敖青青

摘要：高速鐵路的快速發(fā)展給人們的出行帶來了方便，與此同時(shí)在高速環(huán)境下如何保證旅客高質(zhì)量的通信服務(wù)成了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。第二代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）是窄帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，不能很好的滿足用戶日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求和未來高速鐵路高質(zhì)量的通信服務(wù)。而LTE作為新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，結(jié)合了OFDM、MIMO等先進(jìn)的無線技術(shù)，具有帶寬大、覆蓋能力強(qiáng)、頻譜效率高的特點(diǎn)，與以語音業(yè)務(wù)為主的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，更好的滿足了逐漸增長(zhǎng)的多媒體業(yè)務(wù)的需求。

關(guān)鍵詞：GSM-R；LTE；調(diào)度算法

一直以來交通工具是人們生活中不可或缺的一部分，飛機(jī)，輪船，汽車，火車之間的競(jìng)爭(zhēng)也愈演愈烈，飛機(jī)速度快，機(jī)動(dòng)性高，輕松舒適使得它成為人們的“寵兒”。但是，近幾年高速列車的出現(xiàn)大大提高了火車在競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)地位，隨著列車速度的不斷提高，人們的目光漸漸轉(zhuǎn)移向高鐵。2008年8月1日，時(shí)速高達(dá)350km的中國(guó)第一條高速鐵路——京津城際高鐵正式開通運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志中國(guó)鐵路正式進(jìn)入高鐵時(shí)代，高速鐵路的迅猛發(fā)展給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，我們的視野隨著一輛輛列車的疾馳越發(fā)的開闊，距離也隨著列車的疾馳進(jìn)一步的拉近。目前我國(guó)許多城市已經(jīng)開通了高速鐵路，高鐵站川流不息的人群也印證了高鐵安全、高效、便捷的特點(diǎn)。但是作為鐵路信息化驅(qū)動(dòng)力的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的更新就滯后很多。

GSM-R技術(shù)

GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway，全球鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)）是一種基于目前世界最成熟、最通用的GSM（Global System for Mobile Communication）平臺(tái)上、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式無線通信系統(tǒng)。它在GSM基礎(chǔ)上增加了鐵路基本業(yè)務(wù)包括功能號(hào)表示，功能尋址和基于位置的尋址等，提供了語音調(diào)度業(yè)務(wù)包括eMLPP（增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)占業(yè)務(wù)），VBS（語音廣播業(yè)務(wù)），VGCS（語音群呼業(yè)務(wù)）等，并開發(fā)了各種新的鐵路應(yīng)用。它的引入既保證了基站和列車間的語音和數(shù)據(jù)傳輸，也保證了列車與列車間的通信。但是GSM-R系統(tǒng)是窄帶通信系統(tǒng)，并不能滿足人們對(duì)于寬帶業(yè)務(wù)的需求，也會(huì)限制更多鐵路應(yīng)用（如：視頻監(jiān)控，多媒體廣播，高數(shù)據(jù)的旅客業(yè)務(wù)）的開發(fā)。無線技術(shù)發(fā)展日新月異，作為GSM-R基礎(chǔ)技術(shù)的GSM已逐步從產(chǎn)品生命周期的頂峰走向末期，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮GSM-R必然向新技術(shù)演進(jìn)。國(guó)際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railway，UIC）也明確表示將LTE-R作為下一代鐵路無線移動(dòng)通信系統(tǒng)。

新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE（Long Term Evolution）在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)性能上較2G、3G系統(tǒng)都有了較大的改善，能夠獲得高的數(shù)據(jù)速率來支持多媒體業(yè)務(wù)（如：VoIP，視頻流，視頻游戲等）。2013年12月4日，工信部向中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司、中國(guó)電信集團(tuán)公司和中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司頒發(fā)了“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)（TD-LTE）”經(jīng)營(yíng)許可，標(biāo)志著我國(guó)4G時(shí)代的到來。與2G、3G技術(shù)相比，LTE系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

（1）擁有較高的吞吐量。在傳輸帶寬設(shè)定為20MHz時(shí)，下行和上行峰值數(shù)據(jù)速率分別為100Mbps和50Mbps。

（2）靈活的頻譜使用。提供了寬帶可變的體系結(jié)構(gòu)，最高支持20MHz的帶寬。

（3）為了更好的支持語音和互動(dòng)游戲等對(duì)時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)設(shè)計(jì)為小于10ms，從而提高了保證業(yè)務(wù)QoS的能力。

（4）支持比較短的幀長(zhǎng)度（10ms幀和1ms子幀），這樣允許更快的重發(fā)反饋，在終端移動(dòng)速度高的情況下依然可以獲得高的效率。

（5）在支持高移動(dòng)速率的基礎(chǔ)上，明確提出了改善低移動(dòng)速率用戶質(zhì)量，提高小區(qū)邊緣比特率。

（6）采用IP體系結(jié)構(gòu)，與有線通信系統(tǒng)融合，支持后向兼容，支持自配置及自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)，降低了安裝和管理成本。

LTE系統(tǒng)

目前中國(guó)移動(dòng)已推出了LTE公用網(wǎng)絡(luò)并投入使用，LTE系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用也指日可待。歐美、日本等國(guó)家已經(jīng)相繼開展了相關(guān)的研究和試驗(yàn)工作。在國(guó)內(nèi)，2010年中國(guó)鐵路在第七屆世界高速鐵路大會(huì)上提出發(fā)展LTE-R鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，2013年高鐵聯(lián)合基金將“面向高速鐵路安全的寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究”列為重點(diǎn)資助研究領(lǐng)域，這也預(yù)示著新一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的到來。

雖然LTE采用OFDM和MIMO等先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)，有效的擴(kuò)大了無線資源，提高了頻譜利用率，但是頻譜資源的有限性仍然存在。更高的列車移動(dòng)速度引起的更大的多普勒頻移，信道的快速變化等問題會(huì)使列車用戶通信環(huán)境更加惡劣，降低頻譜資源的利用率。另外，更短的傳輸時(shí)延，更多用戶數(shù)目和用戶業(yè)務(wù)，也都大大加大了對(duì)頻譜資源最大化合理利用研究的挑戰(zhàn)性。無線資源管理就是通過對(duì)無線通信系統(tǒng)中有限的無線資源進(jìn)行分配調(diào)度和控制管理，使得系統(tǒng)性能潛質(zhì)發(fā)揮到極致，分組調(diào)度是無線管理中一項(xiàng)很關(guān)鍵的技術(shù)，調(diào)度算法在提高系統(tǒng)頻譜效率和資源利用率上有很重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。一個(gè)好的調(diào)度算法可以有效提高無線資源利用率，提高系統(tǒng)的整個(gè)性能。

資源調(diào)度算法的研究現(xiàn)狀

不管在早期的有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)代還是如今迅速發(fā)展的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，調(diào)度算法的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。調(diào)度負(fù)責(zé)在每一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)控制共享資源在終端用戶問的合理分配，因此隨著高寬帶業(yè)務(wù)和智能移動(dòng)設(shè)備的不斷增加，就更需要好的調(diào)度算法來解決資源調(diào)度的問題。早在20世紀(jì)80年代學(xué)者們就提出了資源調(diào)度算法，大體上可以分為兩類：

（1）信道依賴調(diào)度：給UE的資源塊分配建立在信道狀態(tài)的基礎(chǔ)上，例如：比例公平調(diào)度、最大載干比調(diào)度等；

62）信道無關(guān)調(diào)度：隨機(jī)的給UE分配資源塊，并且不建立在信道狀態(tài)的基礎(chǔ)上，例如：輪詢調(diào)度。

隨著人們對(duì)調(diào)度算法的不斷研究，有更多基于比例公平算法的新算法被提出。M.Andrews、K.Kumaran、K.Ramanan等人在PF算法的基礎(chǔ)上提出了一種新型算法M-LWDF（Modified-Largest Weighted Delay First，改進(jìn)的最大權(quán)重時(shí)延優(yōu)先算法）。M-LWDF算法中引入了丟包率、最大分組時(shí)延、首包時(shí)延參數(shù)，獲得了比PF算法更好的性能。文獻(xiàn)[1]中則在M-LWDF調(diào)度算法的基礎(chǔ)上將用戶的優(yōu)先級(jí)與不同的業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，提出了增加修正Q因子的改進(jìn)的最大權(quán)重時(shí)延優(yōu)先算法MFQM-LWDF，并驗(yàn)證了新算法性能的優(yōu)越性。

另外對(duì)調(diào)度算法的研究也需要考慮如無線承載的Qos需求，信道狀態(tài)信息，邊緣用戶公平性等方面，考慮因素不同，調(diào)度算法就不同。文獻(xiàn)[1]針對(duì)現(xiàn)有的LTE下行傳輸調(diào)度未能保證實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的問題，提出了一種改進(jìn)的支持多媒體業(yè)務(wù)QoS的兩層調(diào)度方案。文獻(xiàn)[2]中則是針對(duì)小區(qū)邊緣高速移動(dòng)用戶公平性比較差的問題，提出了時(shí)域TTI分配算法，即每間隔一定數(shù)目TTI，分配一個(gè)只用來調(diào)度小區(qū)邊緣高速移動(dòng)用戶的TTI，這樣小區(qū)邊緣用戶被服務(wù)的機(jī)會(huì)就大大的增加。另外還提出了面向高速移動(dòng)用戶頻域的軟頻率復(fù)用算法，當(dāng)頻域調(diào)度器中計(jì)算用戶頻域優(yōu)先級(jí)的時(shí)候，在功率較高的帶寬上將小區(qū)邊緣高速移動(dòng)用戶的優(yōu)先級(jí)增加了一個(gè)系數(shù)，以此來提高目標(biāo)用戶的吞吐量。