低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地無線通信系統的需求及現狀調研

劉 暢 蔣志勇

隨著科學技術的發展和社會需求的擴大，軌道交通技術在世界范圍內出現了一些新的變革。低真空管道超高速磁懸浮鐵路，也被稱為“超級高鐵”，作為一種新型的軌道交通技術出現在公眾的視野中。低真空管道超高速磁懸浮鐵路將磁懸浮技術和低真空管道運行環境相結合，設計時速可高達1000 km，致力成為一種超高速、高安全、環境友好的新型交通方式。

現行的軌道交通技術受限于輪軌摩擦、氣動阻力和噪聲等原因，其最高理論運行時速約為600 km，而低真空管道磁懸浮列車通過將磁懸浮技術和低真空運行條件相結合，突破了當前輪軌交通的速度極限［1］。因此，低真空管道磁懸浮列車方案雖然在工程上依然存在許多問題亟待研究和解決，但也不能阻止其成為未來超高速軌道交通發展的重要方向之一。

在列車超高速行駛的條件下，業務系統對車地無線通信系統的性能提出了更高的要求：牽引制動系統和運行控制系統對于車地通信的低時延、高可靠性要求將進一步提高；在低真空管道環境中為旅客提供互聯網服務也將成為必須要解決的問題。作為對未來交通變革的技術儲備，提前對低真空管道超高速磁懸浮鐵路無線通信系統進行分析和研究具有重要意義。

1 低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地通信需求分析

1.1 承載業務

低真空管道超高速磁懸浮鐵路的運行控制、牽引制動等技術與現有的高速磁懸浮鐵路在原理上基本保持一致。因此，兩者對于車地通信系統所需承載的業務也較為相近。通過對上海高速磁浮示范線進行調研，目前車地無線通信系統在高速磁懸浮鐵路中主要承載牽引供電和運行控制兩方面業務。同時，在低真空管道的運行場景中，整個車廂形成了一種“信息孤島”的環境，旅客在運行過程中無法與外界進行信息的交流，這將嚴重影響旅客的舒適度和安全感，因此為旅客提供基本的互聯網服務也是低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地無線通信系統需要解決的問題。

1.1.1 牽引供電系統

高速磁懸浮鐵路的牽引供電系統為磁浮列車提供運行時所需要的動力，主要由供電、變流、饋電電纜、軌旁開關和直線電機長定子繞組等部分組成。

牽引供電系統通過車地無線通信系統獲取車輛的速度和位置信息，并以此為依據，為分段的長定子繞組提供特定幅值和頻率的電源，該電源產生的行波磁場與勵磁磁鐵產生的勵磁磁場相互作用，產生列車高速行駛所需的牽引力。

牽引供電系統對車地無線通信的實時性要求較為苛刻。參考上海高速磁浮鐵路，當列車速度低于100 km/h 時，地面牽引控制系統通過列車向地面發送的位置信息對列車進行牽引控制，要求通信時延小于5 ms；當列車速度高于100 km/h 時，地面牽引控制系統通過定子繞組的反監視信號即可完成對列車的精確定位，不再需要傳輸車載定位信息。

1.1.2 運行控制系統

高速磁懸浮鐵路的運行控制系統主要完成對列車運行的控制、安全防護、自動運行及調度管理等任務。運行控制系統由中央控制系統、分區控制系統和車載運行控制系統組成，通過車地無線通信系統保持與列車的不間斷通信，主要用于傳輸操作控制數據、診斷數據和旅客信息數據，同時為車輛與中心的操作人員提供語音服務。

1.1.3 旅客基本互聯網服務

為保障旅客的舒適度和安全感，低真空管道超高速磁懸浮鐵路的車地無線通信系統還需在一定程度上滿足旅客的通信需求。

基本互聯網服務應包括即時通信軟件、電子郵件、金融類軟件、以文本信息為主的資訊類軟件等互聯網服務。其他如影音、游戲等高帶寬的互聯網服務需求，可由本地影音娛樂系統替代滿足。

由于旅客基本互聯網通信服務不涉及行車安全，因此為旅客提供的一切網絡服務均需在保證列車系統數據安全傳輸的前提下提供。

1.2 技術難點

低真空管道超高速磁懸浮鐵路對車地通信技術帶來的挑戰，主要體現在系統對超過1000 km/h 的超高列車運行速度和超長密閉管道傳播環境的適應性上。其中，超高列車運行速度帶來了多普勒頻移和越區切換2 個方面的問題；超長密閉管道傳播環境具有多徑衰落和無線網絡部署困難的問題。

1.2.1 多普勒頻移

多普勒效應是指因波源或觀察者相對于傳播介質的運動而使觀察者接收到的波頻率發生變化的現象。多普勒頻偏計算公式為

式中：θ為移動臺移動方向和入射波方向的夾角；v為移動臺運動速度；C 為電磁波傳播速度，即光速；f為載波頻率。

由式（1）可知，多普勒頻偏與移動臺的速度成正比，相比于現有高鐵，低真空管道超高速磁懸浮列車在超高速移動的情況下，接收端信號的多普勒頻偏將成倍增加，導致基站和接收機的相干解調性能降低。

1.2.2 越區切換

越區切換是指移動用戶在不同小區間移動時，為了保證用戶的連續通信而需要進行的信道切換。在列車超高速移動的場景下，越區切換的頻率將更加頻繁，切換成功率和切換時延等指標的優劣將直接影響整個系統的通信性能。

1.2.3 多徑衰落

多徑傳播是所有移動信道的共同特性，多徑傳播造成多徑衰落，使接收信號的幅度急劇變化。在全封閉的金屬管道內，空間狹小，多徑衰落更為嚴重，將嚴重影響通信質量。

1.2.4 無線電波傳播方式

不同于開闊場景，在全封閉的金屬管道內部，如果采用無線電自由波通信，路徑損耗將顯著提高，還有可能出現波導效應。另外，在超高速列車運行的狹窄管道內安裝天線可能帶來較高的安全隱患，也不便于設備維護檢修。在超長隧道場景中，更常見的無線電波傳播是采用漏纜或漏泄波導等方式，以獲得更加均勻、優質的網絡覆蓋質量［2-3］。但相比于傳統的隧道場景，金屬管道對電波輻射和電波反射都有影響，將會使漏纜或漏泄波導在低真空管道內的傳播模型產生很大變化。這些變化對漏纜或漏泄波導的網絡覆蓋效果的影響程度還需要進行針對性的研究。

2 既有無線通信技術

通過對既有無線通信技術方案的調研，目前還沒有可完全滿足低真空管道超高速磁懸浮鐵路需求的無線通信系統。但應用于高速磁懸浮鐵路車地通信的38 GHz 毫米波車地無線通信系統和應用于民航客機的ATG-LTE 地空無線通信系統與低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地通信系統的業務需求和應用場景存在相似點，具有較高的參考價值。

2.1 38 GHz 毫米波車地無線通信系統

38 GHz 毫米波車地無線通信系統是德國針對磁懸浮鐵路系統需求專門定制研發的一種磁懸浮列車車地無線通信方案，同時也是目前上海高速磁浮示范線使用的車地無線通信方案。該方案在上海高速磁浮最高時速430 km 的運營環境下得到了長期驗證，其可用性和可靠性均有一定保證。

2.1.1 承載業務

38 GHz 毫米波車地無線通信系統主要用于傳輸車輛與地面之間的運行控制、牽引控制、診斷及旅客信息等數據，同時為車輛與中心的操作人員提供語音服務。系統針對不同業務的性能需求提供了不同的服務質量：對于牽引控制數據，系統提供了高實時性保障，數據傳輸時延不超過5 ms［5］；對于運行控制數據，系統提供了高可用性保障，數據傳輸差錯率不高于10-6；對于其他高帶寬需求業務，系統提供了高動態服務保障，根據當前通信質量可提供16M～100 MHz 的可用帶寬。

2.1.2 系統架構

圖1 38 GHz 毫米波車地無線通信系統架構示意圖

38 GHz 毫米波車地無線通信系統架構如圖1所示，由中央無線控制單元（CRCU）、分區無線控制單元（DRCU）、光纖網（OFN）、地面無線基站（RBS）和車載無線系統5 個組成部分。基站通信天線沿軌道架設，車載天線安裝在列車兩端［6］。

CRCU 部署于控制中心，控制中心利用CRCU提供的接口，通過38 GHz 無線網絡與列車進行旅客信息、診斷數據及語音數據的傳輸交換。整個上海磁浮示范線被分為4 個無線控制分區，DRCU 通過OFN 與地面基站連接，并控制基站僅當有列車處于該基站覆蓋范圍內時才將其激活。為了保證沿線各點無線信號的全覆蓋，通常RBS 的間距為0.3～1.1 km，使用頻率為37.1～38.5 GHz［7］。車載無線系統由組合天線、移動終端和移動無線控制單元（MRCU）組成，MRCU 控制移動終端進行無線信號的收發，并為車載業務系統提供相應接口。

2.1.3 技術特點

38 GHz 毫米波車地無線通信系統承載了牽引控制、運行控制等涉及行車安全的關鍵業務數據。車地無線通信系統提供穩定、準確、高效的數據傳輸，是確保整個磁浮系統正常運轉的前提條件。因此，38 GHz 毫米波車地無線通信系統在多個方面采用了冗余性設計，以確保整個系統的高可靠運行。

1）物理通道冗余。

38 GHz 毫米波車地無線通信系統由2 個完全相同的子系統組成，稱為通道A 與通道B。2 套子系統均包含各自的分區無線控制單元、基站收發器、移動收發器以及移動無線控制單元，2 套子系統同時工作、可獨立運行。基站和移動收發器都采用單發雙收的設計，即在發射時只發射本通道的無線信號，接收時可同時接收來自2 個通道的不同頻率的無線信號［8］。

通過以上設計實現了2 套完整的車地無線通信系統的系統級設備冗余，并通過單發雙收機制形成了4 條無線通信鏈路，進一步提高了無線接入側的冗余度；保證了列車運行全過程中能同時被2 個通道子系統完全覆蓋，其中1 個通道的任何設備故障都不會影響到列車的正常運行；同時由于2 個通道子系統的基站呈交錯式部署，則其分區切換時機也呈交錯式分布，從而避免了分區切換時可能導致的通信短暫中斷。

2）數據傳輸冗余。

38 GHz 毫米波車地無線通信系統通過對冗余通道的交叉復用，進一步提高了數據傳輸的可靠性。每個通道子系統在進行數據傳輸時，不僅傳輸自身通道的數據，還通過數據交換，同時傳輸另一通道承載的數據。接收端信號收發器接收到數據后，再將不屬于本通道的數據重新分配給另一通道子系統的無線電控制單元進行處理。例如，通道A發送端在傳輸應由它承載的A 數據的前提下，還通過數據交換傳輸通道B 承載的數據；通道A 接收端在接收到來自通道A 發送端的數據后，自行處理通道A 數據，并將通道B 數據轉發給通道B設備。

2.2 ATG-LTE 無線通信系統

航空交通系統與低真空管道超高速磁懸浮鐵路系統的運行場景有一定的相似度。首先，航空飛機的速度可達1200 km/h，多普勒頻移和越區切換的問題在地空通信中同樣突出；其次，旅客在進行航空旅行時，由于無法通過公網的3 G、4 G 等手段與外界進行信息交互，與低真空管道超高速磁懸浮鐵路系統相似，所以航空交通系統也需解決旅客的互聯網服務需求。

實現飛機旅客空中上網目前有2 種方式，通過衛星中繼聯網和建設專門的地面站與飛機聯網，即所謂的空-地直通聯網（Direct Air-to-Ground Communications，ATG） 或稱為地空寬帶通信網［9］。由于在低真空管道超高速磁懸浮鐵路系統中，列車運行在封閉的管道中，顯然衛星中繼聯網并不適用，而ATG 網絡對于超高速環境下的適應性具有一定的參考意義。ATG 無線通信網絡可基于2 G、3 G、4 G，甚至5 G 進行定制，目前已商用的、 性能最佳的ATG 技術為基于4 G 的ATG-LTE 解決方案。

ATG-LTE 網絡通信方案是一種基于LTE 網絡的ATG 解決方案，繼承了LTE 網絡的技術特點。目前已在歐洲商用，覆蓋整個歐洲空域，單機可提供帶寬最高可達100 Mbps。

2.2.1 承載業務

在機艙內，機載ATG 設備向乘客提供無線局域網數據業務，用戶通過Wi-Fi 與之建立連接；在機艙外，通過LTE 技術實現地面基站與機載ATG設備間數據鏈路的建立，并最終將乘客與地面互聯網連接到一起，實現上網服務。

2.2.2 系統架構

ATG-LTE 系統架構與LTE 系統架構基本一致，主要差異在于：移動端為裝載了機載天線和機載通信終端的航空飛機。

2.2.3 技術特點

ATG-LTE 技術方案在LTE 網絡技術的基礎上，針對航空超高速運行環境進行了針對性的定制優化。采用定制的無線收發設備，電信運營商沿飛行航路或特定空域在地面架設基站，向高空進行覆蓋（單個基站覆蓋高度為6000～12000 m），可以為不同高度層航線的飛機提供最高100 Mbps 的無線數據帶寬，從而使機艙內的乘客可以訪問外部互聯網［11］。為完成上述目標，ATG-LTE 系統實現了以下幾個關鍵技術：①超高速適應性技術，通過多普勒頻偏跟蹤與補償，適用于1200 km/h 的超高速移動；②超級小區技術，實現了200～300 km 超大小區覆蓋，減小切換，降低干擾；③定制化的地面天線，小區可覆蓋從低空至高空的不同范圍；④差異化的QoS［10］，滿足從飛行數據、監控視頻及用戶上網等不同業務的不同優先級需求。

3 結論

1）通過對38 GHz 毫米波車地無線通信系統和ATG-LTE 無線通信系統通信方案的研究和對比，結合低真空管道超高速磁懸浮鐵路的特殊應用場景和需求，以上2 種通信系統方案均不能完全滿足低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地通信的需求［4］。

2）38 GHz 毫米波車地無線通信系統作為一整套磁浮專用系統中的一個子系統，是一個高度定制化的專用通信系統。雖然低真空管道超高速磁懸浮鐵路在牽引制動、運行控制等方面與目前的高速磁浮鐵路有許多相似之處，但兩者在設計時速、運行環境等方面存在著較大的差異。例如，其在功能上無法滿足為旅客提供基礎互聯網服務的要求，毫米波的傳播特性也不適于在超長管道中進行覆蓋。但低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地無線通信系統可借鑒該系統在保證通信可靠性上的設計值。

3）ATG-LTE 無線通信系統雖然基本滿足了通信系統對超高速適應性和對帶寬的需求，但地空通信的方式與管道磁懸浮的環境差異較大。該系統主要承載的是旅客互聯網服務，屬于不涉及運營安全的可靠性要求較低的業務，在系統可靠性設計上無法滿足低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地通信系統的要求。但ATG 方案的成功商用證明了4 G、5 G 等通用通信制式可通過針對性優化或修改，使其達到超高速環境下的運用需求，為低真空管道超高速磁懸浮鐵路車地通信系統的方案設計提供了更多的選擇空間。

4）在低真空管道超高速磁懸浮鐵路中可以參考ATG-LTE 方案，基于LTE 或5 G 等通用通信制式，針對低真空管道超高速磁懸浮鐵路這一特殊場景進行優化設計，以克服超高速運行環境所帶來的多普勒頻移、越區切換等相關問題；參考38 GHz 毫米波車地無線通信系統，通過多重冗余性設計，保障系統的可靠性；同時，為保障管道內行車安全，采用漏纜或漏泄波導的方式進行管道內的接入網部署，并結合管道材質、結構、尺寸以及系統使用頻率進行針對性選型和驗證，以適應超長密閉管道的特殊應用環境。