1.2 国内外蜂窝铁路移动通信技术的发展

1993年，国际铁路联盟(UIC)，在经过组织和协商后，提出了在欧洲使用新的铁路移动通信技术：GSM-R技术。1999年，第一个GSM-R网络投入运营使用，在Qresund大桥上建成，随后，各个国家逐渐建立了GSM-R网络。欧洲率先研究和运用了GSM-R，开启了铁路通信运用GSM-R的大门，而我国虽然开始发展的时间较晚，但是发展速度很快，如今已经在多条铁路干线上运用GSM-R系统，相比于其他通信系统，GSM-R更适应铁路运输特点，拥有更成熟的技术，更符合铁路移动通信的可持续发展。我国于2000年底将GSM-R网络确定为未来的高铁移动通信的发展目标 [1]。而与一般公共网络相比，高铁移动通信有着移动速度快，地势情况复杂等特点，因此，基于这些特点决定的无线传播信道的确定也成为了研究的关键。

1.3 本课题的主要工作和研究内容

本课题主要工作是研究和对比现有的GSM-R技术和下一代LTE-R技术。首先总结两个系统在结构、多址技术、调制技术等方面的差异[2]。其次重点研究了无线信道小尺度衰落，从时间角度和空间角度，分别研究了时延扩展、相干带宽、和相干时问等信道参数[3]，并以此为基础分析和比较了两个系统对信道变化的适应性。接着分析比较两者提供的业务类型和吞吐量。最后通过前面的分析判断铁路移动通信从GSM-R演进到LTE-R的必要性和会面临的挑战。

2 GSM-R的关键技术

GSM-R 系统满足GSM标准设计，在引入中国前，欧洲率先完成标准编制和开始商用[2]。GSM-R针对铁路通信需要调度、控制、支持高速列车的要求，于GSM Phase2+协议里规定了高级语音呼叫功能，原有的功能主要包含一些组呼和网络呼叫等功能，而GSM-R在此基础上进行了改善，添加了一些寻址功能，以适用于高速行驶环境下的列车调度的通信要求[3]。

2.1 GSM-R的频率占用和多址技术

GSM-R与GSM基本相同，但是拥有铁路专用功能。它使用800/900 MHz周围的频段。此外，873-876 MHz(上行链路）和918-921MHz（下行链路）用作全球GSM-R的扩展频带，称为扩展GSM-R（E-GSM-R）。 GSM-R通常使用靠近轨道的专用基站（BS）来实现， 两个相邻BS之间的距离为7-15公里; 在我国，由于使用冗余覆盖来确保更高的可用性和可靠性，因此它是3-5公里。

GSM系统采用的是FDMA（频分复用）和 TDMA（时分复用）混合技术。FDMA是说在上行链路890-915 MHz或下行链路935-960 MHz范围内，分配124个载波，也称载频，每个载频之间间隔200 kHz。并且GSM系统中上下行载频是成对出现的，且一一对应，其间隔为45MHz。TDMA可以看成是将一个载频平均分成8个时隙（slot）或者也可以称作为物理信道。

每个载频连续8个时隙可以组成一个“TDMA Frame”（TDMA帧），即GSM的一个载频可以提供8个物理信道，GSM系统多址接入方式TDMA/FDMA如图2.1所示。

 一帧分为8个时隙（信道），宽577ns124个载频

图2.1 TDMA/FDD接入方式

TDMA系统中，帧结构也叫突发结构，是传输信息的重要单位。下图给出了两种结构，如图2.2所示

图2.2 两种时隙结构

GSM系统中，每帧包含8个时隙，时隙宽为577us，包含156.25比特。一个时隙中的信息单位被称为突发脉冲序列（burst），它也是GSM中信息传输的最小单位，其大小和间隔对GSM系统的性能有很大的影响。常见的突发脉冲如普通突发脉冲(Normal Burst)，它是最常见的突发脉冲序列，主要负责对业务信息和控制信息的传送。有四种突发脉冲序列，其构成如图2.3所示。

图2.3 四种突发脉冲序列

2.2 GSM-R的网络结构

GSM-R系统包括网络子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、运行与业务支撑子系统(OSS)和终端设备等四部分[14]。网络子系统又分为：移动交换子系统、移动智能网子系统和通用分组无线业务子系统。移动交换子系统主要负责业务交换功能和数据库功