制信道（TPCCH）。这些通道映射到PDSCH。为了实现集群服务管理，设计了两个逻辑功能实体TCF和TMF，设计了与集群服务管理相关的非接入层（NAS）信令报文。B-TrunC系统架构如图5.1所示。基于EMBMS体系结构，3GPP设计了GCSE体系结构，通过MCPTT系统中的PMCH实现群通信。3GPP MCPTT系统架构如图5.2所示。在不同的上行链路下行链路配置中，PMCH分配是固定的。集群应用程序由应用层中的MCPTT服务器提供。
图5.1 B-TrunC系统架构
图5.2 3GPP LTE MCPTT系统架构
总之，B-TrunC重新设计LTE系统中的LTE承载层和Uu和NAS接口的服务层，以支持各种中继服务。3GPP MCPTT基于成熟的商用LTE产品增强了集群服务的承载能力，特别是在应用层实现的应用程序，这是独立的系统的体系结构。因此，3GPP MCPTT架构类似于LTE-R的解耦设计版本。
由于3GPP方案能够支持LTE系统应用层的集群业务，因此铁路功能的实现是灵活的。GCSE通过固定分配的PMCH实现分组通信，PDSCH实现分组通信，使得B-TrunC系统的资源利用率更高。
5.2系统功能和性能
除了在TETRA系统中承载的窄带集群通信业务外，B-TrunC还设计了更多的多媒体集群服务，如视频分组呼叫、视频个人呼叫、视频转发和发送到组。
3GPP MCPTT系统通过LTE第一阶段收集MCPTT中PPDR的集群服务需求，包括分组呼叫、宽带、延迟呼叫进入、动态
全文共8460字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[2789]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
