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

劉濤

摘 要：經(jīng)過多年的發(fā)展，高速鐵路移動通信技術(shù)在國內(nèi)外取得巨大的應(yīng)用進展，并形成了多種技術(shù)路線，其中以鐵路移動通信全球系統(tǒng)為主流。鐵路移動通信全球系統(tǒng)發(fā)端與20世紀(jì)八十年代，目前在技術(shù)上呈現(xiàn)一定的滯后性。因此，亟待在實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破的前提下，進行前瞻性的技術(shù)路線演進和產(chǎn)業(yè)性的布局工作，逐步用5G技術(shù)上的遠(yuǎn)程鐵路演進系統(tǒng)替代。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；移動通信系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)；演進；鐵路移動通信全球系統(tǒng)

1. 引言

1.1 高速鐵路移動通信技術(shù)在國外的發(fā)展情況

高速鐵路移動通信技術(shù)在國外經(jīng)歷了多年的醞釀、發(fā)展和成熟，具有較強的技術(shù)優(yōu)越性。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對高速列車的運行的有效控制，而且可以實現(xiàn)對旅客互聯(lián)網(wǎng)接入的增值服務(wù)。通過建設(shè)以地面信號傳輸與空間衛(wèi)星信號傳輸相結(jié)合的方式，以技術(shù)手段最大限度地減少信號的衰減，從而構(gòu)建較為優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為高速鐵路的各種實際需要提供信號傳輸服務(wù)的各種技術(shù)保證。

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

各種高速鐵路的移動通信系統(tǒng)采用的技術(shù)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(shù)，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(zhì)量。TGV技術(shù)方案，依托衛(wèi)星通信技術(shù)的接入，實現(xiàn)由衛(wèi)星信號與隧道和車站附近的WIFI中繼器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫對接和全面覆蓋。先由衛(wèi)星系統(tǒng)進行信號的無線接入；當(dāng)衛(wèi)星信號不能達(dá)到高速列車內(nèi)部時，轉(zhuǎn)而由地面設(shè)置的信號中繼器展開工作，接入信號，以保證信號與數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)恼＿M行。日本新干線版的高速鐵路信號接入技術(shù)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(shù)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(tǒng)，以2種相對獨立的信號傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)分別為旅客信息和旅客的WiFi信號應(yīng)用提供通道服務(wù)。此外，鐵路移動通信全球系統(tǒng)為全球范圍內(nèi)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位的高速鐵路移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，目前在歐洲、中國和印度等國和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 高速鐵路移動通信技術(shù)在我國的發(fā)展情況

我國的高速鐵路移動通信技術(shù)是建立于鐵路移動通信全球系統(tǒng)的應(yīng)用的基礎(chǔ)之上的。在該技術(shù)的實施早期，主要應(yīng)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(yuǎn)程鐵路演進系統(tǒng)，用于列車同步操作數(shù)據(jù)的傳輸與控制等的活動。

臺灣地區(qū)的高速鐵路移動通信技術(shù)以日本的新干線的相關(guān)技術(shù)為藍(lán)本，并考慮到了與遠(yuǎn)程鐵路演進系統(tǒng)的兼容性問題，以便在必要時實現(xiàn)通信技術(shù)的有效、無障礙的轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，我們注意到，日本的WiMax系統(tǒng)并非世界主流應(yīng)用的技術(shù)，因此在實際的建設(shè)和使用中仍有可能面臨較大的潛在風(fēng)險。

2. 鐵路移動通信全球系統(tǒng)的技術(shù)演進路徑初窺

2.1 鐵路移動通信全球系統(tǒng)的技術(shù)積累與歷史貢獻

鐵路移動通信全球系統(tǒng)經(jīng)過長期的技術(shù)積累與技術(shù)演進過程，目前在商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成為了全球范圍內(nèi)的業(yè)內(nèi)共識。它已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)體系，而且技術(shù)成熟度較高。因此，在高速鐵路的通信系統(tǒng)中加以應(yīng)用具有資本節(jié)約和技術(shù)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(tǒng)相關(guān)技術(shù)可能存在的技術(shù)保守性和滯后性。本項系統(tǒng)主要起步于20世紀(jì)的八十年代。隨著無線通信技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，鐵路移動通信全球系統(tǒng)的技術(shù)滯后性無可避免。它主要表現(xiàn)在兩個主要方面：首先，鐵路移動通信全球系統(tǒng)具有窄寬帶的特性，它無法滿足高速鐵路的智能化和多業(yè)務(wù)的需求，同時也無法承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俣鹊囊?。其次，鐵路移動通信全球系統(tǒng)無法擺脫其他商用通信網(wǎng)絡(luò)的信號干擾問題，造成了信號雜質(zhì)和干擾較大，影響了傳輸數(shù)據(jù)的信號質(zhì)量。此外，通信技術(shù)已進入了代際的替換器，目前的常用的通信技術(shù)已逐步轉(zhuǎn)為更為先進的5G技術(shù)等。除此之外，隨著設(shè)備制造商的設(shè)備產(chǎn)品的升級換代，鐵路移動通信全球系統(tǒng)的的相關(guān)設(shè)備供應(yīng)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(tǒng)的技術(shù)演進與延伸是一項刻不容緩的任務(wù)。為此，國際鐵聯(lián)組織需要作出中期的鐵路移動通信全球系統(tǒng)技術(shù)演進規(guī)劃。

2.2 鐵路移動通信全球系統(tǒng)的最新關(guān)鍵技術(shù)衍生與發(fā)展

鐵路移動通信全球系統(tǒng)原來是以列車的運行調(diào)度與自動控制作為功能設(shè)定的，因而對智能化和旅客的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)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(wù)高速列車運行服務(wù)轉(zhuǎn)到鐵路業(yè)務(wù)與旅客信號接入的融合提出了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。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(lián)網(wǎng)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(tǒng)所無法支撐的。為此，有必要在現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)積累的基礎(chǔ)上推進技術(shù)方案的演進過程，由政府相關(guān)部委牽頭，聯(lián)合實力雄厚的通信企業(yè)開展聯(lián)合研究和技術(shù)攻關(guān)，規(guī)劃至2025年和2035年的演進路線，為高速鐵路移動通信技術(shù)的進步預(yù)留下充足的應(yīng)用空間。目前，由遠(yuǎn)程鐵路演進系統(tǒng)逐步代替現(xiàn)有的通信體系成為了被各方接受和認(rèn)同的技術(shù)方案。

3. 高速鐵路移動通信技術(shù)未來發(fā)展方向的展望

在確定從鐵路移動通信全球系統(tǒng)到遠(yuǎn)程鐵路演進系統(tǒng)的體系轉(zhuǎn)變和技術(shù)演進路線的同時，我們應(yīng)當(dāng)進行相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究工作，為大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化的布局奪得先聲。在此過程中，我們應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注高速鐵路系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的特殊性問題。

3.1關(guān)于5G技術(shù)之于鐵路鐵路通信的關(guān)鍵技術(shù)的問題

目前，5G技術(shù)被普遍視作下一代移動通信技術(shù)的發(fā)展方向。為此，我們應(yīng)當(dāng)依托5G技術(shù)展開高速鐵路的關(guān)鍵性的移動通信的技術(shù)開發(fā)與研究。首先，要開展5G技術(shù)基礎(chǔ)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(yōu)化LOS技術(shù)與MIMO技術(shù)等的各自優(yōu)勢發(fā)揮等。第二，加強分布式網(wǎng)路與云架構(gòu)的相關(guān)技術(shù)研究，掌握相關(guān)的運作機理，優(yōu)化基帶資源的使用。第三，深入研究用戶面/控制面的異構(gòu)高速鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，更好地利用高頻頻段與低頻頻段，提供系統(tǒng)的整體性功能。第四，充分研究頻譜融合的異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)，最大限度地利用好非許可證頻段資源，實現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)的最好匹配度。第五，做好多天線矩陣技術(shù)的相關(guān)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?shù)目煽砍潭?。第六，研究與解決列車高速運動過程中的多普勒效應(yīng)，實現(xiàn)信號的無縫切換。此外，還應(yīng)加強對相關(guān)移動通信技術(shù)的借鑒，比如利用高速鐵路電力接觸網(wǎng)提高信號的可利用性。

3.2 關(guān)于旅客無線網(wǎng)絡(luò)接入高速鐵路移動通信系統(tǒng)的相關(guān)問題

設(shè)置高速鐵路場景下的旅客無線網(wǎng)絡(luò)接入有利于提高旅客良好的體驗度，但是必須重構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸鏈路，以車內(nèi)信號接入系統(tǒng)與寬帶車地?zé)o線通道的接力提供相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。并且，在此基礎(chǔ)上整合成一個信息的應(yīng)用平臺，借此提供多樣化的服務(wù)，實現(xiàn)技術(shù)融合和功能融合。

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