吳 軻

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高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展

吳 軻

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在逐漸進(jìn)步，國(guó)家對(duì)于高速鐵路的重視程度也越來(lái)越高。高速鐵路自從其誕生之時(shí)就伴隨著車(chē)地移動(dòng)通信的承載需求，其中一部分業(yè)務(wù)承載需求來(lái)源于高速列車(chē)的列車(chē)控制與列車(chē)調(diào)度，這是高速列車(chē)不可或缺的重要組成部分，而另一部分業(yè)務(wù)則來(lái)源于車(chē)上的旅客，這是滿(mǎn)足旅客服務(wù)質(zhì)量需求的重要標(biāo)志之一。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，上網(wǎng)需求已經(jīng)成為人們生活的重要組成部分?；诖?，主要從高速鐵路的移動(dòng)通信系統(tǒng)入手，研究其關(guān)鍵技術(shù)的演變和發(fā)展，再?gòu)母咚勹F路移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展角度出發(fā)，分析了通信系統(tǒng)當(dāng)中最關(guān)鍵的技術(shù)GSM-R，并憑借著對(duì)該技術(shù)的深入了解，從而進(jìn)一步闡述了高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展歷程。期待通過(guò)研究和探討，高速鐵路的相關(guān)部門(mén)可以在通信技術(shù)作進(jìn)一步的發(fā)展和延伸。

高速鐵路；移動(dòng)通信系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)；演進(jìn)與發(fā)展

移動(dòng)通信的發(fā)展成為高速鐵路的工作內(nèi)容之一。高速鐵路的整體運(yùn)營(yíng)需要有移動(dòng)通信系統(tǒng)的鼎力支持，才能不斷提高高速鐵路的服務(wù)質(zhì)量。而通過(guò)利用移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)增加高速鐵路的服務(wù)質(zhì)量，成為高速鐵路工作的重點(diǎn)。

1 高速鐵路移動(dòng)通信發(fā)展現(xiàn)狀

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

國(guó)際高速鐵路移動(dòng)通信發(fā)展比國(guó)內(nèi)較早，具有先進(jìn)性。國(guó)外先進(jìn)的高速輪軌交通系統(tǒng)，很多地方都正在或即將發(fā)展高速列車(chē)無(wú)線通信系統(tǒng)，在提供列車(chē)控制列車(chē)調(diào)度業(yè)務(wù)承載以外，還能向旅客提供必要的通信服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。比如，國(guó)際高速鐵路不僅能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)通信控制列車(chē)運(yùn)營(yíng)之外，還已經(jīng)具備了面向旅客的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能，充分實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)連接。還有很多國(guó)家可以通過(guò)利用周?chē)h(huán)境中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持列車(chē)使用，在執(zhí)行的過(guò)程中，利用科學(xué)技術(shù)手段減少環(huán)境中的信號(hào)磨損，從而形成完善的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。一旦沒(méi)有良好的無(wú)線環(huán)境支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，還可以提高使用衛(wèi)星覆蓋技術(shù)來(lái)執(zhí)行。當(dāng)衛(wèi)星技術(shù)可以協(xié)助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋之后，就可以充分滿(mǎn)足旅客與列車(chē)的各種需求，保證數(shù)據(jù)的全面性和傳遞的完整性。當(dāng)下，日本通過(guò)使用泄露方式的電纜網(wǎng)絡(luò)傳遞將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行良好的覆蓋，從而充分做到列車(chē)運(yùn)營(yíng)順暢的交流工作。[1]

1.2 我國(guó)高速鐵路移動(dòng)通信發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)主要應(yīng)用在重載線路，因?yàn)橹剌d鐵路的路線需要有高端的技術(shù)支持，才能保證車(chē)地兩方順暢的溝通，從而提高運(yùn)行的安全性和便利性。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(zhuān)線，北同蒲線、云崗支線、遷曹線等重載線路。

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(chē)地蜂窩無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用處于一個(gè)比較非主流的地位，在使用的過(guò)程中又不斷出現(xiàn)應(yīng)用的弊端性，因此有極大的可能會(huì)被新的改革方式所取而代之。而新型的網(wǎng)絡(luò)支持提高使用新的移動(dòng)通訊技術(shù)，可以避免在未來(lái)的工作中出現(xiàn)落后的情況，減少因運(yùn)營(yíng)失誤帶來(lái)的危險(xiǎn)性。[2]

2 高速鐵路專(zhuān)用的移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展

2.1 專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展

高速鐵路的專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)是在當(dāng)代社會(huì)環(huán)境之下應(yīng)運(yùn)而生的，其中Global Systerm for Mobile Communications-Railway 作為專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用程序是毋庸置疑，GSM—R具有其不可否認(rèn)的劃時(shí)代的價(jià)值和作用，鐵路系統(tǒng)通過(guò)引入成熟的、長(zhǎng)期商用的、且標(biāo)準(zhǔn)化的GSM技術(shù)來(lái)提高了鐵路運(yùn)營(yíng)管理效率，并減少建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的成本，其對(duì)漫游的支持（如切換功能）可以自動(dòng)控制在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的列車(chē)，使鐵路系統(tǒng)使用統(tǒng)一的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)成為可能，可以供給高速鐵路長(zhǎng)久使用。專(zhuān)業(yè)的高速鐵路專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)是經(jīng)歷了長(zhǎng)期得檢驗(yàn)、測(cè)試和試用的。完善專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)，就是建立數(shù)據(jù)平臺(tái)的中流砥柱力量。[3]

但GSM—R畢竟是基于二十世紀(jì)八九十年代的技術(shù)進(jìn)行發(fā)展的，時(shí)至今日，無(wú)線通信已取得革命性的進(jìn)展和突破，GSM—R的各種缺點(diǎn)及問(wèn)題也是不可避免地暴露出來(lái)，GSM-R 已經(jīng)落后于當(dāng)下的發(fā)展環(huán)境和人們需求。將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持的通信理念不斷的拓展，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代科技的改革和創(chuàng)新，才能夠成功改善歷史遺留數(shù)據(jù)的狹隘狀況，將原本的低效率的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)工作進(jìn)行升級(jí)和轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳遞操作的重大目標(biāo)。列車(chē)在運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中的業(yè)務(wù)多樣性已經(jīng)不能被傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所滿(mǎn)足，因此進(jìn)行一系列智能操作的影像一體化職能推廣，才能夠進(jìn)一步促使旅客使用這項(xiàng)鏈接。推廣和執(zhí)行新的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信服務(wù)，終將完全取代傳統(tǒng)的GSM-R系統(tǒng)。

2.2 專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

Global Systerm for Mobile Communications- Railway 將列車(chē)的管理工作操控在良好的執(zhí)行狀態(tài)，保證高速鐵路工作正常、順暢地運(yùn)營(yíng)，確保工作內(nèi)容能夠完成影像及聲音效果的雙重監(jiān)督環(huán)境之中。關(guān)鍵技術(shù)的革新還能夠保證旅客應(yīng)用鏈接的融入，從而進(jìn)一步提升高速鐵路的服務(wù)質(zhì)量和水平。在高速鐵路的專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)之中，仍然存在一些問(wèn)題，就是考慮到信息傳遞的安全性和保密性，將列車(chē)與地面的聯(lián)絡(luò)工作進(jìn)行細(xì)致、準(zhǔn)確的分工，保證列車(chē)調(diào)度一直處于的工作良好狀態(tài)。由于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)很難維持列車(chē)調(diào)控工作的長(zhǎng)期順暢運(yùn)行，因此，提升專(zhuān)業(yè)技術(shù)應(yīng)用勢(shì)在必行的一項(xiàng)重大任務(wù)。綜合鐵路運(yùn)輸行業(yè)各部門(mén)的專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)和專(zhuān)業(yè)理論，規(guī)劃行業(yè)的未來(lái)，推動(dòng)網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)的改革和創(chuàng)新，提升高速鐵路的服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平，為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展奠定良好的社會(huì)根基。以下幾個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)需要被深入推展至高速鐵路專(zhuān)用移動(dòng)通訊系統(tǒng)。

2.2.1 要建立一個(gè)完善的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持平臺(tái)

這個(gè)平臺(tái)要擁有良好的信息傳遞渠道，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境的無(wú)差別傳遞和無(wú)差異對(duì)待。因?yàn)楦咚勹F路可能經(jīng)過(guò)的許多非常復(fù)雜道路環(huán)境雜，充斥著各種導(dǎo)致信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中斷或不良的因素，因此保證信號(hào)的穩(wěn)定和傳遞的順暢就成為最非常重要的工作內(nèi)容和工作要求。

2.2.2 高速鐵路無(wú)線傳播信道建模

對(duì)無(wú)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)。高速鐵路設(shè)置的線路經(jīng)過(guò)城市、郊區(qū)、農(nóng)村、山區(qū)等不同地域，其間還要經(jīng)過(guò)高架橋、開(kāi)闊平原、U型槽、隧道等地形地貌，并且高速鐵路無(wú)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。因此國(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都做了各種的工作和許多的嘗試。

2.2.3 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)下的高速鐵路場(chǎng)景切換，研究主要集中在切換方面的穩(wěn)定性和及時(shí)性。

2.2.4 干擾抑制和抗干擾技術(shù)

高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)面臨信道快時(shí)變所導(dǎo)致的子載波間干擾又面臨與運(yùn)營(yíng)商所部署網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間干擾。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。而對(duì)網(wǎng)間干擾得問(wèn)題，現(xiàn)有研究少之又少，因此有必要開(kāi)展相關(guān)研究。

2.2.5 多天線和智能天線技術(shù)

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)才能滿(mǎn)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。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)用已經(jīng)獲得了一定進(jìn)展，但仍需深入研究高速鐵路環(huán)境下如何克服信道估計(jì)誤差、處理CSI反饋延遲、提升多天線和智能天線性能的方法。

3 高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

除了對(duì)有的GSM-R 技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，筆者也要對(duì)國(guó)內(nèi)高速鐵路的未來(lái)發(fā)展深入的探討。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)可以從GSM-R 到LTE-R的技術(shù)演變?nèi)胧?，開(kāi)展對(duì)新型的符合國(guó)內(nèi)高速鐵路發(fā)展需求的技術(shù)研究。國(guó)家對(duì)于高速鐵路的無(wú)線信道建設(shè)上一定要重視其存在的環(huán)境。建立5G的無(wú)線信道建模要考慮環(huán)境信道的建設(shè)問(wèn)題。對(duì)于5G高速鐵路無(wú)線信道的建設(shè)來(lái)說(shuō)，由于受多徑數(shù)量與列車(chē)位置的雙向影響，更需要注意尋找多徑數(shù)量較少的場(chǎng)景，從而保證通信環(huán)境的優(yōu)化和提升，減少開(kāi)普勒頻移。

在建設(shè)信道時(shí)，LOS 特性的作用不僅可以幫助減少開(kāi)普勒頻移對(duì)信道的影響，還能夠推動(dòng)高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)的革新的基礎(chǔ)上，開(kāi)展對(duì)用戶(hù)面的分離技術(shù)革新，保證擴(kuò)大無(wú)線通信系統(tǒng)的頻率容量。為了減少對(duì)于越區(qū)的切換，研究者特別注意鐵路場(chǎng)景以及高頻覆蓋范圍，使研究中用戶(hù)面分離技術(shù)的控制更加得心應(yīng)手。國(guó)家還開(kāi)展了一系列對(duì)于分布式天線技術(shù)的研究，利用該技術(shù)的影響來(lái)確保越區(qū)的切換次數(shù)降低，減少列車(chē)在高速運(yùn)行的狀態(tài)下信號(hào)中斷現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

總而言之，在引領(lǐng)世界高速鐵路技術(shù)的同時(shí)，我們要從國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，及時(shí)布局未來(lái)5～10年高速鐵路寬帶移動(dòng)通信的前瞻性的技術(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帶來(lái)的挑戰(zhàn)和問(wèn)題，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(chē)載無(wú)線接入技術(shù)，確立和有效解決其中的科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)一步推動(dòng)高速鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，這無(wú)疑對(duì)于進(jìn)一步推進(jìn)和保持我國(guó)高速鐵路成套技術(shù)的領(lǐng)先地位具有非常重要而非凡的意義。

[1]李丹，莊宏成.高速鐵路4G及TD-LTE移動(dòng)通信關(guān)鍵問(wèn)題研究綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2015（5）：1297-1302.

[2]劉婷婷，方華麗.淺談4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展[J].科技信息，2016（9）：298.

[3]劉立海.國(guó)家GSM-R系統(tǒng)向鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的思考[J].中國(guó)鐵路，2016（5）：42-45.

The evolution of high-speed railway mobile communication system key technology and development

Wu Ke

Guangdong Telecom Planning & Design Institute Co.，Ltd.，Guangdong Guangzhou 510630

With the rapid development of economy，science and technology has also been gradually progress，national emphasis for high speed railway is becoming more and more high.High speed railway car since its birth occurs in load-bearing requirements of mobile communication，one part of business load demand from the high-speed train train control and train scheduling，it is an indispensable important part of high-speed trains，while another part of the business is derived from the passengers on the bus，which is one of the important marks for passenger service quality requirements.We are in the mobile Internet era，Internet has become an important part of people's life demand.This article mainly from the high-speed railway mobile communication system，this paper studies the evolution and development of key technologies，and then from the perspective of the development of high-speed railway mobile communication technology，the communication system are analyzed the key technology of GSM - R，and relying on the deep understanding of this technology，thus further expounds the future of the high-speed railway mobile communication technology development.To discuss，and through the author's research of high-speed railway departments can do further development and extension in communications.

high speed railway；Mobile；communication；system；The key technology；Evolution；and development

TN929.5

A

1009-6434（2016）11-0035-03