高速鐵路移動通信系統關鍵技術的演進與發展

劉濤

摘 要：經過多年的發展，高速鐵路移動通信技術在國內外取得巨大的應用進展，并形成了多種技術路線，其中以鐵路移動通信全球系統為主流。鐵路移動通信全球系統發端與20世紀八十年代，目前在技術上呈現一定的滯后性。因此，亟待在實現關鍵技術突破的前提下，進行前瞻性的技術路線演進和產業性的布局工作，逐步用5G技術上的遠程鐵路演進系統替代。

關鍵詞：高速鐵路；移動通信系統；關鍵技術；演進；鐵路移動通信全球系統

1. 引言

1.1 高速鐵路移動通信技術在國外的發展情況

高速鐵路移動通信技術在國外經歷了多年的醞釀、發展和成熟，具有較強的技術優越性。它不僅能夠實現對高速列車的運行的有效控制，而且可以實現對旅客互聯網接入的增值服務。通過建設以地面信號傳輸與空間衛星信號傳輸相結合的方式，以技術手段最大限度地減少信號的衰減，從而構建較為優良的網絡系統，為高速鐵路的各種實際需要提供信號傳輸服務的各種技術保證。

從總體上看，國外發達國家的大型企業在發展出高速鐵路交通配套化系統的同時，也同步生成和發展出了相應的高速鐵路的移動通信系統。這類系統基本上是無線性質的，它的不僅能夠為列車的調度、有序運行提供有效的技術支持和保障，而且還能向乘車的旅客提供各類的通信服務以及互聯網信號的接入服務，大大豐富了旅客的出行生活的質量。這類的無線通信系統中具有典型性質的主要有鐵路移動通信全球系統（GSM-R）、德國的城際高速鐵路通信系統、德國與法國聯合研發的TGV相關技術、Thalys的高速鐵路移動通信技術以及日本新干線使用的相關高速鐵路移動通信技術等。

各種高速鐵路的移動通信系統采用的技術路線和方案是迥然不同的。比如，德國的城際快車采用車載直放站技術，即以車載直放站作為放大無線通信信號的基站，提高列車的無線信號的接入質量。TGV技術方案，依托衛星通信技術的接入，實現由衛星信號與隧道和車站附近的WIFI中繼器實現網絡的無縫對接和全面覆蓋。先由衛星系統進行信號的無線接入；當衛星信號不能達到高速列車內部時，轉而由地面設置的信號中繼器展開工作，接入信號，以保證信號與數據雙向傳輸的正常進行。日本新干線版的高速鐵路信號接入技術方案的核心是泄露電纜方案，即早期的WIFI級的泄漏電纜方案及其升級版。它的具體技術實施方法是，在高速鐵路列車的軌道上平行安置同軸泄露電纜系統，以2種相對獨立的信號傳輸的子系統分別為旅客信息和旅客的WiFi信號應用提供通道服務。此外，鐵路移動通信全球系統為全球范圍內應用中占據主導地位的高速鐵路移動通信系統的關鍵技術，目前在歐洲、中國和印度等國和地區得到了廣泛的應用。

1.2 高速鐵路移動通信技術在我國的發展情況

我國的高速鐵路移動通信技術是建立于鐵路移動通信全球系統的應用的基礎之上的。在該技術的實施早期，主要應用于一些主干的客運專線和重載線路。同時，還在朔黃重載線路等上使用了遠程鐵路演進系統，用于列車同步操作數據的傳輸與控制等的活動。

臺灣地區的高速鐵路移動通信技術以日本的新干線的相關技術為藍本，并考慮到了與遠程鐵路演進系統的兼容性問題，以便在必要時實現通信技術的有效、無障礙的轉換。當然，我們注意到，日本的WiMax系統并非世界主流應用的技術，因此在實際的建設和使用中仍有可能面臨較大的潛在風險。

2. 鐵路移動通信全球系統的技術演進路徑初窺

2.1 鐵路移動通信全球系統的技術積累與歷史貢獻

鐵路移動通信全球系統經過長期的技術積累與技術演進過程，目前在商業領域已經成為了全球范圍內的業內共識。它已經形成了標準化的技術體系，而且技術成熟度較高。因此，在高速鐵路的通信系統中加以應用具有資本節約和技術通入無障礙的好處。其對于高速列車行進過程中的傳輸信號的自如切換與控制以及多媒體信號的平臺整合功能亦值得高度的期待。

與此同時，我們不能忽視鐵路移動通信全球系統相關技術可能存在的技術保守性和滯后性。本項系統主要起步于20世紀的八十年代。隨著無線通信技術的爆發式發展，鐵路移動通信全球系統的技術滯后性無可避免。它主要表現在兩個主要方面：首先，鐵路移動通信全球系統具有窄寬帶的特性，它無法滿足高速鐵路的智能化和多業務的需求，同時也無法承載數據傳輸的高速度的要求。其次，鐵路移動通信全球系統無法擺脫其他商用通信網絡的信號干擾問題，造成了信號雜質和干擾較大，影響了傳輸數據的信號質量。此外，通信技術已進入了代際的替換器，目前的常用的通信技術已逐步轉為更為先進的5G技術等。除此之外，隨著設備制造商的設備產品的升級換代，鐵路移動通信全球系統的的相關設備供應以及維護升級也可能陷入無貨可供的尷尬局面。由此可見，鐵路移動通信全球系統的技術演進與延伸是一項刻不容緩的任務。為此，國際鐵聯組織需要作出中期的鐵路移動通信全球系統技術演進規劃。

2.2 鐵路移動通信全球系統的最新關鍵技術衍生與發展

鐵路移動通信全球系統原來是以列車的運行調度與自動控制作為功能設定的，因而對智能化和旅客的互聯網接入服務以及相伴而來的信息安全缺少前瞻性的考慮。因此，從原來的專門服務高速列車運行服務轉到鐵路業務與旅客信號接入的融合提出了技術上的挑戰。以我國高速列車的滿員乘客計算，一千多人同時順暢地使用互聯網接入信號將占用大量的寬帶資源，這是目前存在的鐵路移動通信全球系統所無法支撐的。為此，有必要在現有的通信基礎設施和技術積累的基礎上推進技術方案的演進過程，由政府相關部委牽頭，聯合實力雄厚的通信企業開展聯合研究和技術攻關，規劃至2025年和2035年的演進路線，為高速鐵路移動通信技術的進步預留下充足的應用空間。目前，由遠程鐵路演進系統逐步代替現有的通信體系成為了被各方接受和認同的技術方案。

3. 高速鐵路移動通信技術未來發展方向的展望

在確定從鐵路移動通信全球系統到遠程鐵路演進系統的體系轉變和技術演進路線的同時，我們應當進行相應的基礎性研究工作，為大規模的產業化的布局奪得先聲。在此過程中，我們應當重點關注高速鐵路系統所呈現出的特殊性問題。

3.1關于5G技術之于鐵路鐵路通信的關鍵技術的問題

目前，5G技術被普遍視作下一代移動通信技術的發展方向。為此，我們應當依托5G技術展開高速鐵路的關鍵性的移動通信的技術開發與研究。首先，要開展5G技術基礎上的高速鐵路的無線信道的建模，攻克高速鐵路的散射信號場景，優化LOS技術與MIMO技術等的各自優勢發揮等。第二，加強分布式網路與云架構的相關技術研究，掌握相關的運作機理，優化基帶資源的使用。第三，深入研究用戶面/控制面的異構高速鐵路無線通信網絡架構技術，更好地利用高頻頻段與低頻頻段，提供系統的整體性功能。第四，充分研究頻譜融合的異構網技術，最大限度地利用好非許可證頻段資源，實現干擾協調的最好匹配度。第五，做好多天線矩陣技術的相關研究，有效增加信道容量，增加接收信號的信噪比，增強信號傳輸的可靠程度。第六，研究與解決列車高速運動過程中的多普勒效應，實現信號的無縫切換。此外，還應加強對相關移動通信技術的借鑒，比如利用高速鐵路電力接觸網提高信號的可利用性。

3.2 關于旅客無線網絡接入高速鐵路移動通信系統的相關問題

設置高速鐵路場景下的旅客無線網絡接入有利于提高旅客良好的體驗度，但是必須重構數據的傳輸鏈路，以車內信號接入系統與寬帶車地無線通道的接力提供相應的優質服務。并且，在此基礎上整合成一個信息的應用平臺，借此提供多樣化的服務，實現技術融合和功能融合。

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