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)展分析

賀明華

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，衡陽(yáng) 421002）

就國(guó)內(nèi)高鐵移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用而言，目前該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用還處于不斷完善與發(fā)展的階段。高鐵線路對(duì)于技術(shù)的要求較高，強(qiáng)調(diào)要通過(guò)對(duì)高端技術(shù)的合理運(yùn)用，為地方運(yùn)行便利性、安全性提供保障，確保車地兩方溝通順利程度。為對(duì)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)科學(xué)運(yùn)用，做好技術(shù)研究與發(fā)展推動(dòng)，研究人員開(kāi)始著重對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)展開(kāi)了分析。從國(guó)家角度而言，技術(shù)演進(jìn)主要分為國(guó)際以及國(guó)內(nèi)兩部分。

1 關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)

1.1 國(guó)際部分

發(fā)達(dá)國(guó)家高鐵相關(guān)技術(shù)研究較早，與國(guó)內(nèi)相比，其移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展水平相對(duì)較高，整體移動(dòng)通信服務(wù)較為完善，服務(wù)體系完善程度較為理想。在國(guó)家實(shí)際需要以及國(guó)家文化等內(nèi)容推動(dòng)下，發(fā)達(dá)國(guó)家乘客服務(wù)、技術(shù)發(fā)展始終保持著持續(xù)性強(qiáng)化的狀態(tài)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模覆蓋目標(biāo)，列車內(nèi)通信障礙得到了妥善處理。其中以GSM-R 技術(shù)最具代表性，該項(xiàng)技術(shù)最早應(yīng)用在北歐、南歐等國(guó)家，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，技術(shù)除在歐洲得到應(yīng)用外，在印度和中國(guó)也有著廣泛運(yùn)用。

1.2 國(guó)內(nèi)部分

國(guó)內(nèi)高鐵所使用移動(dòng)通信技術(shù)最早以GSM-R 技術(shù)為主，該項(xiàng)技術(shù)最早應(yīng)用于大秦線以及青藏線等線路，之后開(kāi)始在高鐵線路、重載線路中得到運(yùn)用。在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增加的環(huán)境中，技術(shù)應(yīng)用以及相關(guān)技術(shù)得到切實(shí)優(yōu)化，技術(shù)整體運(yùn)用變得更加成熟。但隨著民眾以及高鐵運(yùn)輸對(duì)于技術(shù)應(yīng)用要求的不斷提高，技術(shù)運(yùn)用已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代相關(guān)要求，在此背景下，多樣化通信技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)，新型通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也已經(jīng)如火如荼展開(kāi)，整體技術(shù)發(fā)展前景較為理想。

2 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

2.1 5G 技術(shù)

5G 是最新興起高水平技術(shù)，是今后高鐵移動(dòng)通信主要研究技術(shù)之一。由于高鐵移動(dòng)通信技術(shù)研究與應(yīng)用，有著明顯的前瞻性要求，所以在實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)研究時(shí)，很需要從LTE-R 技術(shù)起，對(duì)技術(shù)今后發(fā)展展開(kāi)深層次解讀，或者以5G 技術(shù)為基礎(chǔ)，展開(kāi)移動(dòng)通信技術(shù)研究，在此選擇后者，以5G 技術(shù)為切入點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)今后發(fā)展展開(kāi)簡(jiǎn)單剖析。

2.1.1 無(wú)線信道建模

通過(guò)對(duì)高鐵通信環(huán)境的分析可以發(fā)現(xiàn)，整體運(yùn)行環(huán)境有著明顯的多徑數(shù)量少、散射環(huán)境簡(jiǎn)單以及LOS 特性突出等方面的特征。整體環(huán)境信道多徑數(shù)量和列車位置有著密切關(guān)聯(lián)，如果列車位于基站較近或較遠(yuǎn)區(qū)域，多徑數(shù)量總數(shù)相對(duì)較低，但如果位于其他區(qū)域，則其多徑數(shù)量就會(huì)出處于較多的狀態(tài)，但即便是在多徑數(shù)量較多場(chǎng)景中，和公網(wǎng)相比，其多徑數(shù)量仍然有限。信道非相干性問(wèn)題較為明顯，需要通過(guò)對(duì)其他各種技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)非相干性實(shí)施克服，以求獲得最佳MIMO 增益。在5G 系統(tǒng)不斷向毫米波頻段實(shí)施擴(kuò)展過(guò)程中，鐵路環(huán)境中的信道多徑數(shù)量會(huì)出現(xiàn)明顯較少的趨勢(shì)，其LOS 特性會(huì)更加突出，會(huì)直接引發(fā)各種新的問(wèn)題。因此，研究人員需要做好新信道特性研究，要重點(diǎn)對(duì)大規(guī)模MIMO 環(huán)境中波束賦形以及天線陣設(shè)計(jì)等問(wèn)題展開(kāi)研究，以求研究出更加適合我國(guó)高鐵的自適應(yīng)技術(shù)及其應(yīng)用方案。

2.1.2 分布式云與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)中基站資源使用率相對(duì)較低，其使用和基站位置、時(shí)間段有著密切關(guān)聯(lián)。在高鐵環(huán)境中，此種關(guān)聯(lián)會(huì)變得更加密切。為避免發(fā)生碰撞問(wèn)題，列車發(fā)車存在著一定的時(shí)間間隔，即便是在同一條線路上，在同一時(shí)刻所運(yùn)行的列車數(shù)量也相對(duì)有限，線路上基站多處于空間狀態(tài)，因此會(huì)造成大量資源浪費(fèi)問(wèn)題。為妥善解決這一問(wèn)題，可將浪費(fèi)資源以無(wú)線方式接入到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之中，通過(guò)對(duì)基站間可通用、共有基帶的運(yùn)用，對(duì)資源展開(kāi)集中處理，確保多余資源可以集中到一個(gè)基帶處理池之中，從而對(duì)資源展開(kāi)集中控制。用戶基帶處理不再限制于固定資源，基帶處理池可按照資源具體使用情況，為用戶提供相應(yīng)處理資源，資源利用率會(huì)得到顯著提升，資源使用靈活性也會(huì)變得更加理想。

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵用娑裕瑐鹘y(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)和云架構(gòu)有諸多相似點(diǎn)，均是運(yùn)用光纖拉遠(yuǎn)等技術(shù)對(duì)射頻拉遠(yuǎn)單元實(shí)施控制的，可通過(guò)對(duì)一個(gè)基帶處理單元的運(yùn)用，對(duì)多個(gè)單元展開(kāi)同時(shí)控制。但兩者也有一些差異，在云架構(gòu)之中，射頻拉遠(yuǎn)單元和基帶處理單元連接關(guān)系并不固定，射頻拉遠(yuǎn)單元并不屬于固定的基帶處理單元試題，實(shí)施信號(hào)接收與發(fā)送處理時(shí)，均是在虛擬基帶處理單元中展開(kāi)的。將實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)輸入到基帶處理池內(nèi)部分處理器之中，便可形成此種虛擬基帶處理單元能力。和傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)相比，以虛擬技術(shù)為基礎(chǔ)的云架構(gòu)更加適合今后高鐵移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，會(huì)通過(guò)對(duì)物理資源的運(yùn)用，達(dá)到全局優(yōu)化的目標(biāo)。

2.1.3 戶面、控制面分離技術(shù)運(yùn)用

運(yùn)用控制面、戶面分離技術(shù)實(shí)施容量拓展時(shí)，可通過(guò)開(kāi)發(fā)更寬連續(xù)頻譜高頻頻段的方式，對(duì)鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)寬帶實(shí)施延展。但因?yàn)楦哳l頻段路徑損耗相對(duì)較大，且存在著覆蓋范圍有限的問(wèn)題，將其運(yùn)用高鐵環(huán)境中，需要頻繁切換越區(qū)。為保證系統(tǒng)容量擴(kuò)展質(zhì)量，達(dá)到良好的移動(dòng)性效果，研究人員提出構(gòu)建用戶面、控制面分離異構(gòu)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)結(jié)構(gòu)。

服務(wù)基站在接入用戶時(shí)，存在著兩個(gè)連接平面，即用戶面以及控制面?？刂泼嬷饕?fù)責(zé)承載接入網(wǎng)絡(luò)和用戶間控制信令，而用戶面以業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸功能為主。為保證控制面移動(dòng)性，需要保證控制面整體覆蓋范圍，確?？梢允∪ヮl繁切換操作，以為用戶移動(dòng)性功能實(shí)現(xiàn)提供可靠保障。在架構(gòu)內(nèi)，用戶控制面會(huì)被保留在低頻頻段之中，而這一頻段有著明顯的信號(hào)覆蓋范圍大以及傳輸性能優(yōu)等特點(diǎn)。因?yàn)橐獙?duì)建設(shè)成本實(shí)施控制，所以該頻段可以運(yùn)用LTE-R 或GSM—R 遺留頻段，以便減少不必要的成本支出。同時(shí)需要將用戶面移動(dòng)到更寬頻譜高頻頻段之中，進(jìn)而達(dá)到切實(shí)拓展系統(tǒng)容量的目標(biāo)。

以往在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)，會(huì)按照傳輸可靠性指標(biāo)對(duì)中斷概率展開(kāi)衡量，但在此種構(gòu)架內(nèi)，用戶面以及控制面會(huì)被分配到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之中，且控制面會(huì)傳輸可靠性所產(chǎn)生的影響會(huì)更加明顯，會(huì)被保留在低頻頻段，以防造成不利影響。在此結(jié)構(gòu)內(nèi)中斷概率并不適用，需要重新展開(kāi)新指標(biāo)建設(shè)，以便用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能展開(kāi)判斷，以便更好地對(duì)用戶面中斷概率展開(kāi)運(yùn)用。指標(biāo)的運(yùn)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶面以及控制面的有效區(qū)分，控制面與傳輸可靠性有著密切關(guān)聯(lián)，更加符合高鐵業(yè)務(wù)傳輸需要。

除分離架構(gòu)外，還可通過(guò)對(duì)其他方式的運(yùn)用，達(dá)到高頻頻段融合目標(biāo)。例如，可在不對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)施改動(dòng)的基礎(chǔ)上，展開(kāi)大發(fā)射功率高頻基站建設(shè)，從而達(dá)到彌補(bǔ)路徑損耗，拓展覆蓋范圍的目標(biāo)，確保原有基站分流業(yè)務(wù)覆蓋范圍可以得到切實(shí)拓展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)容量的切實(shí)拓展。同時(shí)此種方式的運(yùn)用，還可達(dá)到良好的無(wú)線回傳效果，可妥善解決網(wǎng)絡(luò)密集化所造成的有限回傳布網(wǎng)難度較大問(wèn)題。就傳輸特性層面來(lái)看，低頻頻段和高頻頻段之間傳輸特征并不相同，所以在對(duì)高頻頻段實(shí)施寬帶延伸時(shí)，應(yīng)加大對(duì)頻段應(yīng)有優(yōu)勢(shì)挖掘力度，從而達(dá)到強(qiáng)化系統(tǒng)性能的目標(biāo)。

2.2 旅客無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)

向旅客提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可在保證旅客乘坐體驗(yàn)的同時(shí)，為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造出更大的收益。由于旅客收集設(shè)備多數(shù)無(wú)法處理復(fù)雜程度較高的信號(hào)，即便可以實(shí)施處理，也需要大功率作為支持，普通手機(jī)無(wú)法達(dá)到這一功能，所以在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，需要做好移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路處理，應(yīng)重新對(duì)車地間寬度數(shù)據(jù)和移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸連接方式展開(kāi)構(gòu)建，并做好列車內(nèi)WIFI 等系統(tǒng)建設(shè)，保證列車內(nèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使用穩(wěn)定性、無(wú)障礙性。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然我國(guó)高速鐵路建設(shè)以及移動(dòng)通信技術(shù)起步時(shí)間相對(duì)較晚，在部分技術(shù)研究方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距，但經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)在高鐵方面取得成績(jī)已經(jīng)得到了顯著性進(jìn)步。在進(jìn)行移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究與改進(jìn)時(shí)，有關(guān)部門需要從我國(guó)國(guó)情著手，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)展開(kāi)全面研究，確定今后技術(shù)發(fā)展主要方向，并以此為導(dǎo)向，對(duì)技術(shù)發(fā)展展開(kāi)深層次解析，以對(duì)各種通信技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)科學(xué)應(yīng)對(duì)，確保各項(xiàng)挑戰(zhàn)與沖擊可以得到妥善化解，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵行業(yè)發(fā)展的有效帶動(dòng)，為廣大乘客創(chuàng)造出更加優(yōu)質(zhì)的高鐵乘坐體驗(yàn)。