李治國

摘 要：列車的通信系統(tǒng)可以說對于旅客來說是有一定改善需求的領(lǐng)域，由于信息化的加強(qiáng)使得信息產(chǎn)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(shí)際情況來說，高速鐵路自身的控制系統(tǒng)實(shí)際上也需要對于通信技術(shù)有更高的要求，雖然二者并非同類，但是技術(shù)本源卻是一致的。因而實(shí)際上可以說移動通信技術(shù)的發(fā)展，無論對于客戶需求或者是自身的強(qiáng)化來說，都是有價(jià)值的。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；移動通信系統(tǒng)技術(shù)；列車通信系統(tǒng)

移動通信技術(shù)的發(fā)展在現(xiàn)階段可以說相當(dāng)?shù)耐晟屏耍旧弦苿油ㄐ殴ぞ咭呀?jīng)到了人人都有的情況了。而高速鐵路在運(yùn)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(chǎn)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(shù)的改善已經(jīng)勢在必行，并以此來推動和提高高鐵本身的運(yùn)行質(zhì)量。

1 高速鐵路通信系統(tǒng)技術(shù)簡介

1.1 高速鐵路移動通信系統(tǒng)技術(shù)的概念

高速鐵路的發(fā)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(yùn)行的鐵路運(yùn)營方式。現(xiàn)階段的高速鐵路運(yùn)行速度一般都在200km/h以上。

而列車的移動信息通信系統(tǒng)，則是以高速鐵路列車作為核心載體，通過無線設(shè)置和有線的接入，從而形成一個有效的接收和發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)。可以說通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收儲存?zhèn)鬏?，然后有效地控制一個系統(tǒng)工程。移動通信信息系統(tǒng)本身是可以作用于列車控制，也能夠作用于旅客服務(wù)的。因而就實(shí)際應(yīng)用來說，是可以對于整個高速鐵路列車系統(tǒng)而起作用的，也是通信系統(tǒng)所需要改善和加強(qiáng)的重要部分。

1.2 高速鐵路移動通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展背景

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

而高速鐵路的移動通信系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)，則是信息技術(shù)運(yùn)用到高速鐵路上面的重要突破，對于高速鐵路的列車運(yùn)行來說，本身的需求就有通信方面的聯(lián)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(jīng)常的事例。然而高速環(huán)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(jìn)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(rèn)如果列車的運(yùn)行速度超過了300千米每小時，那么移動設(shè)備運(yùn)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(tǒng)技術(shù)的意義

從我國高速鐵路運(yùn)行的現(xiàn)狀來看，移動通信系統(tǒng)的問題可以說已經(jīng)制約到了高速鐵路繼續(xù)提速的步伐，而且就現(xiàn)階段的運(yùn)行來說，可以認(rèn)為已經(jīng)出現(xiàn)了一些困擾的因素，只是因?yàn)檫€在能夠接受的范圍之內(nèi)才沒有什么異議出現(xiàn)。無論是出于繼續(xù)發(fā)展的需要，還是出于改善管理的目的，在移動通信技術(shù)方面都有需要進(jìn)行加強(qiáng)的地方的。

此外，從另一個角度來看，鐵路行業(yè)本身就是服務(wù)業(yè)的一種，因而服務(wù)質(zhì)量的加強(qiáng)本身也是其改善管理的一個重要方式。高速鐵路本身的發(fā)展，也可以說必然面臨著改善服務(wù)的強(qiáng)烈需求，因而高鐵移動通信系統(tǒng)建設(shè)本身就要求能夠?qū)τ诳蛻粜枨筮M(jìn)一步滿足并且加強(qiáng)自身的服務(wù)體系建設(shè)，從而對于業(yè)務(wù)有著更加完善的反映。

2 我國高速鐵路移動通信技術(shù)的現(xiàn)狀

高速鐵路的發(fā)展已經(jīng)成為我國現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個帶頭因素，某種程度上已經(jīng)普及了我國中東部的大部分地區(qū)，并且通過高速鐵路的帶動，使得相關(guān)服務(wù)業(yè)的發(fā)展也有了一定的進(jìn)步。而高速鐵路通信技術(shù)服務(wù)也日益成為高鐵服務(wù)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(diào)控能力的提高，還能夠?qū)τ诼每偷男枨筮M(jìn)一步的滿足和完善。而且，由于移動技術(shù)的發(fā)展和普及，列車的移動通信系統(tǒng)技術(shù)也需要隨著高速鐵路本身的發(fā)展而進(jìn)一步進(jìn)步，從而避免被限制的困境。

現(xiàn)階段我國使用的主要的移動通信系統(tǒng)技術(shù)是GSM-R系統(tǒng)，即為鐵路系統(tǒng)專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，主要功能包括無線列調(diào)，以及無線通信和隧道通信等功能。應(yīng)當(dāng)說相對之前的列車通信系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更進(jìn)一步的升級，對于尋址的定位功能進(jìn)一步的強(qiáng)化，也可以通過主從同步方式從附近的相關(guān)設(shè)備中獲取電信號，并且通過無線轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對接功能。從這個角度來說，也可以認(rèn)為這也是對于通信技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展，保證了本身的服務(wù)質(zhì)量的程度。

3 高速鐵路移動通信技術(shù)的構(gòu)成因素

從需求來說，高速鐵路移動通信技術(shù)首要需求就是信息管理方面的，無論是環(huán)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(shù)的幫助，因而實(shí)際上這也是移動通信系統(tǒng)技術(shù)所能夠做到的。從儲存和調(diào)度的準(zhǔn)確性和快捷性來說，必然的對于移動通信技術(shù)有其需求。

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

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

最后，在基礎(chǔ)設(shè)施方面，整個高速鐵路移動通信系統(tǒng)是需要從來源、轉(zhuǎn)換以及接收方面同時做好，從而形成一個完善的系統(tǒng)來完成配合工作。并且通過無線系統(tǒng)的引導(dǎo)對整個列車的各方面需求進(jìn)行滿足。

4 高速鐵路無線通信覆蓋理論研究

本文將詳細(xì)對高速鐵路覆蓋理論中存在的種種問題進(jìn)行研究，主要從車體損耗、多普勒效應(yīng)、小區(qū)切換等方面進(jìn)行了闡述，為高速鐵路的移動通信覆蓋規(guī)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(shí)際覆蓋中某些方面指出方向，其中很多地方也為實(shí)際勘測指明了重點(diǎn)，是高速鐵路移動通信覆蓋研究不可或缺的內(nèi)容。

4.1 高鐵通信網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

高速鐵路通信網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)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(tài)時損耗25db，高速運(yùn)行時就更高了。

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

③高速鐵路通信對SNR要求高，還有很多乘客網(wǎng)上看視頻、下載等業(yè)務(wù)同時進(jìn)行，這種業(yè)務(wù)集中度高。

④鐵路的地形地貌復(fù)雜多樣性。

在這些挑戰(zhàn)下，針對多普勒頻偏，必須加入糾偏算法，對頻偏糾正和補(bǔ)償，來提高解調(diào)的性能。

4.2 多普勒效應(yīng)的影響

什么是多普勒效應(yīng)？當(dāng)終端在高速運(yùn)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(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。

事實(shí)上個人認(rèn)為多普勒效應(yīng)可以看成是頻域上的多徑效應(yīng)，多徑效應(yīng)是“時延”，而多普勒效應(yīng)是“頻延”，由此可以得到多徑和多普勒相結(jié)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(shí)也是信號多徑傳輸，不同路徑到達(dá)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(jī)接收頻率，F(xiàn)T是發(fā)信機(jī)發(fā)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(yīng)。在仿真環(huán)境中，瑞麗衰落時的多普勒效應(yīng)對信道影響很大很明顯，在直視范圍內(nèi)的萊斯衰落環(huán)境下的多普勒效應(yīng)對無線信道的影響大大減少，所以，盡量保證發(fā)射天線和列車經(jīng)過的鐵路沿線保持在直視范圍內(nèi)。天線方位角的規(guī)劃，最好在相鄰站點(diǎn)間的2/3的距離來規(guī)劃，保證高鐵覆蓋強(qiáng)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(qū)域在69m；車速300km/h時，切換區(qū)域在83m。

4.3 單站覆蓋距離

Okumura/Hata模型是應(yīng)用較為廣泛的覆蓋預(yù)測模型，它是以準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)作基準(zhǔn)，其余各區(qū)的影響均以校正因子的形式出現(xiàn)。Okumura/Hata模型市區(qū)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(qū)準(zhǔn)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(jì)算出天線高度和覆蓋距離的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.4 相鄰基站重疊覆蓋問題

由于高鐵多以同頻組網(wǎng)方式，來提高頻譜效率，但同頻組網(wǎng)存在著小區(qū)間的同頻干擾問題。現(xiàn)實(shí)中我們通常是通過管理無線資源使小區(qū)間干擾得到控制，也就是小區(qū)中資源和負(fù)載的情況來進(jìn)行的多小區(qū)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(xié)商來講，頻率服用分為軟頻率復(fù)用（SFR，soft frequency reuse）、部分頻率復(fù)用（FFR， fractional frequency reuse）和全頻率復(fù)用（Full frequency reuse）三類。

軟頻率復(fù)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(qū)的任何地方使用，權(quán)利大的很，輔子載波只能在小區(qū)中心被使用，不同小區(qū)間的主子載波相互正交，在小區(qū)邊緣有效地抑制了干擾。部分頻率復(fù)用是把所有的頻率分成4個組，對于小區(qū)中心的用戶，給他頻率復(fù)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(fù)用因子是3，保證和其相鄰的小區(qū)邊緣用戶的頻段相互正交，互不干擾。全頻率復(fù)用就是所有的頻點(diǎn)可放在小區(qū)的任何位置使用。

總的來看，三種頻率復(fù)用，其實(shí)FFR和SFR可以算作一邊，全頻率復(fù)用算另一邊。FFR和SFR是使用聯(lián)系多個RB來組成子頻帶，全頻率復(fù)用是使用單個RB，這是很大的區(qū)別！第二個區(qū)別是在小區(qū)中心資源和邊緣資源的不同，換句話說就是使用的復(fù)用系數(shù)不同，全頻率復(fù)用由于無小區(qū)中心和邊緣區(qū)域資源劃分；也就是說，在頻率劃分上，F(xiàn)FR和SFR的不同小區(qū)邊緣用戶使用相互正交的子載波，而全頻率復(fù)用在不同小區(qū)用戶使用相互正交的RB，或者干脆就結(jié)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(wǎng)小區(qū)基站根據(jù)實(shí)際地理?xiàng)l件與鐵路沿線可能有一定距離，因此根據(jù)實(shí)際情況需要選擇不同的天線。

以鐵路專網(wǎng)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(dāng)垂直距離S小于100m時，優(yōu)先采用32°窄波束天線（如ODP-032R18dB），并且每個小區(qū)使用兩副天線對鐵路實(shí)施覆蓋，這樣還可以避免越區(qū)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(cè)總長度L為240m的范圍內(nèi)將主要通過天線的副瓣進(jìn)行主力覆蓋。

圖1 天線覆蓋方式示意

②當(dāng)垂直距離在100～300m范圍內(nèi)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(nèi)基本上依靠天線主瓣對鐵路沿線進(jìn)行主力覆蓋。

③當(dāng)垂直距離大于300m時，建議重新進(jìn)行站址規(guī)劃。

此外，對于波瓣過窄，導(dǎo)致出現(xiàn)天線零點(diǎn)的地方信號深度衰落，需要采用零點(diǎn)填充的特型天線或者在兩小區(qū)正中間增加一面天線，天線增益優(yōu)先選取為18dBi。

5 高速鐵路移動通信新技術(shù)

由于鐵路通信網(wǎng)絡(luò)基站一般是平均分布的，而列車的運(yùn)行又不是非常頻繁，因此在利用率方面存在一定的浪費(fèi)狀況。針對這樣的情況，采用分布式網(wǎng)絡(luò)云結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)據(jù)中心建設(shè)的浪潮，云計(jì)算技術(shù)幫助傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移、在單數(shù)據(jù)中心內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度和彈性擴(kuò)容，一定程度解決了單個數(shù)據(jù)中心IT資源利用率不足、業(yè)務(wù)部署周期長、管理效率低下的問題。

分布式云系統(tǒng)就可以將分散、分層、異構(gòu)的單一數(shù)據(jù)中心架構(gòu)改造為全扁平式、點(diǎn)到點(diǎn)互聯(lián)、統(tǒng)一資源管理的分布式云數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多個不同地域、不同階段、不同規(guī)模數(shù)據(jù)中心上百萬臺服務(wù)器資源的邏輯集中管理調(diào)度、統(tǒng)一呈現(xiàn)、統(tǒng)一運(yùn)營，在保護(hù)原有投資的前提下更高效的提升整體數(shù)據(jù)中心資源利用率和管理效率，敏捷響應(yīng)企業(yè)對IT的核心需求。

可見分布式網(wǎng)絡(luò)云架構(gòu)可以有效地優(yōu)化使用效率，提高利用率。

6 結(jié)語

總體來看現(xiàn)階段的鐵路移動通信系統(tǒng)技術(shù)在世界層面的發(fā)展已經(jīng)有一段時間了，不斷地在向成熟化進(jìn)步。同時，隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，高速鐵路移動通信技術(shù)也有一些新的變化和發(fā)展，這方面也需要盡可能的保持跟進(jìn)的趨勢，從而使得高鐵移動通信技術(shù)不會受到短板的約束和限制。

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