高速鐵路移動通信系統技術與發展

李治國

摘 要：列車的通信系統可以說對于旅客來說是有一定改善需求的領域，由于信息化的加強使得信息產品的使用在生活中越來越密不可分，因而移動通信需求可以說成為了一個比較迫切需要解決的問題。而就實際情況來說，高速鐵路自身的控制系統實際上也需要對于通信技術有更高的要求，雖然二者并非同類，但是技術本源卻是一致的。因而實際上可以說移動通信技術的發展，無論對于客戶需求或者是自身的強化來說，都是有價值的。

關鍵詞：高速鐵路；移動通信系統技術；列車通信系統

移動通信技術的發展在現階段可以說相當的完善了，基本上移動通信工具已經到了人人都有的情況了。而高速鐵路在運行過程中，由于本身的速度極快，這樣的情況就會對于無線電信號產生一定的延遲和干擾。這不僅對于旅客的移動通信使用造成了一定的困擾，對于列車本身來說，同樣是如此。因此高速鐵路移動通信技術的改善已經勢在必行，并以此來推動和提高高鐵本身的運行質量。

1 高速鐵路通信系統技術簡介

1.1 高速鐵路移動通信系統技術的概念

高速鐵路的發展本身是非常迅速的，一般來說其含義也正如名字所說的那樣，是指時速超過一般列車速度比較多，而且通過專線運行的鐵路運營方式。現階段的高速鐵路運行速度一般都在200km/h以上。

而列車的移動信息通信系統，則是以高速鐵路列車作為核心載體，通過無線設置和有線的接入，從而形成一個有效的接收和發送的網絡。可以說通過計算機系統的控制，進行數據接收儲存傳輸，然后有效地控制一個系統工程。移動通信信息系統本身是可以作用于列車控制，也能夠作用于旅客服務的。因而就實際應用來說，是可以對于整個高速鐵路列車系統而起作用的，也是通信系統所需要改善和加強的重要部分。

1.2 高速鐵路移動通信系統技術的發展背景

就發展背景來說現階段的鐵路系統本身就是朝著高速化的方向來發展的，通過對于列車技術的改善以及鐵路配置的強化，再加上能源效能的加強，可以說快速化的發展就成為了必然的趨勢，對于鐵路系統的提速而言，經過若干年的試驗之后，必然的會出于對于流量速度的要求而進行提速，從而在技術和需求方面給予高速鐵路發展的空間和基礎。

而高速鐵路的移動通信系統技術的出現，則是信息技術運用到高速鐵路上面的重要突破，對于高速鐵路的列車運行來說，本身的需求就有通信方面的聯系需要，而且對控制方面的需求可以說是比較多的。而另一方面來說由于移動通信工具的普及，因而在高速鐵路列車方面的使用也成為了經常的事例。然而高速環境下對于這方面的干擾是有一定的程度的，因而并不能夠非常順暢地進行利用，從而也給工作人員和旅客帶來了些許的不便。需要承認如果列車的運行速度超過了300千米每小時，那么移動設備運行在正常狀況下會受到很大的影響，對于使用效果來說不可不謂破壞性，因而就改善的需求來說，從各個方面都是面對列車提速所必須解決的問題。

1.3 高速鐵路移動通信系統技術的意義

從我國高速鐵路運行的現狀來看，移動通信系統的問題可以說已經制約到了高速鐵路繼續提速的步伐，而且就現階段的運行來說，可以認為已經出現了一些困擾的因素，只是因為還在能夠接受的范圍之內才沒有什么異議出現。無論是出于繼續發展的需要，還是出于改善管理的目的，在移動通信技術方面都有需要進行加強的地方的。

此外，從另一個角度來看，鐵路行業本身就是服務業的一種，因而服務質量的加強本身也是其改善管理的一個重要方式。高速鐵路本身的發展，也可以說必然面臨著改善服務的強烈需求，因而高鐵移動通信系統建設本身就要求能夠對于客戶需求進一步滿足并且加強自身的服務體系建設，從而對于業務有著更加完善的反映。

2 我國高速鐵路移動通信技術的現狀

高速鐵路的發展已經成為我國現階段經濟發展的一個帶頭因素，某種程度上已經普及了我國中東部的大部分地區，并且通過高速鐵路的帶動，使得相關服務業的發展也有了一定的進步。而高速鐵路通信技術服務也日益成為高鐵服務的一個重要部分，通過對于通信需求的滿足，以及高鐵本身的信息調控能力的提高，還能夠對于旅客的需求進一步的滿足和完善。而且，由于移動技術的發展和普及，列車的移動通信系統技術也需要隨著高速鐵路本身的發展而進一步進步，從而避免被限制的困境。

現階段我國使用的主要的移動通信系統技術是GSM-R系統，即為鐵路系統專用數字移動通信系統，主要功能包括無線列調，以及無線通信和隧道通信等功能。應當說相對之前的列車通信系統而言，該系統實現了更進一步的升級，對于尋址的定位功能進一步的強化，也可以通過主從同步方式從附近的相關設備中獲取電信號，并且通過無線轉換設備進行信號的轉換和協調，從而能夠實現對接功能。從這個角度來說，也可以認為這也是對于通信技術的運用和發展，保證了本身的服務質量的程度。

3 高速鐵路移動通信技術的構成因素

從需求來說，高速鐵路移動通信技術首要需求就是信息管理方面的，無論是環境狀況或者是自身狀況，都是對通信有一定要求的。同時，對于旅客信息的檢測也自然更加依賴迅捷的信息技術的幫助，因而實際上這也是移動通信系統技術所能夠做到的。從儲存和調度的準確性和快捷性來說，必然的對于移動通信技術有其需求。

其次，列車控制也是對信息和聯通有著很高的需求，就現階段來說由于高速鐵路實際上進一步強化了指揮的要求，而移動通信技術本身也能夠方便對于整個列車的統籌控制，有利于及時地進行管控，來提高列車運行的效率。

另一方面，列車通信的需要也對于移動通信技術的發展是有一定的需求的，由于現階段的移動設備的普及程度很高，因而能夠在相應的地方使用也就成為了一種使用的需要。而且列車在運行中本身就有進行通信的必要性，無論是站內通信的快捷，或者是在通信系統故障的情況下需要臨時應急處理，都是離不開的。因而從任何一個方面來說，實際上都是如此。

最后，在基礎設施方面，整個高速鐵路移動通信系統是需要從來源、轉換以及接收方面同時做好，從而形成一個完善的系統來完成配合工作。并且通過無線系統的引導對整個列車的各方面需求進行滿足。

4 高速鐵路無線通信覆蓋理論研究

本文將詳細對高速鐵路覆蓋理論中存在的種種問題進行研究，主要從車體損耗、多普勒效應、小區切換等方面進行了闡述，為高速鐵路的移動通信覆蓋規劃提出了問題，也初步做出了一些理論性的解決方案，并對實際覆蓋中某些方面指出方向，其中很多地方也為實際勘測指明了重點，是高速鐵路移動通信覆蓋研究不可或缺的內容。

4.1 高鐵通信網絡面臨的挑戰

高速鐵路通信網絡面臨的挑戰也是巨大的，主要集中在這幾個方面：

①車廂損耗大，主要是傳輸損耗大，以CRH1型車廂為例，靜態時損耗25db，高速運行時就更高了。

②車速快，對切換和重選非常不利。目前國內高鐵時速最快能達300km/h以上，多普勒效應非常明顯。

③高速鐵路通信對SNR要求高，還有很多乘客網上看視頻、下載等業務同時進行，這種業務集中度高。

④鐵路的地形地貌復雜多樣性。

在這些挑戰下，針對多普勒頻偏，必須加入糾偏算法，對頻偏糾正和補償，來提高解調的性能。

4.2 多普勒效應的影響

什么是多普勒效應？當終端在高速運動中通信情況下，終端和基站都有直視信號，接收端的信號頻率會發生變化，稱為多普勒效應。

事實上個人認為多普勒效應可以看成是頻域上的多徑效應，多徑效應是“時延”，而多普勒效應是“頻延”，由此可以得到多徑和多普勒相結合的信號的一個核心的式子：

H（ω，t）=ane

在多普勒的情況下，造成頻延不同的原因其實也是信號多徑傳輸，不同路徑到達時的角度不同，因此相對速度就不同。

高鐵覆蓋中的多普勒頻移也可以用以下公式來表示：FR=FT×（1±v/c），其中FR是收信機接收頻率，FT是發信機發射頻率，V是移動臺移動速度，C為電波傳播速度。值得注意的是，多普勒頻移引起上行信道的偏移量是下行信道偏移量的兩倍。以GSM900MHz和GSM1800MHz為例，在表1中可以看出不同車速下的最大頻移。

表1 最大頻移

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][列車行駛速度（km/h）

150

200

250

300

350

400][下行信道

125

167

208

250

292

333][上行信道

250

333

417

500

583

667][下行信道

250

333

417

500

583

667][上行信道

500

667

833

1000

1167

1333][900MHz最大頻移（Hz）][1800MHz最大頻移（Hz）]

總之，隨著車速的不斷提高，多普勒頻移的影響也越來越明顯，在高鐵覆蓋中首先考慮的是多普勒頻移效應。在仿真環境中，瑞麗衰落時的多普勒效應對信道影響很大很明顯，在直視范圍內的萊斯衰落環境下的多普勒效應對無線信道的影響大大減少，所以，盡量保證發射天線和列車經過的鐵路沿線保持在直視范圍內。天線方位角的規劃，最好在相鄰站點間的2/3的距離來規劃，保證高鐵覆蓋強度和站間重疊覆蓋距離。然后切換時延，就X2口來說，控制面平均時延大概0.06s，用戶面UL/DL0.057s。車速250km/h時，切換區域在69m；車速300km/h時，切換區域在83m。

4.3 單站覆蓋距離

Okumura/Hata模型是應用較為廣泛的覆蓋預測模型，它是以準平滑地形的市區作基準，其余各區的影響均以校正因子的形式出現。Okumura/Hata模型市區的基本傳輸損耗模式為：

Lb=69.55+26.16lgf-13.82loghb-α（hm）+（44.9-6.55lghb）lgd

其中：Lb為市區準平滑地形電波傳播損耗中值（dB）；f為工作頻率（MHz）；hb為基站天線有效高度（m）；hm為移動臺天線有效高度（m）；d為移動臺與基站之間的距離（km）；α（hm）為移動臺天線高度校正因子；s（a）為建筑物密度因子。

由此式就可以計算出天線高度和覆蓋距離的相關數據。

4.4 相鄰基站重疊覆蓋問題

由于高鐵多以同頻組網方式，來提高頻譜效率，但同頻組網存在著小區間的同頻干擾問題。現實中我們通常是通過管理無線資源使小區間干擾得到控制，也就是小區中資源和負載的情況來進行的多小區無線資源商量著來解決的，就是我們常常所說的ICIC（inter cell interference cacellation）。

從資源協商來講，頻率服用分為軟頻率復用（SFR，soft frequency reuse）、部分頻率復用（FFR， fractional frequency reuse）和全頻率復用（Full frequency reuse）三類。

軟頻率復用，是把所有的頻段分成2組子載波，一組是主子載波，一組是輔子載波，主子載波可以在小區的任何地方使用，權利大的很，輔子載波只能在小區中心被使用，不同小區間的主子載波相互正交，在小區邊緣有效地抑制了干擾。部分頻率復用是把所有的頻率分成4個組，對于小區中心的用戶，給他頻率復用因子1，固定分配到1組頻段。對于小于邊緣的用戶，就只能用剩余的3組頻率了，復用因子是3，保證和其相鄰的小區邊緣用戶的頻段相互正交，互不干擾。全頻率復用就是所有的頻點可放在小區的任何位置使用。

總的來看，三種頻率復用，其實FFR和SFR可以算作一邊，全頻率復用算另一邊。FFR和SFR是使用聯系多個RB來組成子頻帶，全頻率復用是使用單個RB，這是很大的區別！第二個區別是在小區中心資源和邊緣資源的不同，換句話說就是使用的復用系數不同，全頻率復用由于無小區中心和邊緣區域資源劃分；也就是說，在頻率劃分上，FFR和SFR的不同小區邊緣用戶使用相互正交的子載波，而全頻率復用在不同小區用戶使用相互正交的RB，或者干脆就結合功控來使用同一RB。

4.5 天線選擇

由于鐵路屬于狹長地形場景覆蓋，并且專網小區基站根據實際地理條件與鐵路沿線可能有一定距離，因此根據實際情況需要選擇不同的天線。

以鐵路專網基站與鐵路沿線的垂直距離S作為參考來選擇天線，說明如下：

①當垂直距離S小于100m時，優先采用32°窄波束天線（如ODP-032R18dB），并且每個小區使用兩副天線對鐵路實施覆蓋，這樣還可以避免越區覆蓋，見圖1。此外為了保證一定的覆蓋距離（暫定為1000m），在基站中心兩側總長度L為240m的范圍內將主要通過天線的副瓣進行主力覆蓋。

圖1 天線覆蓋方式示意

②當垂直距離在100～300m范圍內時，可采用65°波束天線（如ODP-065R15dB）。覆蓋方式同上，但整個覆蓋范圍內基本上依靠天線主瓣對鐵路沿線進行主力覆蓋。

③當垂直距離大于300m時，建議重新進行站址規劃。

此外，對于波瓣過窄，導致出現天線零點的地方信號深度衰落，需要采用零點填充的特型天線或者在兩小區正中間增加一面天線，天線增益優先選取為18dBi。

5 高速鐵路移動通信新技術

由于鐵路通信網絡基站一般是平均分布的，而列車的運行又不是非常頻繁，因此在利用率方面存在一定的浪費狀況。針對這樣的情況，采用分布式網絡云結構在一定程度上是可以緩解這些問題的，通過集中的儲存和收集，并且在需要的時候進行分配使用，可以在基帶資源的使用率方面做出一定的改善。

近年，全球掀起了一輪云數據中心建設的浪潮，云計算技術幫助傳統數據中心進行業務遷移、在單數據中心內實現資源調度和彈性擴容，一定程度解決了單個數據中心IT資源利用率不足、業務部署周期長、管理效率低下的問題。

分布式云系統就可以將分散、分層、異構的單一數據中心架構改造為全扁平式、點到點互聯、統一資源管理的分布式云數據中心架構，可以實現多個不同地域、不同階段、不同規模數據中心上百萬臺服務器資源的邏輯集中管理調度、統一呈現、統一運營，在保護原有投資的前提下更高效的提升整體數據中心資源利用率和管理效率，敏捷響應企業對IT的核心需求。

可見分布式網絡云架構可以有效地優化使用效率，提高利用率。

6 結語

總體來看現階段的鐵路移動通信系統技術在世界層面的發展已經有一段時間了，不斷地在向成熟化進步。同時，隨著云計算技術的快速發展和應用，高速鐵路移動通信技術也有一些新的變化和發展，這方面也需要盡可能的保持跟進的趨勢，從而使得高鐵移動通信技術不會受到短板的約束和限制。

參考文獻：

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