對高鐵寬帶移動通信系統架構演進的思考

方旭明

摘要：探討控制面與用戶面分離的高鐵移動通信系統網絡架構設計，以及相關的頻譜融合和干擾協調問題。認為有別于公眾移動通信系統，高鐵移動通信技術包括兩個重要的技術指標：傳輸性能和可靠性能，目前正是開展高鐵高可靠和大容量移動通信系統研究的最佳時期。相關研究表明，對于未來高鐵移動通信系統的高性能傳輸需求，需要更多地在物理層之上設計有效的解決方案。

關鍵詞：高鐵； 寬帶移動通信；5G； 架構； 頻譜融合； 干擾協調

隨著中國裝備制造業的快速崛起，近年來高鐵發展水平開始舉世矚目。尤其從“十一五”開始，中國已成為世界上一次建成里程最長、運營速度最快的高鐵國家。按照《綜合交通網中長期發展規劃》，到2020年，中國高鐵總規模將達到1.8萬公里，將占世界高鐵總里程的一半以上。高鐵技術正逐漸成為中國走向世界的一個國家品牌。與此同時，另一個引以為傲的國家品牌是移動通信技術。如何保證并持續提升中國高鐵的整體技術實力，并借著移動通信技術向第5代移動通信（5G）演進的契機，使中國高鐵移動通信技術也躍上一個新的臺階，這是我們從國家戰略上必須思考和提前布局的問題。

客觀地說，目前世界范圍內的高鐵移動通信水平與公網移動通信水平相比還有較大的差距，特別是旅客在高鐵上移動互聯網的服務體驗是影響高鐵形象的一個嚴重問題。主要性能指標如帶寬、接通率、掉話率、切換失敗率等在高速移動場景下大大惡化，其主要原因在于高移動性對移動通信帶來了以下問題：

·大多普勒頻移擴展、大時延擴展和角度擴展

·信道快速時變、信道估計和信道預測困難

·隧道、山區、U型槽等環境非常復雜

·高速切換、頻繁切換和群切換等

值得慶幸的是，以提升移動通信服務質量（QoS）為目標的5G關鍵技術的研究已經展開，一些新的技術，如基于云的無線接入網絡和新型協作網絡架構，控制面/用戶面（C/U面）分離的網絡架構，通過毫米波、載波聚合或動態頻譜分配的頻譜融合技術均可能成為潛在的解決上述問題的手段。

此外，對于未來移動通信系統，無論是公用系統還是專用系統，帶寬資源需求與頻譜資源供給之間的矛盾日益擴大，如何在許可證頻譜之外尋求更廣闊的頻譜資源？一個自然而然的思路就是利用認知無線電技術，在現有的非許可證頻譜中尋求支持，合理地利用微波和毫米波頻段的非許可證頻段。

因此，考慮下一代移動通信技術的普適性，同時考慮未來高鐵移動通信的需求和特點，需要開展基于5G關鍵技術的高鐵移動通信系統關鍵技術研究。我們相信，開展上述問題研究符合國家的科技發展戰略和重大需求，也符合通信產業發展的需要，有利于下一代移動通信網絡和高鐵相關的關鍵技術的突破。

1 高鐵寬帶移動通信現狀

及發展動態

1.1 與非許可證頻段融合的移動通信

研究現狀

目前，傳播特性良好的低頻段已十分擁擠，為了滿足未來移動通信系統中用戶的海量帶寬需求，運營商需要向擁有較寬連續頻譜的高頻頻段甚至毫米波頻段擴展。本研究提出聚合利用許可證頻段與非許可證頻段、毫米波頻段的頻譜融合技術。有別于傳統的頻譜聚合技術，這里聚合的成員頻譜數量多、跨度大。因此，我們將其定義為頻譜融合。

近年來，頻譜聚合得到了學術界的高度關注與重視，并取得了一些研究成果。文獻[1]概述了頻譜聚合的發展現狀、關鍵技術、技術挑戰及發展趨勢。文獻[2]從認知理論出發，研究了一種基于用戶帶寬需求的頻譜聚合策略，可以有效避免頻譜碎片的產生，同時減小終端復雜度，但文章中只研究了許可證頻段的頻譜聚合。文獻[3]指出頻譜聚合時需要考慮成員載波的帶寬限制，但其僅分析了相近帶寬聚合，沒有分析載波之間的頻譜距離。從現有研究現狀看，現有研究成果主要還停留在許可證頻段的頻譜聚合，并且聚合的成員頻譜跨度小，頻譜特性差異較小，成員頻譜數量和成員頻譜帶寬種類有限。對于聚合分布在許可證頻段和非許可證頻段的跨度更大、數量更多的成員頻譜，會存在比傳統頻譜聚合技術中的衰耗差異更大、覆蓋更不均勻、上下業務更不對稱及切換頻繁等一系列問題。

1.2 C/U分離的移動通信系統架構

研究現狀

隨著安全列車視頻實時監控、旅客移動互聯網等業務需求的出現，未來高鐵移動通信系統需要支持更大容量的傳輸。在移動網絡的發展初期，高鐵移動通信系統的主要業務形式是數據量較小的語音業務，通過同構網小區分裂技術便可以滿足網絡的容量需求，因此耦合的控制面與用戶面架構并沒有引起太多關注[4]。然而隨著移動用戶的不斷增加及數據業務的興起，小區分裂導致的嚴重小區間干擾及較高的建網成本限制了同構網的發展。在異構網中，覆蓋范圍較小的低功率節點分布在宏基站的覆蓋范圍內，采用小區間干擾協調技術后，這種網絡結構可以帶來更大的傳輸容量[5]。然而，用戶在異構網中移動時會導致頻繁的切換甚至重新接入，這不但影響了用戶體驗，也增加了網絡的信令開銷，這就是耦合的控制面與用戶面架構在異構網中暴露的缺陷。根據文獻[6]，盡管現有的LTE/SAE系統架構已經在核心網中分離了控制面與用戶面，然而在物理傳輸過程中這兩個平面仍然是耦合的。文獻[7-9]初步研究了高鐵移動通信網絡中控制面與用戶面分離的基本架構和切換問題。

1.3 基于頻譜融合的移動通信系統

架構研究現狀

目前關于下一代云無線接入架構的研究都是針對公眾移動通信場景，缺乏基于高鐵移動通信場景的。然而上述問題也同樣存在于高鐵專用移動通信系統中，為了保障行車安全，列車之間存在發車時間間隔，即在某一時刻某一線路上的列車數目很少，這導致高鐵專網基站的利用率很低。此外，對于基站間相互獨立的網絡架構，高速移動意味著頻繁的越區切換，降低了無線傳輸的可靠性，嚴重威脅行車安全。因此，需要充分利用高鐵移動通信系統的特殊性，研究基于該場景的云無線接入架構，并將鐵路沿線的基帶處理單元集中在一起，實現全局控制，這不但可以提高基站利用率、增強頻譜融合靈活性，還可以通過靈活的資源配置實現群小區構造，降低切換流程復雜度，提高列控、列調信息的傳輸可靠性。目前，在這一領域還沒有看到有顯示度的成果。

1.4 高鐵不同頻段融合系統的干擾

協調技術研究現狀

最近，如何有效利用非許可證頻段提高移動系統容量成為業界特別關注的一個問題。在非許可證頻段的使用問題中，最重要的就是要解決占用非許可證頻段的系統與其他使用非許可證頻段系統之間干擾影響的問題。由于非許可證頻段上干擾的發生在空域和頻域上具有隨機性，文獻[10]提出了一種新的空間-頻段上的干擾分析模型，文中假設在任何區域內以及任何頻段上單位面積和單位頻段上的干擾強度λ/Hz/m2服從泊松過程，為非許可證頻段上的干擾分析提供了合理的數學模型。但是文中只涉及到干擾強度的檢測，并沒有分析干擾強度和非許可證頻段接入與退出的關系。文獻[11]使用認知無線電技術對可用非許可證頻段進行感知與檢測，并對系統接收端與發送端的作用進行了分析與研究，但是文獻中提出的非許可證頻段資源感知方法和流程在現有的通信系統中并不適用，需要進一步改進。因為非許可證頻段為非授權特性，當通信系統使用該頻段時，隨時有可能由于被干擾而造成通信中斷。文獻[12-13]通過馬爾科夫鏈定量分析了兩個系統共用一個非許可證頻段時因為相互干擾而造成的通信中斷的概率，但是文中并沒有針對干擾協調提出具體有效的解決方案。文獻[14-15]采用一種新的幀結構，通過周期性地在每一個無線幀內的前幾個子幀進行頻譜感應，隨后在后面的子幀上根據頻譜感應結果進行非許可證頻段上的數據傳輸，避免非許可證頻段上干擾的發生。但是文中的方案只適用于次用戶占用其他系統許可證頻段的場景。

2 高鐵寬帶移動通信研究

方向和思路

2.1非許可證頻段與許可證頻段的

融合

未來移動通信系統將面臨用戶的海量帶寬需求，帶寬是個永恒的問題。高鐵運行線路有一定的特殊性，即很多地段非許可證頻段均空閑，但與傳統認知無線電不同的是，這里合理使用非許可證頻段不存在主從用戶，所以不存在頻譜的避讓問題。因此，從擴大系統頻譜和降低頻譜使用成本考慮，在使用許可證頻段的高鐵公網或高鐵專網移動通信系統中融合非許可證頻段是非常有意義的。但是具有較大頻譜間隔并包含毫米波段的多段頻譜融合利用在理論和技術上還存在許多挑戰。建議相關人員可以分析高頻非許可證頻段在高速移動場景下的信道特性和適用條件，研究解決高頻偏、高衰耗、高頻切換、車體穿透損耗等關鍵技術問題，使融合非許可證頻段與許可證頻段的頻譜能適應高鐵場景，解決未來高鐵無線通信系統中用戶的海量帶寬需求。

對于高鐵場景下非許可證頻段與許可證頻段的融合，其主要問題是非許可證頻段與許可證頻段不連續，及各段頻譜存在信道特性不一、傳播損耗差異大、容量不等、多普勒頻移相差很大等問題，要在這些譜段上傳輸一個完整的信息流，需要解決如何將信息流在有一定頻率間隔的頻段上進行高效的調度分發以及如何將從各個頻段上接收到的信息流進行可靠匯聚，從而達到連續譜傳輸的效果。由于融合頻段的總頻譜寬度和跨度較大，建議相關人員可以對各譜段在物理層進行獨立的編碼調制，并在鏈路層進行信息流的高效調度和可靠匯聚。具體建議包括：

（1）針對高鐵場景非許可證頻段與許可證頻段融合信道的估計進行研究，即根據高鐵場景下位置和速度可先驗獲取等特點，估計不同頻段在給定位置的信道特征、多普勒頻偏、本地頻譜政策、頻譜利用狀態等。

（2）針對非許可證頻段與許可證頻段信道特性的差異，設計速率適配機制。對于非許可證頻段與許可證頻段的跨頻段融合，如果各成員頻譜分配相同的功率，由于高頻成員頻譜的信道衰減大于低頻成員頻譜，高頻成員頻譜的覆蓋范圍則會小于低頻的，以至于小區不同位置的用戶可以調度的成員頻譜數目不同。因此，需要在融合環境下，研究適當的功率適配機制，使得融合后的各成員頻譜具有近似的覆蓋范圍。

（3）針對需融合的頻段寬度和跨度較大的情況，設計高效可靠的調度和匯聚策略，即研究如何將信息流在有一定頻率間隔的頻段上進行高效的調度分發以及如何將從各個頻段上接收到的信息流進行可靠的匯聚，從而達到連續譜傳輸的效果。

（4）研究高鐵場景非許可證頻段與許可證頻段融合的自適應控制機制。即針對非許可證頻段與許可證頻段的跨頻段融合具有傳輸特性和成員頻譜可用狀態動態變化的特點，設計合理的自適應控制機制，適應各成員譜段的動態特性，并進行自適應調度及功率和速率適配，從而充分利用可能的分集增益來提高各成員頻譜融合傳輸的容量和可靠性。

2.2 C/U面分離的高鐵移動通信系統

架構

考慮到在異構網日趨密集化的現狀下，耦合的控制面與用戶面架構已暴露出的問題，未來高鐵5G系統在提高網絡傳輸容量進行不同頻段融合時，應考慮將重要的控制面甚至列控與列調用戶面信息與傳統意義上的用戶面信息解耦設計，合理利用GSM-R系統中的現有帶寬，均衡不同頻段的差異，對系統頻段彈性設計。為此，必須研究高鐵移動場景下基于分離的控制面與用戶面架構。具體研究包括：

（1）控制面與用戶面解耦架構的研究，即基于現有在功能上控制面與用戶面已分離的LTE/SAE架構，再進一步研究如何在物理傳輸上徹底分離控制面與用戶面。

（2）基于解耦架構的頻譜融合研究，即通過解耦的控制面與用戶面架構將擁有較寬連續頻譜的高頻頻段與GSM-R遺留的、擁有良好傳輸特性的低頻頻段融合。由于控制面信息甚至列控、列調用戶面信息對傳輸可靠性要求較高，可以由擁有良好傳輸特性的宏小區有限低頻頻帶來承載；旅客業務的用戶面對傳輸容量需求較高，可以由擁有較寬連續頻譜的小小區高頻頻段承載，即將控制面與用戶面根據各自的需求放置在擁有不同特性的頻段傳輸，并在頻域上分離兩個平面，均衡不同頻段的差異。

（3）解耦架構對信息傳輸可靠性影響的研究。在解耦架構中，列控、列調信息及旅客業務的控制面信息仍由原有的、傳輸特性良好的低頻頻段承載，因此保持著原有的傳輸可靠性。但由于旅客業務的用戶面數據被轉移到了高頻頻段，需要聯合考慮旅客業務的控制面及用戶面的頻譜傳輸特性來分析解耦架構對旅客業務傳輸可靠性的影響。

（4）新型幀結構的設計，即研究解耦架構下的信道映射及物理幀結構。在解耦架構中，由于控制面與用戶面在物理上就被分離到了不同的小區基站，因此兩個平面在信道映射過程中是完全分離的，在無線傳輸過程中兩個平面也將占用幀結構的不同資源位置。

2.3與現有LTE/LTE-A系統兼容

對比公眾移動通信場景，高鐵移動通信系統存在很多特殊性，這給5G無線通信技術如云無線接入架構的實施和應用帶來一些優勢。基于此，我們需要研究基于頻譜融合的與現有LTE/LTE-A系統兼容的網絡架構，具體包括：

（1）高鐵場景下云無線接入架構的研究。通過將全部鐵路沿線基站的基帶處理單元（BBU）集中到統一的BBU池，實現對資源的全局控制和分配，這樣不但可以提高處理資源的利用率、增強頻譜融合的靈活性，還可以簡化遠端射頻單元（RRU）的結構和功能，降低網絡升級及演進成本。此外，我們可以考慮在回傳網段采用技術日漸成熟的毫米波實現頻譜融合，節約光纖，增強布網靈活性。

（2）基于云接入架構的群小區構造方法研究。云無線接入架構集中了全部的處理資源，可以實現靈活的資源配置，當列車需要從服務RRU切換到目標RRU時，通過將目標RRU的處理資源配置到當前服務RRU的BBU中，即將兩個RRU構造為一個群小區，就可以避免復雜的切換流程，降低切換耗時，提高列控信息的無線傳輸可靠性。

（3）切換信令及流程的設計，基于（1）和（2）研究云無線接入網絡架構下的群小區構造方法，并設計相應的切換信令流程。

2.4多頻段干擾協調

我們需要研究評估公網系統和高鐵專網系統在占用非許可證頻段之后對現有非許可證頻段的系統的干擾影響，以及非許可證頻段的公網系統和高鐵專網系統的干擾影響，還需要研究非許可證頻段感知方法、適用條件、退出機制等等，以及在使用兩類不同頻段時的干擾協調方法。

由于非許可證頻段為無需授權的公共頻段，所以接入非許可證頻段后的高鐵專網系統與其他使用該非許可證頻段系統之間存在干擾問題，這直接會影響在非許可證頻段上進行通信傳輸的可靠性。干擾協調方案主要包括3個方面：接入及退出機制、可用非許可證頻段資源感知方法，以及非許可證頻段資源分配方案。這三者之間相輔相成，缺一不可。只有制訂了合理的非許可證頻段接入及退出機制，才能保證接入可用非許可證頻段進行通信時不會受到其他系統的干擾，同時在已接入的非許可證頻段上受到其他系統的強干擾時，及時退出該頻段以保證通信的可靠性；只有采用更加有效的可用非許可證頻段資源感知方法，才能使下一代高鐵移動通信系統正確地感應到可用的非許可證頻段；相應地，設計更加合理的非許可證頻段資源分配方案，才能使有限的非許可證頻段得到高效的使用，為系統帶來更高的吞吐率。具體包括：

（1）接入及退出機制。通過頻譜感應技術對非許可證頻段上信道進行干擾強度檢測，假設信道是系統進行頻譜分配的最小單位（如在長期演進系統中，信道為子載波間隔，寬度為15 kHz）。接入及退出機制的制訂中需要設定合理的干擾門限，干擾門限是在保證該信道通信質量的條件下所能容忍的最大的干擾能量限度。若檢測到還未接入的非許可證頻段信道上干擾強度小于干擾門限，則該信道為可接入信道；若檢測到已接入的非許可證頻段信道上干擾強度高于干擾門限，則該信道已不能進行有效通信，系統應退出該信道。

（2）可用非許可證頻段資源感知方法。在實際的通信系統中，頻譜感知只能在接收端進行，接收端通過頻譜感應檢測到可接入非許可證頻段資源，并反饋給發送端。發送端根據接收端的反饋指示，在相應的非許可證頻段信道上進行信息的發送。具體過程如圖1所示。

在接收端，系統通過頻譜感知檢測非許可證頻段信道上的干擾強度。并根據自身的接入及退出機制，將不同非許可證頻段信道上的干擾強度與干擾門限相對比，選擇出可利用的非許可證頻段信道。隨后，通過反饋信道將可利用的非許可證頻段信道發送給發送端，同時需要將各個可利用非許可證信道的干擾強度發送給發送端，作為發送端進行非許可證頻段資源管理與分配的指標依據。發送端接收到接收端發送的反饋信息后，通過自身的非許可證頻段資源分配方案選擇非許可證信道對接收端進行數據發送。由于非許可證頻段上干擾的發生在時域以及頻域上都具有隨機性，所以系統需要周期性地對非許可證頻段上的無線環境進行感應以及評估。但是在實際通信中，上行的接收端為基站，發送端為移動臺；而下行的接收端為移動臺，發送端為基站。由于手持移動臺功能上的限制，上行和下行可用非許可證頻段資源感知的過程不同。

（3）非許可證頻段資源分配方案。小區內不同位置的移動臺會受到不同頻段、不同強度的干擾，所以不同位置上的移動臺頻譜感應到可利用非許可證頻段也會不同。一個移動臺可能會感應到一個或多個可用非許可證頻段信道。當擁有多個可用非許可證頻段信道時，其中部分非許可證頻段信道對于其他移動臺一樣可用，在這種情況下，基站只有合理地分配和管理這些非許可證頻段的信道，才能有效提升系統容量。

3結束語

文章探討了高鐵5G系統研究中的前瞻問題，特別從架構及相關的頻譜融合和干擾協調等方面探討了其中涉及的關鍵技術問題及解決思路。對于未來高鐵移動通信系統干擾消除和提升系統可靠性，如果采用控制面與用戶面分離的架構，再輔之于物理層上的多點協作傳輸等技術，應該比單純在物理層上抗干擾處理更加有效。以上研究思路和經驗可以為相關領域的研究人員提供參考。

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