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当前高速铁路移动通信系统关键技术的演进及发展探析
作者：张仁美
来源：《电脑知识与技术》2016年第21期
摘要：高速铁路自诞生之日起，就伴随着对移动通信的承载需求，一部分需求来自高速列车的列车控制与调度系统，这是高速列车的核心；另一部分来自于乘客需求。在过去，GSM-R技术是比较主流的高速铁路移动通信技术，除此之外，国外比较有代表性的还有TGV和ICE等应用的移动通信系统。我国高速铁路移动通信技术的发展并没有经过很长时间，但目前正考虑取代GSM-R技术的移动通信关键技术。未来，随着5G时代的临近，基于5G的高速铁路移动通信技术将成为发展趋势，而高速铁路无线网络接入系统也将在不久的将来投入运营。 关键词：高速铁路；移动通信；现状；演进；发展
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0063-02 1 国内外高速铁路移动通信技术发展现状 1.1 国外发展现状
目前，国外比较先进的高速轮轨交通系统通常采用高速列车移动通信系统，除了为列车提供必要的控制及合理调度之外，还面向旅客，使旅客能够通过此系统接入互联网。最常用的技术为GSM-R（综合专用数字移动通信系统），此外，还有ICE（城际快车）和TGV（高速列车）以及新干线所采用的的移动通信技术也比较具有代表性。目前最主流的移动通信技术还是GSM-R，此技术来自于欧洲先进国家，最开始被部署于北欧及南欧主要国家，目前主要采用此技术的国家和地区除了欧洲主要国家外，还包括中国和印度。 1.2 国内发展现状
就目前来看，国内仍主要采用GSM-R技术，此技术初期被应用于青藏线、大秦线以及胶济线等线路上，后来又被应用于各大动车和高铁线路和重载线路。除GSM-R技术外，还应用了LTE-R（长期演进移动通信系统）技术，此技术主要被应用在朔黄重载铁路线上，也就是承载列车级车同步操控数据的列车控制业务传输。至于中国台湾地区则主要采用WiMax（全球微波互联接入）技术，但此技术已经不符合当前主流，因此正考虑采取LTE-R技术取代WiMax技术。
2 高速铁路移动通信技术的演进 2.1 专用移动通信系统的发展
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高速铁路专用移动通信系统是为适应当前铁路提速潮流而生的通信系统，不可否认的是，GSM-R在曾经很长的一段时间内都起到了至关重要的作用，长期以来，高速铁路移动通信系统都是以商务化的、成熟的GSM-R系统为技术标准，它有效提高了高速铁路的运营管理效率，并节省了大量建设及运营成本。但不管怎么说，此技术毕竟是来自于上世纪末的通信技术，虽然在多年时间里都可以适应高速铁路的通信要求，但随着高速铁路在运行速度方面的显著提升，到如今GSM-R技术已经无法有效应对复杂的高速铁路运行状况，目前，GSM-R技术已经开始暴露出大量的缺陷，并且由于其技术瓶颈无法突破，技术升级也变得不现实。并且，GSM-R已经难以承载高速铁路将来智能调度和视频监控等高数据速率业务[1]。为了解决这一现状，各厂商已经开始部署未来几年内GSM-R技术的演进战略，至多在2025年，GSM-R技术相关设备的升级与维护工作将完全停止。 2.2 专用移动通信系统关键技术
列车控制和列车调度业务是高速铁路移动通信系统的主要业务范围，但高速铁路将来的智能化调度和视频监控等高数据速率业务将成为主要服务内容，并且还将拓展针对旅客的服务。信息安全是将来专用移动通信技术的关键技术之一，如果不能彻底处理好安全问题，那么高速铁路将难以实现面向旅客的服务基础，从而无法实现更大程度的盈利。在GSM-R演进至LTE-R的过程中，有几个关键的技术应用是值得深入探讨的：第一是高速铁路的移动传播信道建模；第二是信道估计与建模、多普勒频移估计与补偿；第三，信道状态信息；第四，移动性管理；第五，干扰抑制以及抗干扰技术；第六，多天线及智能天线技术；第七，QoS（端至端）保证机制。
3 高速铁路移动通信技术的发展 3.1 基于5G的高速铁路移动通信技术 1）基于5G的高速铁路无线信道建模
以现在的技术水平来看，高速铁路在运行环境方面，对散射环境的要求并不复杂，并且多径数量也很少，LOS（服务水平）特征性较明显。显著地LOS特征就意味着更小的多径时延扩展或者更宽的想干宽带，也就是说通信环境将更优质。当然，移动速度过快将极大地增强多普勒频移的情况，但LOS依然可以显著降低这一现象。 2）基于分布式网络和云的架构
当前网络基站的实际资源使用率非常低，基站的位置决定了资源的使用状况，在高速铁路的环境中会产生相当显著的潮汐效应。而为了保证铁路在运行状态下的安全性，只能采取较大时间间隔发车的方法，如此一来，在同时段内，同一线路上运行的列车数量就会非常少，浪费资源。采用云无线接入网络架构就能有效解决这一难题，它的主要思想是集中基站间共用的资源到某一基带处理池中，然后集中控制这些资源。
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3）控制面和用户面分离
如图1所示，一般情况下，服务基站和接入用户之间会存在两个平面的连接，也就是控制面和用户面，在这之中，控制面是承载用户与接入网的控制指令的，而用户面则是处理业务数据传输功能的。当控制面的覆盖范围能够满足移动范围时，用户整体的移动性就都得到了保障。所以，在此结构中，用户的控制面会被保留于低频频段，因为次频段具备优质的传输性能，并且覆盖的范围也非常广泛。[2]。可是如果要考虑成本问题，这一频段也可以采取利用LTE-R遗留频段的方法已达到目的，但同时真正的用户面就应被搬离出去。应将数据的承载者放置在高频段处，以此扩大系统的容量。 4）频谱融合的异构网技术
就目前来看，可以采用增强频谱效率或扩大系统带宽的方式来提升系统所需的容量，当然，在这两种方法当中，采用扩大系统带宽的方法当然是最简单有效的。当然，合理利用非许可证频段是5G高速铁路移动通信增加带宽并提升系统容量的主要方法。此技术可能会遇到一些比较严重的挑战，例如协调方案受到干扰等，为妥善处理这一问题，建议分为两步进行，第一步，进行信道质量检测，检测应在接收端完成；第二步，对信道进行筛选，选择出满足最低要求的信道。
5）多天线及分布式天线技术
目前比较可行的方案为：大幅度增添车载台的天线阵列组数量，然后合并信号，此后再将不同组别天线阵列的权重进行适当调整，通过这种方法可以将不同天线阵列之间的关联性作改变。经过这些调整之后，LOS就能在高速铁路的环境下显著提升其系统容量。当前，高速铁路移动通信所要面对的最严重的问题就在于越区切换，如果进行频繁的越区切换不利于列车运行安全，因此，应采取分布式天线的技术，以尽可能减少切换次数。 6）多普勒效应及快速切换技术
在高速铁路运行时，频繁切换是引起失误的主要原因，为此，高速铁路的移动通信系统应该采用中断时长短的快速切换技术[3]，此外，群切换也会存在一定问题，而这一技术应能够一并解决。以当下的情况来看，最好采用基于双播的切换方案。 3.2 高速铁路旅客无线网络接入系统
将高速铁路移动通信技术面向旅客服务，除了方便和丰富旅客的车上生活以外，还能为该系统创造更大的收益。但是，普通旅客的手机设备是难以处理这样复杂的信号的，并且，即使可以处理，也需要较大功率，而这并不是普通手机所具备的，因此，采用将手机设备直接接入专用移动网络的方法是不可取的。可以重新建立起下车地间宽带数据接入移动数据传输链路，在车内安装WiFi等系统，为旅客提供安全稳定的移动网络服务。