高速列車寬帶無線上網方案比較及電氣安裝要求

鄭仕群

（中國海誠工程科技股份有限公司，上海200031）

目前移動運營商通常通過高速鐵路沿線的基站來實現高速列車覆蓋。這種方式適合語音通話業務，但難以滿足寬帶無線上網的需求。為了能提供和辦公室類似的無線上網體驗，需要考慮對高鐵列車進行電氣改造。本文比較了3種不同的高鐵列車寬帶無線上網方案的優缺點，并針對性地分析了各方案對布線設計的要求。

1 方案1：車外語音、車內無線局域網

隨著無線局域網技術的發展，其終端成本越來越便宜，數據傳輸速率越來越高。IEEE 802.11g和IEEE 802.11nWIFI設備已能提供54～150Mb／s的無線上網速率，在辦公場所里已十分普及。近年來，3大移動運營商也大力部署無線城市，進一步推動了WIFI終端的發展。WIFI已經成為筆記本的標準配置，很多新興的平板電腦和智能手機都支持通過WIFI寬帶無線上網。這在商務人群中普及率很高。

既然高速列車直接通過移動通信網絡上網速率受限，可以考慮在高速列車內部署無線局域網來提供寬帶無線上網業務。圖1描述了方案1的架構。乘客在高速列車里的語音業務由車外的移動基站提供，數據業務通過車內部署的無線局域網提供。高速列車車廂通常長25m左右，一個設置在兩節車廂結合部的接入點（AP）能很好地實現兩節車廂的覆蓋。由于通常雙屏蔽超五類雙絞線可靠傳輸距離為100m，所以每隔4節車廂需要設置一個交換機。高速列車通常有8到16節車廂，所以需要依情況設置2到4個交換機節點。高速列車上無法象辦公室那樣通過固定網絡接口接入互聯網，但可以利用車載無線調制解調器通過移動運營商的蜂窩網絡接入互聯網。所以要在高速列車上某處，如車頭安裝車載無線調制解調器，并通過路由器和交換機連接。這樣就構成了一個完整的車內無線局域網系統。

圖1 車外語音，車內無線局域網方案示意圖

車內無線局域網布線需要遵循機車布線規范［2］。無線局域網線路屬于第1級電路。為了防止車內不同電路之間的干擾，方案1采用雙屏蔽超5類雙絞線。它能傳輸最高100MHz的信號，但不會對周圍其他線路產生干擾。由于每條線直徑只有5mm左右，而本系統同時最多只有3根線并行，因此布線時如果不能占用單獨的線槽，可以和其他信號線共用線槽，降低布線難度和成本。每個接入點只需要電源接口和以太網接口，而交換機、路由器和無線調制解調器需要放在弱電箱內。市場上此類產品型號很多，尺寸較小，易于安放設置，價格比較低廉。注意無線調制解調器的天線需要安放在靠近車體表面無屏蔽的位置，以提高和高速列車外移動基站的通信信號質量。天線通過射頻電纜和無線調制解調器連接。

2 方案2：直放站配合無線局域網

車外語音加車內無線局域網的方案可以很好地解決高速列車寬帶無線上網的問題，但是并不能提供完善的用戶體驗。直接用車外基站提供語音業務，雖然可以在多數時間提供清晰的語音服務，但由于高速列車無線傳播環境惡劣，仍然偶爾會出現雜音、掉話、丟失尋呼等問題。此外，并不是所有用戶都能通過無線局域網上網。一些低速手機應用需要在移動通信網絡中使用，它們對速率要求不高，但是需要有穩定的連接。

可以采用直放站配合無線局域網的方案來提供比較完善的高速列車用戶上網體驗（圖2）。該方案采用了和方案1同樣的車內無線局域網系統來提供寬帶無線上網。此外還并行部署了一套車載多模移動通信直放站系統來輔助語音通話和低速數據業務。這套系統的核心是一臺車載多模移動通信直放站。它作為高速列車外基站和高速列車內終端之間的中繼，一方面接收基站信號，放大后發給終端；另一方面接收終端發給基站的信號，通過合適的信道發送給基站。由于直放站沒有體積、功耗等方面的限制，所以可以使用比手機更高級的信號處理算法，還可以使用多根天線和基站通信，從而大大提高移動通信質量。在部署了車載多模移動通信直放站的高速列車里，用戶手機感受的是和辦公室類似的移動通信信號強度，在語音和低速數據業務下沒有太大體驗差別。

圖2 直放站配合無線局域網方案示意圖

直放站通過饋線網絡和天線向用戶終端發送和接收無線信號。這樣可以保證到用戶終端的無線傳輸環境。同樣考慮在兩節車廂結合部安裝偶極天線來實現這兩節車廂的覆蓋。各個天線通過饋線和射頻合、分路器逐級匯合到直放站射頻接口處。射頻合、分路器對下行信號會帶來3dB的衰減。假設最壞情況下，直放站安裝在車頭，車體有16節車廂。于是車尾天線需要經過7級射頻合、分路器和約400m的饋線，信號損耗較大。可以在射頻合、分路器接口處加射頻放大器來抵消衰減。但是這樣會大大提高成本和安裝維護難度，而且難以兼顧多個無線通信頻段。所以本方案采用無源射頻合、分路器。根據高鐵列車車廂無線傳播環境進行無線鏈路計算可以得到，需要采用5／4英寸饋線（1 800 MHz衰減約為4dB／100m）［3］。另外，直放站射頻口需要安裝防雷器，其射頻衰減應小于0.5dB。

布線上饋線和射頻合、分路器需要安裝在有良好接地的線槽內，每條饋線都應用接地件和截面積為10 mm2的接地線接地，并且接地點應接近直放站一端。饋線彎曲半徑應小于設備技術要求，這在高速列車應該能夠滿足。饋線屬于第1級電纜，和周圍其他電纜應相距3cm以上。

3 方案3微蜂窩RRU拉遠

隨著蜂窩移動通信技術的發展，移動通信網絡能夠提供的數據傳輸速率越來越高。目前3.5GHSPA已經可以提供最大14Mb／s的下行速率，不久以后4G LTE將提供最大150Mb／s的下行速率。這在高速移動的高速列車上是很難實現的。如果用戶希望在高速列車上通過蜂窩移動網絡寬帶無線上網，從而實現車上車下一致的體驗，那么可以采用微蜂窩RRU（遠端射頻模塊）拉遠的方案（圖3）。

圖3 微蜂窩RRU拉遠方案示意圖

微蜂窩RRU拉遠方案將整列高速列車布置為一個移動通信微蜂窩。其核心是一臺移動通信微蜂窩基站。為了有效地實現高速列車無線信號覆蓋，將遠端射頻模塊和天線設置在靠近用戶的位置，通過光纖和微蜂窩內的基帶處理單元相連。發射功率設置要考慮車外移動基站信號的干擾。用光纖而不是饋線連接的原因是光纖傳輸可靠且損耗小。微蜂窩基站需要專用鏈路和核心網連接。這通常采用衛星接入，也可以使用專用的接入模塊。從性能的角度考慮，本方案采用衛星接入的方式。

布局上把微蜂窩基站布置在車頭處，在兩節車廂的結合部放置一臺遠端射頻模塊和天線。遠端射頻模塊需要放置在專門的弱電箱中。考慮高速列車有16節車廂，由于每個遠端射頻模塊需要通過光纖直接和微蜂窩基站相連，所以采用8芯多模光纜。光纜在線槽中鋪設，采用中心束管式帶鎧結構，型號GYXTW［4］。注意彎曲光纜時不能超過最小的彎曲半徑，鋪設光纜的牽拉力不應超過最大鋪設張力，需要考慮高速列車拐彎的場景。遠端射頻模塊的供電為直流－48V，由微蜂窩基站遠端供電。采用2.5mm2電線。某些型號的光纜將供電線放在同一個鎧里，方便鋪設。

如果還需要同時給用戶提供無線局域網寬帶上網方式，可以類似方案1部署一套并行的車內無線局域網系統。在車頭路由器端，可以不用無線調制解調器，直接和微蜂窩基站相連。

4 3種方案比較和總結

綜上所述，這3種方案都能解決目前高速列車無法寬帶無線上網的問題。它們由于實現方法不同，從而在性能、用戶體驗、成本等方面有所差別，在布線的要求和難度上也不一樣（表1）。車外語音加車內無線局域網的方案最簡單，可選設備類型多樣，成本低，布線很簡單。但其用戶的綜合體驗一般。直放站配合無線局域網的方案彌補了方案1在語音和低速數據通信上的不足，提升了整體的用戶體驗。由于增加了饋線、天線、直放站等設備，成本大大提高，布線的要求也相應提高。微蜂窩RRU拉遠的方案是性能上最優的方案，可以提供車上車下一致的用戶體驗，還可以配合無線局域網向用戶提供不同的選擇。但這種改造方案成本比較高，而且光纖布線也比雙屏蔽超五類雙絞線復雜得多。具體工程實施時可以根據不同的用戶需求選擇不同的改造方案。

表1 3種高速列車寬帶無線上網方案的比較

［1］王化深，胡景森，常 凱，等.準高速鐵路無線機車信號的傳播特性［J］.北京交通大學學報，2009，33（3）：17－21.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB／T 1508－1993，機車電氣屏柜技術條件［S］.

［3］中華人民共和國信息產業部.YD－T＿1092－2004，通信電纜—無線通信用50Ω泡沫聚乙烯絕緣皺紋銅管外導體射頻同軸電纜［S］.

［4］中華人民共和國信息產業部.GB／T12357.4－2004，通信用多模光纖［S］.

［5］法國標準化協會.NF F 61－010，鐵路車輛—布線和設備機械固定的一般規定［S］.