高速鐵路移動通信系統關鍵技術的演進與發展

方旭明 崔亞平 閆 莉 宋 昊

1 引言

1.1 國外高速鐵路移動通信技術現狀

國外先進的高速輪軌交通系統，很多都正在或將要發展高速列車無線通信系統，在提供列車控制列車調度業務承載以外，還向旅客提供必要的通信和互聯網接入服務。除GSM-R（Global System for Mobile communications for Railway）之外，比較有代表性的高速鐵路移動通信系統分別有德國 ICE（Inter City Express）和德律風根、法國 TGV（Train a Grande Vitesse）和 Thalys以及日本新干線（Shinkansen）上所采用的相應技術。

安德魯（Andrew）公司為德國 ICE 城際快車提供了一種獨特的無線接入解決方案，其中的核心技術就是車載直放站。車載直放站可以放大從附近網絡接收到的信號，降低信號由于列車金屬外殼造成的衰減，提高無線接入的質量。德國德律風根專用無線通信系統使用私有協議技術，目前沒有太多關于該技術的細節。法國 TGV衛星接入方案采用了一種基于雙向衛星系統的無線接入技術：車載接入由衛星和覆蓋了隧道及車站的地面 WiFi中繼器共同實現，當衛星不能覆蓋到列車時，WiFi網絡將接管無線接入，使上傳和下載數據不至中斷。日本新干線早期的 WiFi泄漏電纜方案和最近的 WiMax（Worldwide interoperability for Microwave access）泄漏電纜方案在無線接入中廣泛應用了同軸泄漏電纜技術，把同軸泄漏電纜安裝在軌道沿線上，WiFi系統為列車旅客信息系統（Passenger Information System, PIS）提供傳輸通道，WiMax系統則為旅客互聯網接入提供傳輸通道[1,2]。

主流的 GSM-R由歐洲國家發起，最初部署于德國、意大利、荷蘭、挪威、瑞典等國，現主要部署于歐洲各國以及亞洲的中國和印度。

1.2 中國高速鐵路移動通信技術現狀

大陸 GSM-R建設初期最具代表性的是青藏線（高原）、大秦線（重載）、膠濟線，之后又建立武廣、鄭西、京滬、滬寧、滬杭、哈大等客運專線，北同蒲線、云崗支線、遷曹線等重載線路。大陸鐵路LTE-R（Long Term Evolution for Railway）系統主要應用于朔黃重載鐵路，即用于承載列車機車同步操控數據等列車控制業務傳輸。

臺灣臺北到高雄的高速鐵路選擇 WiMax系統建立旅客車地蜂窩無線通信網絡，但考慮到該標準越來越非主流，產業鏈正在消失，臺灣有關部門目前正在考慮用LTE系統取代WiMax系統。現在看來，或許選擇基于 WiMax系統的高速鐵路移動通信方案是一次有益的嘗試，也可能是一次可吸取的教訓 非主流技術具有較大的建設風險。

表1是各國或地區高速鐵路移動通信系統詳細對比情況。

2 GSM-R技術的近期演進路線

2.1 GSM-R技術的成熟度及歷史使命

毋庸置疑，GSM-R有其不可否認的、劃時代的意義和作用，通過將成熟的、長期商用的、且標準化的 GSM 技術引入鐵路系統，提高了鐵路運營管理效率，并節省了建設、運營成本[3]。其對漫游的支持（如切換功能）可以對列車在整個運行過程中進行自動控制，使鐵路系統使用統一的語音、數據傳輸平臺成為可能。

但 GSM-R畢竟是基于上世紀八九十年代的技術，時至今日，無線通信已取得革命性的進展和突破，GSM-R的各種缺點及瓶頸不可避免地暴露出來，其窄帶特性只能滿足現有低數據速率的列車控制列車調度業務需求，所分配的4 MHz帶寬更使這一情況惡化[4]。且GSM-R無法承載高速鐵路未來智能化調度、視頻監控和運營管理等高數據速率業務以及旅客寬帶接入服務的需求。所面臨的來自運營商公網干擾等問題也阻礙了 GSM-R的應用。值得一提的是，與之相符的GSM/GPRS技術目前已漸漸淡出公眾移動通信市場。

為此，國際鐵聯（International Union of Railways, 或Union Internationale des Chemins de fer, UIC）根據GSM-R技術的生命周期，開始考慮和部署GSM-R未來5～10年的演進戰略。GSM-R廠商也可能在2025年左右停止對GSM-R設備的升級與維護，屆時設備供應鏈將中斷。此外，根據通信設備15年大修周期，現有在用的GSM-R設備到2024年前后將面臨演進或換代問題。

2.2 GSM-R技術近期演進關鍵技術

除列車控制列車調度業務外，高速鐵路未來業務將以智能化調度、視頻監控和運營管理等高數據速率業務以及旅客寬帶接入服務為主[5]，若信息安全問題得以有效解決，高速鐵路移動通信系統終將接納旅客寬帶業務，結束列車控制列車調度業務與旅客寬帶接入業務物理上獨立傳輸的局面。以中國高速鐵路CRH3型動車為例，保守估計，在16節編組時，整列車旅客定員數為1114人，若每位旅客吞吐率為600 kpbs（上下行1:5），移動用戶滲透率70%，LTE終端滲透率80%，激活比例70%，使用業務比例10%，則整列車旅客總吞吐率為（600×70%×10%）×（1114×70%×80%）=26.2 Mbps，這就意味著僅從上述旅客寬帶接入業務需求上就可以看出現有的高速鐵路移動通信技術已無法支撐高速鐵路移動通信業務發展的需要。因此，必須要進行技術演進。面對鐵路業務和技術發展的趨勢，科技部、鐵路總公司（原鐵道部）、華為和中興等政府部門和企業均立項支持開展了GSM-R演進問題的前期研究工作，目前業界已達成共識，認為鐵路下一代無線通信的演進將選擇LTE。為此，我們需要按照近期2025年、遠期2035年的規劃，來規劃鐵路下一代無線通信。

表1 各國或地區高速鐵路移動通信系統主要性能對比

一般認為，GSM-R技術近期演進路線分為兩個階段進行。初期GSM-R與LTE-R系統并存，前者負責列車控制等安全相關業務傳輸，后者負責視頻監控等非安全業務及旅客寬帶接入服務等數據傳輸。后期將更多的業務由LTE-R網絡承載，并最終全部切換至LTE-R網絡。

在GSM-R演進至LTE-R過程中，我們認為有以下關鍵技術問題需要深入研究：

（1）高速鐵路無線傳播信道建模。對無線信道進行準確認知是通信系統設計的基礎[6]，高速鐵路運行線路經過城市、郊區、農村、山區等地域，其間經過高架橋、開闊平原、U型槽、隧道等地形地貌[7]，并且高速鐵路無線傳播信道具有明顯的多普勒頻移與擴展以及快時變特性[8]。國內外學者在研究適合高速移動的信道建模方法和建立各種地形地貌的信道模型方面做了很多的工作和嘗試[912]-，如文獻[13]分析了900 MHz頻段電波在山區長直隧道、隧道群和彎曲隧道中的場強測試數據，并參考經驗公式，得出900 MHz頻段電波在不同類型隧道中傳播特性參數。但研究的頻段主要是目前2G和3G系統使用的頻段，地形地貌主要限于高架橋和U型槽，移動臺主要是車內的測試設備，結果具有一定的局限性，因此，需要針對LTE頻段、各種地形地貌和更具典型性的移動終端設備或車載中繼設備進行研究。

（2）信道估計與建模、多普勒頻移估計與補償。無線信道的傳播特性通常由大尺度衰落、陰影衰落、多徑時延擴展及多普勒頻移擴展等多個參數刻畫。這些參數主要與周圍的傳播環境及移動臺的移動速度有關。高速列車行駛里程長，行駛過程中會經歷城市、郊區、隧道、森林等多種環境，在不同的環境下其無線信道的傳播特性表現不同。高速鐵路無線傳播信道的快速變化和多普勒頻移往往使得信道參數的估計與真實值之間相差甚遠。對LTE MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統而言，良好的信道、多普勒頻移估計是獲得空間分集和復用分集的重要前提。對快時變信道，主要使用基擴展模型（Basis Expansion Model, BEM）進行建模[13]，并主要使用非盲估計（基于導頻）[14]的方法進行信道估計。因此，需要針對高速鐵路特殊環境，研究相關信道估計問題，特別是研究移動性先驗信息在信道估計中的可利用性。

（3）信道狀態信息（Channel State Information,CSI）反饋技術。通常，MIMO系統中，容量提升、預編碼、天線選擇、用戶選擇以及功率控制等均依賴于終端反饋的 CSI。在高鐵場景中，信道的快時變特性使得信道反饋誤差和延遲所造成的影響更為嚴重。現有有限反饋機制主要基于預編碼矩陣和隨機波束賦形等[15,16]。因此，需要研究高速鐵路場景中的CSI反饋或有限反饋機制[17]，降低反饋比特、消除或減小反饋延遲帶來的影響。

（4）移動性管理。移動性管理包括空閑狀態下的位置更新和連接狀態下的切換[18]。高速鐵路場景中，研究主要集中在切換方面，有關研究問題和建議參見3.1節。

（5）干擾抑制和抗干擾技術。高速鐵路移動通信系統既面臨信道快時變所導致的子載波間干擾（Inter-Carrier Interference, ICI）[19]，又面臨與運營商所部署網絡的網間干擾[20]。對于ICI，現有研究主要集中于編碼自消除、均衡與迭代判決反饋消除、快時變信道估計等方面。對網間干擾問題，現有研究極少，有必要開展相關研究。

（6）多天線和智能天線技術。為了滿足鐵路高數據速率業務和旅客寬帶接入服務需求，高速鐵路移動通信系統需要像公眾移動通信系統一樣使用多天線和智能天線技術。目前，在高速鐵路場景中，對多天線和智能天線技術的研究和應用獲得了一定進展[2125]-，但仍需深入研究高速鐵路環境下克服信道估計誤差、CSI反饋延遲、提升多天線和智能天線性能的方法。

（7）端到端 QoS（Quality of Service）保證機制。高速鐵路移動通信系統所承載的列車控制列車調度業務與鐵路運輸安全息息相關。在GSM-R系統中，使用電路交換進行承載，列車控制業務獨占信道，可以保證永久在線[26]。但典型LTE系統僅支持分組域，無法像 GSM-R系統一樣為列車控制列車調度業務提供電路域交換方式。因此，需要研究LTE系統在用于保障安全相關業務時的端到端QoS保證機制。在此之前，需要對鐵路業務在分組交換傳輸方式下的需求進行重新定義[27]。

3 高速鐵路移動通信技術未來演進路線

基于前瞻性基礎研究的需求，我們在開展LTE-R關鍵技術研究甚至實施產業化建設的同時，必須開始布局 LTE-R之后未來高速鐵路移動通信關鍵技術的研究，或基于 5G技術的高速鐵路移動通信關鍵技術的研究。我們認為，除基于公眾移動通信的共性技術外，由于高速鐵路系統本身的特殊性，有以下一些特殊問題和潛在技術需要研究：

3.1 基于5G的鐵路移動通信關鍵技術

3.1.1 基于5G的高速鐵路無線信道建模 高速鐵路運行環境通常散射環境簡單，多徑數量較少，LOS特性明顯。圖1（其中原點對應基站；整個過程被分為5個區域，分別為RA（Remote Area）, TA（Toward Area）, CA（Close Area）, CEA（Closer Area）及AA（Arrival Area））和文獻[28-31]表明，高速鐵路環境信道的多徑數量與列車的位置有關，在距離基站較近的AA區與較遠的RA區，多徑數量較少，其他如TA, CA與CEA區域的多徑數量相對較多。不過，相比公網，該場景仍然屬于多徑數量較少的場景。顯著的LOS特性意味著更小的多徑時延擴展或者更寬的相干帶寬，也就意味著更優的通信環境。盡管快速移動會導致更大的多普勒頻移，顯著的LOS特性還可以緩解多普勒擴展問題，更易于多普勒頻移的跟蹤與補償。然而，信道的LOS特性對于一些技術的實現也存在負面影響，如MIMO技術，其依靠豐富的多徑環境，需要利用信道非相干來實現空間資源的復用。而 LOS場景無法滿足上述要求，因此，需要依靠其他技術來克服信道的非相干性，獲得良好的MIMO增益。隨著5G移動通信系統向毫米波頻段的擴展，高速鐵路環境的信道多徑數量將更加稀少，LOS特性將更加明顯，因此，面對這樣的新問題，就需要深入分析和研究與該頻段相適應的新的信道特性，特別是大規模MIMO情況下的天線陣設計問題、波束賦形問題等，針對這些特性，研究高速鐵路環境下的自適應技術。

3.1.2 基于分布式網絡和云的架構目前網絡中基站的實際資源使用效率很低，存在“潮汐效應”，即資源的使用情況與基站的位置及時間段有關。在高速鐵路場景中，“潮汐效應”更加明顯。為了保障運輸安全，列車間存在發車時間間隔，同一路線上同一時刻運行的列車數很少，線路上大部分的基站都處于空閑狀態，導致大量的資源浪費。

圖1 高速鐵路場景下的多徑數量[28]

云無線接入網絡架構的提出很好地解決了這一問題，具體見圖2[32]。其主要思想是將基站間共有的、可以通用的基帶處理資源集中到一個基帶處理池中，對這些資源實行集中控制。這樣，用戶的基帶處理不再由某些固定的資源來完成，而是基帶處理池根據當前的資源使用情況靈活地為用戶分配處理資源，提高了資源的使用靈活性及效率。

圖2 云無線接入網絡架構

盡管在網絡拓撲上，云架構與傳統的分布式網絡有很多相似之處，都是通過光纖拉遠等技術實現一個基帶處理單元同時控制多個射頻拉遠單元。不過，與傳統分布式網絡不同，在云架構中射頻拉遠單元與基帶處理單元之間并不存在固定的連接關系。每個射頻拉遠單元不再屬于任何一個基帶處理單元實體，其發送或接收信號的處理都是在一個虛擬的基帶處理單元中完成，而這個虛擬基帶處理單元的處理能力是由實時虛擬技術分配基帶處理池中的部分處理器構成的。因此，對比傳統的分布式網絡，應用了實時虛擬技術的云架構，特別是高速鐵路帶狀分布的拓撲結構，完全可以實現真正的物理資源使用全局最優化。

3.1.3 用戶面/控制面分離技術 擴大容量最直接、有效的方法是開發擁有更寬連續頻譜的高頻頻段來延展高速鐵路無線通信系統的帶寬。然而高頻頻段的路徑損耗大、覆蓋范圍小，對高速鐵路場景，還意味著更加頻繁的越區切換。為了在擴大系統容量的同時，兼顧移動性，學者們提出了一種基于控制面/用戶面分離的異構高速鐵路無線通信網絡架構，如圖3所示[3335]-。通常，在服務基站與接入用戶間存在兩個平面的連接，即控制面與用戶面。其中，控制面承載著用戶與接入網絡間的控制信令（如隨機接入過程信令、切換信令等），用戶面則負責業務數據的傳輸。若控制面的移動性得到保證，即控制面的覆蓋范圍足夠滿足用戶的移動性，不需要頻繁的切換甚至重新接入，那么用戶整體的移動性能便得到了保障。基于此，在該架構中，用戶的控制面被保留在傳輸性能較優、信號覆蓋范圍較大的低頻頻段。考慮到建設成本，這一頻段可以使用GSM-R或LTE-R的遺留頻段。相應地，真正的數據承載者用戶面則被搬移到具有更寬頻譜的高頻頻段來擴大系統容量。

在傳統的網絡架構中，中斷概率通常由傳輸可靠性指標來衡量[36]。然而，在該架構中，其控制面與用戶面被分離到了不同的網絡節點。并且，控制面對整體傳輸可靠性影響高于用戶面，因而在該架構中，控制面被保留在了低頻頻段。因此，傳統的中斷概率已不適用于該架構，需要提出新的指標，如非可靠性因子（UnReliability Factor, URF）：

圖3 基于控制面/用戶面分離的異構高速鐵路無線網絡

其中 SERU和 thU分別表示用戶面誤符號率及基于誤符號率的中斷門限；SERC和thC表示控制面的誤符號率及基于誤符號率的中斷門限。URF表示當控制面的誤符號率高于某個門限值時整個通信是中斷的，即URF=1。反之，整個系統的傳輸性能則取決于用戶面的中斷概率。當控制面的誤符號率較高時，即使用戶面的數據被可靠傳輸也無法被正確解碼，那么通信將中斷。顯然，該指標區分了控制面與用戶面，并突出了控制面對整體傳輸可靠性的影響，更加適合高速鐵路業務的傳輸需求。

除上述的分離架構外，還可以通過其他方式實現高頻頻段的融合，如在完全不改變原有網絡部署的前提下，增建大發射功率的高頻基站，彌補路徑損耗嚴重這一缺陷，為覆蓋范圍內的原有基站分流業務，增強系統容量，還可以實現無線回傳，解決因網絡不斷走向密集化帶來的有線回傳布網困難問題。此外，高頻頻段與低頻頻段在傳輸特性上存在很大差異，有必要在向高頻頻段延展帶寬的同時，充分挖掘高頻頻段的應有優勢[37]，進一步提高系統性能。

圖4 異構網頻譜融合原理圖

3.1.4 頻譜融合的異構網技術 提高系統容量的方法主要有3種：擴大系統帶寬、增加頻譜效率和增加網絡密度[38]，其中最直接有效的方式就是增加系統帶寬。但是無線頻譜作為一種極其有限和寶貴的資源，其使用需要國家相關部門授權，所以很難獲得更多的許可證頻段，或者需要付出巨大的經濟代價。所以，合理有效地利用非許可證頻段是 5G鐵路移動通信系統增加系統帶寬和提高系統容量的重要方法。然而，非許可證頻段一般在頻譜上與許可證頻段相距較遠，傳輸特性相差較大，所以需要針對非許可證頻段設計與許可證頻段不同的無線傳輸技術，即頻譜融合技術。為了使頻譜融合技術在高鐵場景中具有可實現性，需要解決非許可證頻段不穩定、非許可證與許可證頻段傳輸特性相差較大和干擾協調3個主要問題。頻譜融合的主要原理如圖4所示，系統根據非許可證頻段上信道質量檢測結果，對該頻段進行自適應調制與編碼、頻率選擇性調度、功率控制等鏈路自適應技術，并通過許可證帶寬傳輸相應的控制信令。而由于非許可證頻段的不穩定性，該帶寬只能用來傳輸對可靠性和信道穩定性要求較低以及對延遲不敏感的數據業務。

作為該技術在實際應用中遇到的最大挑戰，干擾協調方案可以分為兩部分進行。首先在接收端進行非許可證頻段信道質量檢測，篩選出可以滿足系統最低傳輸需求的可用信道。若以信干噪比（Signal to Interference and Noise Ratio, SINR）作為信道質量的度量，該過程可以表示為

其中，SINRij表示下行中 UEi檢測得到的非許可證頻段信道j的SINR，或上行中eNB檢測來自UEi的關于非許可證頻段信道j的SINR；可用信道判決門限Γ表示可滿足系統基本可靠性需求傳輸的最低SINR值。該過程為初步的干擾協調，進一步的干擾協調需要通過系統在非許可證頻段信道上進行的資源調度以及功率控制來實現。

3.1.5 多天線和分布式天線技術 現有多天線技術主要有MIMO、波束賦形及分布式天線等。MIMO技術通過利用信道非相干性實現空間復用，繼而提高系統容量。然而，高鐵無線信道基本為LOS信道，不利于MIMO技術的實現[39]，因此需要采取一些技術方案來人為制造無線信道間的非相干性。一種可行的方案是：增加車載臺的天線陣列組數，然后對信號進行合并，通過調整多組多天線陣列間的權重，改變多個陣列矩陣間的相干性，從而在LOS高速鐵路環境下得到容量的提升[22]。

波束賦形技術通過智能調整陣列天線各個陣元的幅度及相位，形成定向波束，將目標信號集中在基站與用戶之間的方向，實現能量的匯聚，同時降低因能量擴散而對周圍用戶造成的干擾[40,41]，該技術尤其適用于具有LOS特性的信道，可以將其應用到LOS高速鐵路場景來集中信號能量，增強接收信噪比，提高傳輸可靠性。在文獻[42]中，波束賦形技術還被用于解決高速鐵路場景中因切換觸發滯后而導致的切換失敗問題。

高速鐵路場景中面臨的巨大挑戰之一就是頻繁的越區切換。為了降低切換次數，可以采用分布式天線技術，在鐵路沿線布置大量天線單元，天線單元之間通過光纖連接并與中央控制器連接，同一個中央控制器控制下的天線單元組成一個邏輯小區[43]。當列車在這個覆蓋范圍較大的邏輯小區中運行時都不會發生切換，從而減少切換次數，降低通信中斷的風險。

3.1.6 多普勒效應和快速切換技術 高速鐵路場景中，高速列車的運動速度要遠高于一般移動臺速度，故它的多普勒頻移與擴展現象更加嚴重。多普勒頻移fd可以看作一種非人為的頻率調制，其中d=cosf v θ/λ =vf c osθ/ c = fmaxcos θ, fmax為最大多普勒頻移，f為載頻，c為光速，v為移動臺運動速度，θ為入射角，λ為電磁波波長。多普勒擴展表示多普勒效應造成的頻移范圍，接收端接收到有用信號的多普勒擴展范圍為fc- fmax到fc+ fmax。高速鐵路場景中，另一個嚴重的問題是列車通過基站時最大多普勒頻移從+ fmax到-fmax的正負跳變，如圖5所示。突然的多普勒頻移正負跳變會造成接收端無法進行準確的頻移補償或者鎖相環需要較長時間去進行頻移估計而帶來嚴重的延遲。

高速鐵路場景中，切換問題是其面臨的另一個挑戰，主要是因為高速引起的頻繁切換、群切換以及硬切換將會導致數據傳輸中斷[44]。為了解決上述問題，高速鐵路移動通信系統應該采用切換過程中通信中斷時長較短、甚至是沒有中斷時長的快速切換或者無縫切換技術，同時該類技術還能有效解決群切換問題。現有研究中具有代表性的是一種基于雙播的切換方案[45,46]。

圖5 高速鐵路多普勒頻移跳變原理圖

3.1.7 其他移動通信技術 近年來，也有學者提出利用高速鐵路接觸網電力線承載的高速鐵路移動通信技術。利用電力傳輸線進行電力載波通信的技術在國內外已有較好的應用，借助此概念和泄漏電纜傳輸技術的啟發，有學者也提出利用高速鐵路接觸網的電力線作為一種新的無線通信傳輸方式。其原理是利用微波的“趨膚效應”，借助接觸網作為天線，就如同泄漏電纜一樣，將基站信號覆蓋整個鐵路沿線。由基站產生的寬帶信號通過耦合器饋入到電力電纜，根據需要動態地配置發射功率，使得在覆蓋距離較遠的條件下，產生的干擾也能完全被吸收器吸收。該方案可在列車車頂安裝接收天線，同時保持接收天線與電力電纜一定的非接觸無線傳輸距離。該技術具有明顯的成本優勢，但關鍵技術尚未得到完全驗證。

3.2 高速鐵路旅客無線網絡接入系統

移動互聯網技術的快速發展，也使旅客在車站和車上享受和家里以及商務辦公環境下的寬帶接入服務成為可能。車內旅客直接與路邊蜂窩基站建立連接是最為簡單的接入方式，對基站和用戶終端軟硬件升級配置要求較少。但是，普通旅客的終端設備處理能力及電量有限，由于較大的車體穿透損耗，群切換信令風暴等問題，導致終端掉話率較大[47]。隨著公網和無線局域網技術的演進，列車旅客無線通信系統也要考慮前瞻性和先進性，需要重新建立高速鐵路場景下車地間寬帶數據接入無線數據傳輸鏈路。在列車內引入車載飛小區系統（Femto系統）、WiFi等車內接入系統為上述問題提供了很好的解決方案[48]。車內旅客首先接入該車內系統，然后通過特定的寬帶車地無線通道將匯聚的旅客業務轉發到路邊的3G/4G/5G系統基站。

這種車內接入方案針對車站和車上需求提供了一體化無線信息應用平臺，可以給旅客提供豐富的信息及娛樂應用，例如在車站的車站公告、列車時刻表、候車信息、檢票通知、站內商業服務信息等；在車上的點餐、電影音樂點播、電子書、新聞發布、廣告發布（如旅游、酒店等）、列車時刻表、晚點信息、游戲等。該一體化系統也給客運管理部門提供了車上工作人員的管理平臺，可以有效提供旅客咨詢、意見反饋、點餐售貨服務等功能。圖6即為基于WiFi的列車旅客無線通信系統方案示意圖。

該系統可具有如下技術和功能特點：

（1）通過無線車頂匯聚設備將移動、聯通、電信等多家電信運營商網絡的帶寬聚合，提供一到多個外網連接出口，改善和彌補運營商不同網絡性能之間的差異，成倍增加旅客上網帶寬的能力，提高車地通信連接的魯棒性，提升旅客乘坐舒適度。

（2）車內建設基于802.11的車廂無線局域網，俗稱車廂 WiFi，一般車廂覆蓋采用 802.11g/n/ac標準，車廂之間的連接采用不同頻率或信道的 802.11 a/n/ac標準。通過車內內置海量內容服務器吸引消化車內旅客免費WiFi寬帶上網業務，通過與互聯網內容提供商的協作，在沒有地面信號覆蓋或地面信號覆蓋較差的區段提供離線的車內免費 WiFi網絡多媒體內容，如電影、小說、游戲、應用下載等，同時提供新型的廣告和電子商務，為旅客改善服務體驗，同時給客運管理部門帶來新的經濟收入機會。

（3）通過給車站和車上提供全程WiFi服務，提高高速鐵路對飛機、長途汽車等交通方式的競爭能力。

（4）為了保持車內用戶對標準公網的持續和兼容接入能力，也可以通過車廂局域網連接具有標準3G/4G/5G空口特征的Femto基站設備。

基于上述功能需求，尚有一系列技術標準和關鍵技術需要解決，包括基于下一代移動通信網絡和無線局域網的車廂用戶接入、車輛無線連接、大容量并發用戶信令風暴、車輛連接設備與車廂接入設備之間的干擾協調等等。

4 結束語

高速鐵路的快速發展，對車地間無線通信系統提出了更高的要求，目前的窄帶 GSM-R系統將漸漸淡出歷史舞臺，高速鐵路移動通信系統即將走向LTE-R。在設計LTE-R時，一方面，為了提高列車的操作安全，需考慮安裝視頻監控等設備，對行駛的列車進行實時監控。另一方面，也需要考慮旅客移動互聯網業務需求。而這些業務需求從長期來看，很快又會對LTE-R系統構成挑戰。慶幸的是，我們可以借鑒公網5G系統向高頻頻段延展帶寬的思路，依此布局高速鐵路移動通信系統長期演進路線。基于此，本文不僅分析了近期演進目標LTE-R中需要解決的關鍵技術問題，還展望了 LTE-R之后基于5G的高速鐵路移動通信系統，分析了高速鐵路運行環境的信道建模、高速鐵路場景下基于頻譜融合的用戶面/控制面分離網絡架構及頻譜融合的異構網技術。為了提高高速鐵路移動通信系統的傳輸可靠性，本文還分析了多天線和分布式天線技術、快速切換技術及車內無線接入系統。

圖6 基于WiFi的列車旅客無線通信系統方案

以往的高速鐵路移動通信系統大部分是將公網制式搬移到高速鐵路場景，然后增加一些高速鐵路特色業務。實際上，無論是通信環境、無線信道特性，或者是用戶分布、運動規律，高速鐵路場景與公網場景間都存在很大的不同。在高速鐵路移動通信系統長期演進中，我們需要充分考慮這些差異性，在保證與公網兼容的情況下，有針對性地深入研究適用于高速鐵路場景的無線網絡架構及通信技術，實現高可靠、大容量高速鐵路移動通信系統。基于上述分析和研究，我們對未來高速鐵路移動通信關鍵技術的研究有以下建議（包括但不限于）：

（1）對于高速鐵路移動通信環境的信道建模，結合未來移動通信潛在的毫米波頻段，深入研究該頻段下信道特征和模型，特別是大規模MIMO在LOS環境或稀疏經環境下克服信道相干性并提升MIMO增益的手段和方法。

（2）從架構和協議等多層面深入研究高速鐵路異構多層網絡中的關鍵技術問題，使系統容量達到若干數量級的提升，其中包括分布式多層網絡架構設計、用戶面/控制面分離網絡架構設計、非連續的許可證頻段與微波/毫米波非許可證頻段的融合方法、資源分配和調度、基于移動性預測的無縫切換控制與管理、層間和層內干擾協調控制等。

（3）深入開展基于大規模天線陣的道旁基站和車載移動臺的研究，從MIMO角度使系統容量再提升若干數量級，其中包括自適應最佳天線數選擇、最佳波束設計、基于移動性預測的波束跟蹤和波束切換方案等。

總之，在引領世界高速鐵路技術的同時，我們要從國家發展戰略出發，及時布局未來5～10年高速鐵路寬帶移動通信的前瞻性技術研究，應對寬帶移動通信系統傳輸性能、可靠性和安全性等方面的諸多挑戰，尤其是結合高速移動場景的寬帶移動通信的空口傳輸體制、高速移動下抗干擾與干擾協調、高速移動下高可靠信息傳輸技術，以及下一代高速鐵路車載無線接入技術，確立和有效解決其中的科學問題與關鍵技術問題，推動高速鐵路下一代移動通信系統的平滑演進，這無疑對于保持我國高速鐵路成套技術的領先地位具有非常重要的意義。

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