方旭明 崔亞平 閆 莉 宋 昊

1 引言

1.1 國(guó)外高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外先進(jìn)的高速輪軌交通系統(tǒng)，很多都正在或?qū)⒁l(fā)展高速列車無線通信系統(tǒng)，在提供列車控制列車調(diào)度業(yè)務(wù)承載以外，還向旅客提供必要的通信和互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。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(dòng)通信系統(tǒng)分別有德國(guó) ICE（Inter City Express）和德律風(fēng)根、法國(guó) TGV（Train a Grande Vitesse）和 Thalys以及日本新干線（Shinkansen）上所采用的相應(yīng)技術(shù)。

安德魯（Andrew）公司為德國(guó) ICE 城際快車提供了一種獨(dú)特的無線接入解決方案，其中的核心技術(shù)就是車載直放站。車載直放站可以放大從附近網(wǎng)絡(luò)接收到的信號(hào)，降低信號(hào)由于列車金屬外殼造成的衰減，提高無線接入的質(zhì)量。德國(guó)德律風(fēng)根專用無線通信系統(tǒng)使用私有協(xié)議技術(shù)，目前沒有太多關(guān)于該技術(shù)的細(xì)節(jié)。法國(guó) TGV衛(wèi)星接入方案采用了一種基于雙向衛(wèi)星系統(tǒng)的無線接入技術(shù)：車載接入由衛(wèi)星和覆蓋了隧道及車站的地面 WiFi中繼器共同實(shí)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星不能覆蓋到列車時(shí)，WiFi網(wǎng)絡(luò)將接管無線接入，使上傳和下載數(shù)據(jù)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(yīng)用了同軸泄漏電纜技術(shù)，把同軸泄漏電纜安裝在軌道沿線上，WiFi系統(tǒng)為列車旅客信息系統(tǒng)（Passenger Information System, PIS）提供傳輸通道，WiMax系統(tǒng)則為旅客互聯(lián)網(wǎng)接入提供傳輸通道[1,2]。

主流的 GSM-R由歐洲國(guó)家發(fā)起，最初部署于德國(guó)、意大利、荷蘭、挪威、瑞典等國(guó)，現(xiàn)主要部署于歐洲各國(guó)以及亞洲的中國(guó)和印度。

1.2 中國(guó)高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)現(xiàn)狀

大陸 GSM-R建設(shè)初期最具代表性的是青藏線（高原）、大秦線（重載）、膠濟(jì)線，之后又建立武廣、鄭西、京滬、滬寧、滬杭、哈大等客運(yùn)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(tǒng)主要應(yīng)用于朔黃重載鐵路，即用于承載列車機(jī)車同步操控?cái)?shù)據(jù)等列車控制業(yè)務(wù)傳輸。

臺(tái)灣臺(tái)北到高雄的高速鐵路選擇 WiMax系統(tǒng)建立旅客車地蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)，但考慮到該標(biāo)準(zhǔn)越來越非主流，產(chǎn)業(yè)鏈正在消失，臺(tái)灣有關(guān)部門目前正在考慮用LTE系統(tǒng)取代WiMax系統(tǒng)。現(xiàn)在看來，或許選擇基于 WiMax系統(tǒng)的高速鐵路移動(dòng)通信方案是一次有益的嘗試，也可能是一次可吸取的教訓(xùn) 非主流技術(shù)具有較大的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。

表1是各國(guó)或地區(qū)高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)詳細(xì)對(duì)比情況。

2 GSM-R技術(shù)的近期演進(jìn)路線

2.1 GSM-R技術(shù)的成熟度及歷史使命

毋庸置疑，GSM-R有其不可否認(rèn)的、劃時(shí)代的意義和作用，通過將成熟的、長(zhǎng)期商用的、且標(biāo)準(zhǔn)化的 GSM 技術(shù)引入鐵路系統(tǒng)，提高了鐵路運(yùn)營(yíng)管理效率，并節(jié)省了建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本[3]。其對(duì)漫游的支持（如切換功能）可以對(duì)列車在整個(gè)運(yùn)行過程中進(jìn)行自動(dòng)控制，使鐵路系統(tǒng)使用統(tǒng)一的語音、數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)成為可能。

但 GSM-R畢竟是基于上世紀(jì)八九十年代的技術(shù)，時(shí)至今日，無線通信已取得革命性的進(jìn)展和突破，GSM-R的各種缺點(diǎn)及瓶頸不可避免地暴露出來，其窄帶特性只能滿足現(xiàn)有低數(shù)據(jù)速率的列車控制列車調(diào)度業(yè)務(wù)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(diào)度、視頻監(jiān)控和運(yùn)營(yíng)管理等高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)以及旅客寬帶接入服務(wù)的需求。所面臨的來自運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)干擾等問題也阻礙了 GSM-R的應(yīng)用。值得一提的是，與之相符的GSM/GPRS技術(shù)目前已漸漸淡出公眾移動(dòng)通信市場(chǎng)。

為此，國(guó)際鐵聯(lián)（International Union of Railways, 或Union Internationale des Chemins de fer, UIC）根據(jù)GSM-R技術(shù)的生命周期，開始考慮和部署GSM-R未來5～10年的演進(jìn)戰(zhàn)略。GSM-R廠商也可能在2025年左右停止對(duì)GSM-R設(shè)備的升級(jí)與維護(hù)，屆時(shí)設(shè)備供應(yīng)鏈將中斷。此外，根據(jù)通信設(shè)備15年大修周期，現(xiàn)有在用的GSM-R設(shè)備到2024年前后將面臨演進(jìn)或換代問題。

2.2 GSM-R技術(shù)近期演進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

除列車控制列車調(diào)度業(yè)務(wù)外，高速鐵路未來業(yè)務(wù)將以智能化調(diào)度、視頻監(jiān)控和運(yùn)營(yíng)管理等高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)以及旅客寬帶接入服務(wù)為主[5]，若信息安全問題得以有效解決，高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)終將接納旅客寬帶業(yè)務(wù)，結(jié)束列車控制列車調(diào)度業(yè)務(wù)與旅客寬帶接入業(yè)務(wù)物理上獨(dú)立傳輸?shù)木置妗Ｒ灾袊?guó)高速鐵路CRH3型動(dòng)車為例，保守估計(jì)，在16節(jié)編組時(shí)，整列車旅客定員數(shù)為1114人，若每位旅客吞吐率為600 kpbs（上下行1:5），移動(dòng)用戶滲透率70%，LTE終端滲透率80%，激活比例70%，使用業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)需求上就可以看出現(xiàn)有的高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)已無法支撐高速鐵路移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。因此，必須要進(jìn)行技術(shù)演進(jìn)。面對(duì)鐵路業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，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(yè)均立項(xiàng)支持開展了GSM-R演進(jìn)問題的前期研究工作，目前業(yè)界已達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為鐵路下一代無線通信的演進(jìn)將選擇LTE。為此，我們需要按照近期2025年、遠(yuǎn)期2035年的規(guī)劃，來規(guī)劃鐵路下一代無線通信。

表1 各國(guó)或地區(qū)高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)主要性能對(duì)比

一般認(rèn)為，GSM-R技術(shù)近期演進(jìn)路線分為兩個(gè)階段進(jìn)行。初期GSM-R與LTE-R系統(tǒng)并存，前者負(fù)責(zé)列車控制等安全相關(guān)業(yè)務(wù)傳輸，后者負(fù)責(zé)視頻監(jiān)控等非安全業(yè)務(wù)及旅客寬帶接入服務(wù)等數(shù)據(jù)傳輸。后期將更多的業(yè)務(wù)由LTE-R網(wǎng)絡(luò)承載，并最終全部切換至LTE-R網(wǎng)絡(luò)。

在GSM-R演進(jìn)至LTE-R過程中，我們認(rèn)為有以下關(guān)鍵技術(shù)問題需要深入研究：

（1）高速鐵路無線傳播信道建模。對(duì)無線信道進(jìn)行準(zhǔn)確認(rèn)知是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[6]，高速鐵路運(yùn)行線路經(jīng)過城市、郊區(qū)、農(nóng)村、山區(qū)等地域，其間經(jīng)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(kuò)展以及快時(shí)變特性[8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究適合高速移動(dòng)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(xiàn)[13]分析了900 MHz頻段電波在山區(qū)長(zhǎng)直隧道、隧道群和彎曲隧道中的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)，并參考經(jīng)驗(yàn)公式，得出900 MHz頻段電波在不同類型隧道中傳播特性參數(shù)。但研究的頻段主要是目前2G和3G系統(tǒng)使用的頻段，地形地貌主要限于高架橋和U型槽，移動(dòng)臺(tái)主要是車內(nèi)的測(cè)試設(shè)備，結(jié)果具有一定的局限性，因此，需要針對(duì)LTE頻段、各種地形地貌和更具典型性的移動(dòng)終端設(shè)備或車載中繼設(shè)備進(jìn)行研究。

（2）信道估計(jì)與建模、多普勒頻移估計(jì)與補(bǔ)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(shí)延擴(kuò)展及多普勒頻移擴(kuò)展等多個(gè)參數(shù)刻畫。這些參數(shù)主要與周圍的傳播環(huán)境及移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度有關(guān)。高速列車行駛里程長(zhǎng)，行駛過程中會(huì)經(jīng)歷城市、郊區(qū)、隧道、森林等多種環(huán)境，在不同的環(huán)境下其無線信道的傳播特性表現(xiàn)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(shù)的估計(jì)與真實(shí)值之間相差甚遠(yuǎn)。對(duì)LTE MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)而言，良好的信道、多普勒頻移估計(jì)是獲得空間分集和復(fù)用分集的重要前提。對(duì)快時(shí)變信道，主要使用基擴(kuò)展模型（Basis Expansion Model, BEM）進(jìn)行建模[13]，并主要使用非盲估計(jì)（基于導(dǎo)頻）[14]的方法進(jìn)行信道估計(jì)。因此，需要針對(duì)高速鐵路特殊環(huán)境，研究相關(guān)信道估計(jì)問題，特別是研究移動(dòng)性先驗(yàn)信息在信道估計(jì)中的可利用性。

（3）信道狀態(tài)信息（Channel State Information,CSI）反饋技術(shù)。通常，MIMO系統(tǒng)中，容量提升、預(yù)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(chǎng)景中，信道的快時(shí)變特性使得信道反饋誤差和延遲所造成的影響更為嚴(yán)重?，F(xiàn)有有限反饋機(jī)制主要基于預(yù)編碼矩陣和隨機(jī)波束賦形等[15,16]。因此，需要研究高速鐵路場(chǎng)景中的CSI反饋或有限反饋機(jī)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(dòng)性管理。移動(dòng)性管理包括空閑狀態(tài)下的位置更新和連接狀態(tài)下的切換[18]。高速鐵路場(chǎng)景中，研究主要集中在切換方面，有關(guān)研究問題和建議參見3.1節(jié)。

（5）干擾抑制和抗干擾技術(shù)。高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)既面臨信道快時(shí)變所導(dǎo)致的子載波間干擾（Inter-Carrier Interference, ICI）[19]，又面臨與運(yùn)營(yíng)商所部署網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間干擾[20]。對(duì)于ICI，現(xiàn)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(shí)變信道估計(jì)等方面。對(duì)網(wǎng)間干擾問題，現(xiàn)有研究極少，有必要開展相關(guān)研究。

（6）多天線和智能天線技術(shù)。為了滿足鐵路高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)和旅客寬帶接入服務(wù)需求，高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)需要像公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)一樣使用多天線和智能天線技術(shù)。目前，在高速鐵路場(chǎng)景中，對(duì)多天線和智能天線技術(shù)的研究和應(yīng)用獲得了一定進(jìn)展[2125]-，但仍需深入研究高速鐵路環(huán)境下克服信道估計(jì)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(jī)制。高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)所承載的列車控制列車調(diào)度業(yè)務(wù)與鐵路運(yùn)輸安全息息相關(guān)。在GSM-R系統(tǒng)中，使用電路交換進(jìn)行承載，列車控制業(yè)務(wù)獨(dú)占信道，可以保證永久在線[26]。但典型LTE系統(tǒng)僅支持分組域，無法像 GSM-R系統(tǒng)一樣為列車控制列車調(diào)度業(yè)務(wù)提供電路域交換方式。因此，需要研究LTE系統(tǒng)在用于保障安全相關(guān)業(yè)務(wù)時(shí)的端到端QoS保證機(jī)制。在此之前，需要對(duì)鐵路業(yè)務(wù)在分組交換傳輸方式下的需求進(jìn)行重新定義[27]。

3 高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)未來演進(jìn)路線

基于前瞻性基礎(chǔ)研究的需求，我們?cè)陂_展LTE-R關(guān)鍵技術(shù)研究甚至實(shí)施產(chǎn)業(yè)化建設(shè)的同時(shí)，必須開始布局 LTE-R之后未來高速鐵路移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)的研究，或基于 5G技術(shù)的高速鐵路移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)的研究。我們認(rèn)為，除基于公眾移動(dòng)通信的共性技術(shù)外，由于高速鐵路系統(tǒng)本身的特殊性，有以下一些特殊問題和潛在技術(shù)需要研究：

3.1 基于5G的鐵路移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 基于5G的高速鐵路無線信道建模 高速鐵路運(yùn)行環(huán)境通常散射環(huán)境簡(jiǎn)單，多徑數(shù)量較少，LOS特性明顯。圖1（其中原點(diǎn)對(duì)應(yīng)基站；整個(gè)過程被分為5個(gè)區(qū)域，分別為RA（Remote Area）, TA（Toward Area）, CA（Close Area）, CEA（Closer Area）及AA（Arrival Area））和文獻(xiàn)[28-31]表明，高速鐵路環(huán)境信道的多徑數(shù)量與列車的位置有關(guān)，在距離基站較近的AA區(qū)與較遠(yuǎn)的RA區(qū)，多徑數(shù)量較少，其他如TA, CA與CEA區(qū)域的多徑數(shù)量相對(duì)較多。不過，相比公網(wǎng)，該場(chǎng)景仍然屬于多徑數(shù)量較少的場(chǎng)景。顯著的LOS特性意味著更小的多徑時(shí)延擴(kuò)展或者更寬的相干帶寬，也就意味著更優(yōu)的通信環(huán)境。盡管快速移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致更大的多普勒頻移，顯著的LOS特性還可以緩解多普勒擴(kuò)展問題，更易于多普勒頻移的跟蹤與補(bǔ)償。然而，信道的LOS特性對(duì)于一些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也存在負(fù)面影響，如MIMO技術(shù)，其依靠豐富的多徑環(huán)境，需要利用信道非相干來實(shí)現(xiàn)空間資源的復(fù)用。而 LOS場(chǎng)景無法滿足上述要求，因此，需要依靠其他技術(shù)來克服信道的非相干性，獲得良好的MIMO增益。隨著5G移動(dòng)通信系統(tǒng)向毫米波頻段的擴(kuò)展，高速鐵路環(huán)境的信道多徑數(shù)量將更加稀少，LOS特性將更加明顯，因此，面對(duì)這樣的新問題，就需要深入分析和研究與該頻段相適應(yīng)的新的信道特性，特別是大規(guī)模MIMO情況下的天線陣設(shè)計(jì)問題、波束賦形問題等，針對(duì)這些特性，研究高速鐵路環(huán)境下的自適應(yīng)技術(shù)。

3.1.2 基于分布式網(wǎng)絡(luò)和云的架構(gòu)目前網(wǎng)絡(luò)中基站的實(shí)際資源使用效率很低，存在“潮汐效應(yīng)”，即資源的使用情況與基站的位置及時(shí)間段有關(guān)。在高速鐵路場(chǎng)景中，“潮汐效應(yīng)”更加明顯。為了保障運(yùn)輸安全，列車間存在發(fā)車時(shí)間間隔，同一路線上同一時(shí)刻運(yùn)行的列車數(shù)很少，線路上大部分的基站都處于空閑狀態(tài)，導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)。

圖1 高速鐵路場(chǎng)景下的多徑數(shù)量[28]

云無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(gè)基帶處理池中，對(duì)這些資源實(shí)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(jù)當(dāng)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

盡管在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?，云架?gòu)與傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，都是通過光纖拉遠(yuǎn)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基帶處理單元同時(shí)控制多個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元。不過，與傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)不同，在云架構(gòu)中射頻拉遠(yuǎn)單元與基帶處理單元之間并不存在固定的連接關(guān)系。每個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元不再屬于任何一個(gè)基帶處理單元實(shí)體，其發(fā)送或接收信號(hào)的處理都是在一個(gè)虛擬的基帶處理單元中完成，而這個(gè)虛擬基帶處理單元的處理能力是由實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)分配基帶處理池中的部分處理器構(gòu)成的。因此，對(duì)比傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用了實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)的云架構(gòu)，特別是高速鐵路帶狀分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完全可以實(shí)現(xiàn)真正的物理資源使用全局最優(yōu)化。

3.1.3 用戶面/控制面分離技術(shù) 擴(kuò)大容量最直接、有效的方法是開發(fā)擁有更寬連續(xù)頻譜的高頻頻段來延展高速鐵路無線通信系統(tǒng)的帶寬。然而高頻頻段的路徑損耗大、覆蓋范圍小，對(duì)高速鐵路場(chǎng)景，還意味著更加頻繁的越區(qū)切換。為了在擴(kuò)大系統(tǒng)容量的同時(shí)，兼顧移動(dòng)性，學(xué)者們提出了一種基于控制面/用戶面分離的異構(gòu)高速鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示[3335]-。通常，在服務(wù)基站與接入用戶間存在兩個(gè)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(wǎng)絡(luò)間的控制信令（如隨機(jī)接入過程信令、切換信令等），用戶面則負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。若控制面的移動(dòng)性得到保證，即控制面的覆蓋范圍足夠滿足用戶的移動(dòng)性，不需要頻繁的切換甚至重新接入，那么用戶整體的移動(dòng)性能便得到了保障?；诖?，在該架構(gòu)中，用戶的控制面被保留在傳輸性能較優(yōu)、信號(hào)覆蓋范圍較大的低頻頻段?？紤]到建設(shè)成本，這一頻段可以使用GSM-R或LTE-R的遺留頻段。相應(yīng)地，真正的數(shù)據(jù)承載者用戶面則被搬移到具有更寬頻譜的高頻頻段來擴(kuò)大系統(tǒng)容量。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，中斷概率通常由傳輸可靠性指標(biāo)來衡量[36]。然而，在該架構(gòu)中，其控制面與用戶面被分離到了不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并且，控制面對(duì)整體傳輸可靠性影響高于用戶面，因而在該架構(gòu)中，控制面被保留在了低頻頻段。因此，傳統(tǒng)的中斷概率已不適用于該架構(gòu)，需要提出新的指標(biāo)，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(gòu)高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)

其中 SERU和 thU分別表示用戶面誤符號(hào)率及基于誤符號(hào)率的中斷門限；SERC和thC表示控制面的誤符號(hào)率及基于誤符號(hào)率的中斷門限。URF表示當(dāng)控制面的誤符號(hào)率高于某個(gè)門限值時(shí)整個(gè)通信是中斷的，即URF=1。反之，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸性能則取決于用戶面的中斷概率。當(dāng)控制面的誤符號(hào)率較高時(shí)，即使用戶面的數(shù)據(jù)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(biāo)區(qū)分了控制面與用戶面，并突出了控制面對(duì)整體傳輸可靠性的影響，更加適合高速鐵路業(yè)務(wù)的傳輸需求。

除上述的分離架構(gòu)外，還可以通過其他方式實(shí)現(xiàn)高頻頻段的融合，如在完全不改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)部署的前提下，增建大發(fā)射功率的高頻基站，彌補(bǔ)路徑損耗嚴(yán)重這一缺陷，為覆蓋范圍內(nèi)的原有基站分流業(yè)務(wù)，增強(qiáng)系統(tǒng)容量，還可以實(shí)現(xiàn)無線回傳，解決因網(wǎng)絡(luò)不斷走向密集化帶來的有線回傳布網(wǎng)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(shí)，充分挖掘高頻頻段的應(yīng)有優(yōu)勢(shì)[37]，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。

圖4 異構(gòu)網(wǎng)頻譜融合原理圖

3.1.4 頻譜融合的異構(gòu)網(wǎng)技術(shù) 提高系統(tǒng)容量的方法主要有3種：擴(kuò)大系統(tǒng)帶寬、增加頻譜效率和增加網(wǎng)絡(luò)密度[38]，其中最直接有效的方式就是增加系統(tǒng)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(guó)家相關(guān)部門授權(quán)，所以很難獲得更多的許可證頻段，或者需要付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。所以，合理有效地利用非許可證頻段是 5G鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)增加系統(tǒng)帶寬和提高系統(tǒng)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(yuǎn)，傳輸特性相差較大，所以需要針對(duì)非許可證頻段設(shè)計(jì)與許可證頻段不同的無線傳輸技術(shù)，即頻譜融合技術(shù)。為了使頻譜融合技術(shù)在高鐵場(chǎng)景中具有可實(shí)現(xiàn)性，需要解決非許可證頻段不穩(wěn)定、非許可證與許可證頻段傳輸特性相差較大和干擾協(xié)調(diào)3個(gè)主要問題。頻譜融合的主要原理如圖4所示，系統(tǒng)根據(jù)非許可證頻段上信道質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，對(duì)該頻段進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制與編碼、頻率選擇性調(diào)度、功率控制等鏈路自適應(yīng)技術(shù)，并通過許可證帶寬傳輸相應(yīng)的控制信令。而由于非許可證頻段的不穩(wěn)定性，該帶寬只能用來傳輸對(duì)可靠性和信道穩(wěn)定性要求較低以及對(duì)延遲不敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

作為該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的最大挑戰(zhàn)，干擾協(xié)調(diào)方案可以分為兩部分進(jìn)行。首先在接收端進(jìn)行非許可證頻段信道質(zhì)量檢測(cè)，篩選出可以滿足系統(tǒng)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(zhì)量的度量，該過程可以表示為

其中，SINRij表示下行中 UEi檢測(cè)得到的非許可證頻段信道j的SINR，或上行中eNB檢測(cè)來自UEi的關(guān)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(tǒng)基本可靠性需求傳輸?shù)淖畹蚐INR值。該過程為初步的干擾協(xié)調(diào)，進(jìn)一步的干擾協(xié)調(diào)需要通過系統(tǒng)在非許可證頻段信道上進(jìn)行的資源調(diào)度以及功率控制來實(shí)現(xiàn)。

3.1.5 多天線和分布式天線技術(shù) 現(xiàn)有多天線技術(shù)主要有MIMO、波束賦形及分布式天線等。MIMO技術(shù)通過利用信道非相干性實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，繼而提高系統(tǒng)容量。然而，高鐵無線信道基本為L(zhǎng)OS信道，不利于MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[39]，因此需要采取一些技術(shù)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(tái)的天線陣列組數(shù)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行合并，通過調(diào)整多組多天線陣列間的權(quán)重，改變多個(gè)陣列矩陣間的相干性，從而在LOS高速鐵路環(huán)境下得到容量的提升[22]。

波束賦形技術(shù)通過智能調(diào)整陣列天線各個(gè)陣元的幅度及相位，形成定向波束，將目標(biāo)信號(hào)集中在基站與用戶之間的方向，實(shí)現(xiàn)能量的匯聚，同時(shí)降低因能量擴(kuò)散而對(duì)周圍用戶造成的干擾[40,41]，該技術(shù)尤其適用于具有LOS特性的信道，可以將其應(yīng)用到LOS高速鐵路場(chǎng)景來集中信號(hào)能量，增強(qiáng)接收信噪比，提高傳輸可靠性。在文獻(xiàn)[42]中，波束賦形技術(shù)還被用于解決高速鐵路場(chǎng)景中因切換觸發(fā)滯后而導(dǎo)致的切換失敗問題。

高速鐵路場(chǎng)景中面臨的巨大挑戰(zhàn)之一就是頻繁的越區(qū)切換。為了降低切換次數(shù)，可以采用分布式天線技術(shù)，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(gè)中央控制器控制下的天線單元組成一個(gè)邏輯小區(qū)[43]。當(dāng)列車在這個(gè)覆蓋范圍較大的邏輯小區(qū)中運(yùn)行時(shí)都不會(huì)發(fā)生切換，從而減少切換次數(shù)，降低通信中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.6 多普勒效應(yīng)和快速切換技術(shù) 高速鐵路場(chǎng)景中，高速列車的運(yùn)動(dòng)速度要遠(yuǎn)高于一般移動(dòng)臺(tái)速度，故它的多普勒頻移與擴(kuò)展現(xiàn)象更加嚴(yán)重。多普勒頻移fd可以看作一種非人為的頻率調(diào)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(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度，θ為入射角，λ為電磁波波長(zhǎng)。多普勒擴(kuò)展表示多普勒效應(yīng)造成的頻移范圍，接收端接收到有用信號(hào)的多普勒擴(kuò)展范圍為fc- fmax到fc+ fmax。高速鐵路場(chǎng)景中，另一個(gè)嚴(yán)重的問題是列車通過基站時(shí)最大多普勒頻移從+ fmax到-fmax的正負(fù)跳變，如圖5所示。突然的多普勒頻移正負(fù)跳變會(huì)造成接收端無法進(jìn)行準(zhǔn)確的頻移補(bǔ)償或者鎖相環(huán)需要較長(zhǎng)時(shí)間去進(jìn)行頻移估計(jì)而帶來嚴(yán)重的延遲。

高速鐵路場(chǎng)景中，切換問題是其面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)，主要是因?yàn)楦咚僖鸬念l繁切換、群切換以及硬切換將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷[44]。為了解決上述問題，高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該采用切換過程中通信中斷時(shí)長(zhǎng)較短、甚至是沒有中斷時(shí)長(zhǎng)的快速切換或者無縫切換技術(shù)，同時(shí)該類技術(shù)還能有效解決群切換問題。現(xiàn)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?cè)韴D

3.1.7 其他移動(dòng)通信技術(shù) 近年來，也有學(xué)者提出利用高速鐵路接觸網(wǎng)電力線承載的高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)。利用電力傳輸線進(jìn)行電力載波通信的技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有較好的應(yīng)用，借助此概念和泄漏電纜傳輸技術(shù)的啟發(fā)，有學(xué)者也提出利用高速鐵路接觸網(wǎng)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(yīng)”，借助接觸網(wǎng)作為天線，就如同泄漏電纜一樣，將基站信號(hào)覆蓋整個(gè)鐵路沿線。由基站產(chǎn)生的寬帶信號(hào)通過耦合器饋入到電力電纜，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地配置發(fā)射功率，使得在覆蓋距離較遠(yuǎn)的條件下，產(chǎn)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(shí)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(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，但關(guān)鍵技術(shù)尚未得到完全驗(yàn)證。

3.2 高速鐵路旅客無線網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，也使旅客在車站和車上享受和家里以及商務(wù)辦公環(huán)境下的寬帶接入服務(wù)成為可能。車內(nèi)旅客直接與路邊蜂窩基站建立連接是最為簡(jiǎn)單的接入方式，對(duì)基站和用戶終端軟硬件升級(jí)配置要求較少。但是，普通旅客的終端設(shè)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(fēng)暴等問題，導(dǎo)致終端掉話率較大[47]。隨著公網(wǎng)和無線局域網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)，列車旅客無線通信系統(tǒng)也要考慮前瞻性和先進(jìn)性，需要重新建立高速鐵路場(chǎng)景下車地間寬帶數(shù)據(jù)接入無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路。在列車內(nèi)引入車載飛小區(qū)系統(tǒng)（Femto系統(tǒng)）、WiFi等車內(nèi)接入系統(tǒng)為上述問題提供了很好的解決方案[48]。車內(nèi)旅客首先接入該車內(nèi)系統(tǒng)，然后通過特定的寬帶車地?zé)o線通道將匯聚的旅客業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到路邊的3G/4G/5G系統(tǒng)基站。

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

該系統(tǒng)可具有如下技術(shù)和功能特點(diǎn)：

（1）通過無線車頂匯聚設(shè)備將移動(dòng)、聯(lián)通、電信等多家電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的帶寬聚合，提供一到多個(gè)外網(wǎng)連接出口，改善和彌補(bǔ)運(yùn)營(yíng)商不同網(wǎng)絡(luò)性能之間的差異，成倍增加旅客上網(wǎng)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(nèi)建設(shè)基于802.11的車廂無線局域網(wǎng)，俗稱車廂 WiFi，一般車廂覆蓋采用 802.11g/n/ac標(biāo)準(zhǔn)，車廂之間的連接采用不同頻率或信道的 802.11 a/n/ac標(biāo)準(zhǔn)。通過車內(nèi)內(nèi)置海量?jī)?nèi)容服務(wù)器吸引消化車內(nèi)旅客免費(fèi)WiFi寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)，通過與互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商的協(xié)作，在沒有地面信號(hào)覆蓋或地面信號(hào)覆蓋較差的區(qū)段提供離線的車內(nèi)免費(fèi) WiFi網(wǎng)絡(luò)多媒體內(nèi)容，如電影、小說、游戲、應(yīng)用下載等，同時(shí)提供新型的廣告和電子商務(wù)，為旅客改善服務(wù)體驗(yàn)，同時(shí)給客運(yùn)管理部門帶來新的經(jīng)濟(jì)收入機(jī)會(huì)。

（3）通過給車站和車上提供全程WiFi服務(wù)，提高高速鐵路對(duì)飛機(jī)、長(zhǎng)途汽車等交通方式的競(jìng)爭(zhēng)能力。

（4）為了保持車內(nèi)用戶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)公網(wǎng)的持續(xù)和兼容接入能力，也可以通過車廂局域網(wǎng)連接具有標(biāo)準(zhǔn)3G/4G/5G空口特征的Femto基站設(shè)備。

基于上述功能需求，尚有一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)需要解決，包括基于下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)的車廂用戶接入、車輛無線連接、大容量并發(fā)用戶信令風(fēng)暴、車輛連接設(shè)備與車廂接入設(shè)備之間的干擾協(xié)調(diào)等等。

4 結(jié)束語

高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)車地間無線通信系統(tǒng)提出了更高的要求，目前的窄帶 GSM-R系統(tǒng)將漸漸淡出歷史舞臺(tái)，高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)即將走向LTE-R。在設(shè)計(jì)LTE-R時(shí)，一方面，為了提高列車的操作安全，需考慮安裝視頻監(jiān)控等設(shè)備，對(duì)行駛的列車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另一方面，也需要考慮旅客移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。而這些業(yè)務(wù)需求從長(zhǎng)期來看，很快又會(huì)對(duì)LTE-R系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)。慶幸的是，我們可以借鑒公網(wǎng)5G系統(tǒng)向高頻頻段延展帶寬的思路，依此布局高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)路線。基于此，本文不僅分析了近期演進(jìn)目標(biāo)LTE-R中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，還展望了 LTE-R之后基于5G的高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，分析了高速鐵路運(yùn)行環(huán)境的信道建模、高速鐵路場(chǎng)景下基于頻譜融合的用戶面/控制面分離網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及頻譜融合的異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)。為了提高高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，本文還分析了多天線和分布式天線技術(shù)、快速切換技術(shù)及車內(nèi)無線接入系統(tǒng)。

圖6 基于WiFi的列車旅客無線通信系統(tǒng)方案

以往的高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)大部分是將公網(wǎng)制式搬移到高速鐵路場(chǎng)景，然后增加一些高速鐵路特色業(yè)務(wù)。實(shí)際上，無論是通信環(huán)境、無線信道特性，或者是用戶分布、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，高速鐵路場(chǎng)景與公網(wǎng)場(chǎng)景間都存在很大的不同。在高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)中，我們需要充分考慮這些差異性，在保證與公網(wǎng)兼容的情況下，有針對(duì)性地深入研究適用于高速鐵路場(chǎng)景的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高可靠、大容量高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)?；谏鲜龇治龊脱芯?，我們對(duì)未來高速鐵路移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)的研究有以下建議（包括但不限于）：

（1）對(duì)于高速鐵路移動(dòng)通信環(huán)境的信道建模，結(jié)合未來移動(dòng)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(guī)模MIMO在LOS環(huán)境或稀疏經(jīng)環(huán)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(gòu)和協(xié)議等多層面深入研究高速鐵路異構(gòu)多層網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，使系統(tǒng)容量達(dá)到若干數(shù)量級(jí)的提升，其中包括分布式多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、用戶面/控制面分離網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、非連續(xù)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(diào)度、基于移動(dòng)性預(yù)測(cè)的無縫切換控制與管理、層間和層內(nèi)干擾協(xié)調(diào)控制等。

（3）深入開展基于大規(guī)模天線陣的道旁基站和車載移動(dòng)臺(tái)的研究，從MIMO角度使系統(tǒng)容量再提升若干數(shù)量級(jí)，其中包括自適應(yīng)最佳天線數(shù)選擇、最佳波束設(shè)計(jì)、基于移動(dòng)性預(yù)測(cè)的波束跟蹤和波束切換方案等。

總之，在引領(lǐng)世界高速鐵路技術(shù)的同時(shí)，我們要從國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，及時(shí)布局未來5～10年高速鐵路寬帶移動(dòng)通信的前瞻性技術(shù)研究，應(yīng)對(duì)寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸性能、可靠性和安全性等方面的諸多挑戰(zhàn)，尤其是結(jié)合高速移動(dòng)場(chǎng)景的寬帶移動(dòng)通信的空口傳輸體制、高速移動(dòng)下抗干擾與干擾協(xié)調(diào)、高速移動(dòng)下高可靠信息傳輸技術(shù)，以及下一代高速鐵路車載無線接入技術(shù)，確立和有效解決其中的科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)問題，推動(dòng)高速鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，這無疑對(duì)于保持我國(guó)高速鐵路成套技術(shù)的領(lǐng)先地位具有非常重要的意義。

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