超高速磁懸浮鐵路移動通信關鍵技術分析

田 愷

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著中國高鐵“走出去”戰(zhàn)略的啟動，中國實現(xiàn)了高速鐵路領域從“追趕者”到“領導者”的飛躍，有力地推進了“一帶一路”倡議的發(fā)展，也為“中國夢”的實現(xiàn)開辟了重要通道。隨著輪軌高速鐵路快速發(fā)展，下一代超高速鐵路技術——超高速磁懸浮鐵路也開始進入人們的視野[1-3]。中共中央國務院《交通強國建設綱要》[4]中指出:“瞄準新一代信息技術、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿，加強對可能引發(fā)交通產業(yè)變革的前瞻性、顛覆性研究。合理統(tǒng)籌安排時速600 km級高速磁懸浮系統(tǒng)、時速400 km級高速輪軌(含可變軌距)客運列車系統(tǒng)、低真空管(隧)道高速列車等技術儲備研發(fā)”。為了保持我國鐵路技術的領先地位，研究超高速鐵路移動通信技術以及關鍵技術具有重要的意義與價值。

2 現(xiàn)有高鐵移動通信技術發(fā)展情況

(1)GSM-R技術

目前，我國鐵路移動通信系統(tǒng)普遍采用GSM-R技術，該技術是基于第二代(2G)GSM數(shù)字通信系統(tǒng)的基礎上研發(fā)的。2000年底原鐵道部正式確定將GSM-R作為我國鐵路專用通信的發(fā)展方向。目前公網2G業(yè)務已經逐步退出歷史舞臺，2G產業(yè)鏈已經開始逐步收縮。預計2025年以后，既有GSM-R設備全面進入大修期，GSM-R產品將逐步被淘汰[5]。

(2)LTE-R技術

2014年4月，國際鐵路聯(lián)盟(UIC)提出鐵路下一代行動通訊發(fā)展規(guī)劃，并與3GPP合作展開標準化工作。根據(jù)UIC提出的LTE-R發(fā)展步驟，于2014年9月開始進行Release 12工作。我國于2010年開始研究LTE-R鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)，2012年國內第一條LTE-R系統(tǒng)在朔黃鐵路建成[6]，2019年京沈鐵路也完成了LTE-R系統(tǒng)試驗。目前，LTE-R在技術層面已經成熟，但由于鐵路行業(yè)的特殊性以及頻率分配問題，離大規(guī)模部署還需要一些時間。

(3)5G技術

在全世界范圍內4G移動通信網絡的部署方興未艾之時，5G移動通信技術的研發(fā)己拉開帷幕，成為學術界和信息產業(yè)屆熱門的課題之一[7]。2013年2月，由國家科學技術部、工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合組織成立了IMT-2020(5G)推進組，成員包括中國主要的電信運營商、制造商、高校以及研究機構[8]。國家“863”計劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動了5G重大項目一期和二期研發(fā)計劃，主要包括體系架構、無線傳輸與組網、新型天線與射頻、新頻譜開發(fā)與利用等。2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。

(4)EUHT技術

為了適應高速軌道交通通信特點，我國自主研發(fā)了超高速移動通信技術(EUHT)。該技術具備“高速度、高帶寬、高穩(wěn)定性、低延時、低成本、低功耗”的優(yōu)點，旨在解決“移動寬帶”和“寬帶移動”一體化的難題。目前，EUHT高速列車移動通信系統(tǒng)在莞惠城際鐵路試驗段、廣州地鐵6號線和京津城際高鐵進行了現(xiàn)場測試，實際應用效果良好。

3 超高速鐵路移動通信系統(tǒng)特征分析

(1)高速移動特性

高速移動是超高速磁懸浮鐵路移動通信的主要特征。既有高速鐵路采用GSM-R技術用于350 km/h以下的移動通信，上海磁懸浮采用38G無線電的方式用于支持430 km/h的移動通信，5G(IMT-2020)可支持移動速度為500 km/h。目前尚未有430 km/h以上的軌道交通運行場合支持超高速移動通信的實驗驗證，相關理論研究也相對滯后。高速移動會帶來三個問題:較大的多普勒頻移、無線信道的快速變化和頻繁的小區(qū)切換。

(2)高可靠、低時延特性

超高速鐵路移動通信系統(tǒng)必須首先保證列車行駛的安全性，在信道急速劣化的情況下，應優(yōu)先保證面向列車控制的安全數(shù)據(jù)傳輸，采用低時延、小帶寬、高可靠的無線通信方式，暫不考慮面向乘客的非安全類大帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

(3)列車運動狀態(tài)可預知性

與汽車、飛機等其他交通工具不同，超高速列車在軌跡固定的真空管道內運行，利用車載運行監(jiān)測系統(tǒng)與地面通信，可實時獲取列車速度與位置信息，為超高速列車寬帶接入通信系統(tǒng)提供先驗信息，利用列車狀態(tài)信息可設計優(yōu)化網絡架構以解決快速切換問題；并且超高速列車寬帶接入系統(tǒng)容量是可預知的，根據(jù)列控傳輸信息量可預先獲得無線接入的容量，為通信設計提供先驗知識。

(4)無線頻段使用相對自由

由于真空管道對無線信號的隔離，管道內部頻譜空間和外界相對獨立，除了對行車控制和乘客安全的電磁干擾以外，可以暫時不考慮頻譜資源限制，可以選擇最適合的頻帶和帶寬。

(5)全封閉金屬管道

低真空管道超級高鐵管道與現(xiàn)有隧道有很大不同?，F(xiàn)有隧道環(huán)境為水泥、巖石，低真空管道壁若采用金屬管壁，電磁波的覆蓋特性會有很大不同，金屬管道的橫截面形狀和尺寸對電波模式分布影響很大。

4 超高速鐵路移動通信關鍵技術分析

(1)多普勒頻移

當移動臺以恒定的速率沿某一方向移動時，由于接收者與發(fā)射者之間存在相對速度的原因，會造成相位和頻率的變化，通常將這種變化稱為多普勒頻移。高速移動會帶來兩個問題，即較大的多普勒頻移和無線信道的快速變化。

表1為不同載波頻率下最大多普勒頻移隨行車速度下的變化規(guī)律。按照既有鐵路移動通信頻段的劃分以及考慮到未來LTE和5G的應用前景，所計算的載波頻率分別為 450 MHz、900 MHz、1 800 MHz、3 300 MHz和 6 GHz，行車速度分別為 350 km/h、600 km/h、1 000 km/h。多普勒頻移的取值與移動速度、載波頻率成正比。

表1 不同載波頻率下最大多普勒頻移隨車速變化規(guī)律

在正交頻分多路復用系統(tǒng)(OFDM)中(LTE、5G、EUHT)，真正對移動通信性能有影響的是用子載波間隔歸一化后的多普勒頻移(多普勒頻移/子載波間隔)。歸一化多普勒頻移越大，系統(tǒng)性能越差，一般認為歸一化多普勒頻移需要小于0.1。表2中列出了LTE、5G、EUHT歸一化多普勒頻移，其中滿足小于0.1指標的歸一化多普勒頻移由灰色標出。

表2 歸一化多普勒頻移

以LTE系統(tǒng)為例，LTE在系統(tǒng)設計時并沒有考慮在較高頻段(比如6 GHz)使用，因此采用了較窄的15 kHz子載波間隔，假定載波頻率為1 800 MHz，600 km/h的移動速度會帶來1 kHz的多普勒頻移，歸一化多普勒頻偏為0.066 7，可以有效抵抗高速移動帶來的多普勒頻偏，但是行車速度達到1 000 km/h以后，歸一化多普勒頻偏為0.111 1，系統(tǒng)性能會快速惡化。

按照3 GPP的建議，在低時延高可靠(URLLC)的場景下，建議5G載波頻率不應超過6 GHz，子載波間隔(6 GHz以下)應為15 kHz、30 kHz、60 kHz可選。15 kHz的歸一化多普勒頻偏與LTE相同，所以表2中分別計算了子載波頻率為30 kHz、60 kHz的歸一化多普勒頻移。子載波間隔越大，抵抗高速移動帶來的多普勒頻偏的能力越強。

EUHT系統(tǒng)的子載波頻率為78.125 kHz，考慮最惡劣的情況:假定使用6 GHz頻譜，1 000 k時速會帶來5.6 kHz的多普勒頻移，歸一化多普勒頻偏為0.07，因此EUHT可以有效抵抗高速移動帶來的多普勒頻移。

(2)小區(qū)切換

高速行駛會給基站小區(qū)覆蓋范圍帶來很大的影響，行駛速度越高，列車通過小區(qū)的時間也越短。以基站覆蓋半徑為2 500 m為例，1 000 km/h的列車通過小區(qū)的時間只有9 s(見表3)，而GSM-R相關標準中定義小區(qū)重疊區(qū)覆蓋范圍要保證小區(qū)兩次切換時間(通常定義為10 s)，顯然基于GSM-R的小區(qū)硬切換方式不適合用于高速行駛的列車通信。

表3 小區(qū)切換時間對重疊區(qū)的影響(基站覆蓋半徑2 500 m)

保證兩次切換的情況下，假設LTE-R小區(qū)切換時間降至2 s以下，1 000 km/h時小區(qū)重疊區(qū)已經降至555 m，為既有350 km/h GSM-R重疊區(qū)的一半，實現(xiàn)現(xiàn)有列車控制通信已經成為可能。

保證兩次切換的情況下，假設5G小區(qū)切換時間降至毫秒級(50 ms)以下，1 000 km/h時重疊區(qū)會降至14 m，基本可以忽略重疊區(qū)對基站設置的影響。

5 超級高鐵移動通信方案建議

按照綱要的規(guī)劃安排，本文按照600 km級無管道高速鐵路移動通信系統(tǒng)和1 000 km級以上的低真空管(隧)道超高速磁懸浮鐵路移動通信系統(tǒng)進行分析討論。

5.1 無線空口建議

(1)600 km級無管道高速鐵路移動通信系統(tǒng)

可采用移動蜂窩方式進行車地通信，理論上LTE、5G、EUHT均可以支持。應選擇大子載波間隔用于降低多普勒頻移；對多徑衰落應進行深入分析，采用合適抗快衰落技術。

(2)低真空管(隧)道超高速磁懸浮鐵路移動通信系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)有高鐵隧道覆蓋經驗，采用漏纜技術可以避免多徑干擾。列車在高速前進中，安裝在列車頂上的天線與漏纜的電波入射角總是90°，多普勒頻移為0，因此多普勒頻移問題得到解決。更重要的是，漏纜輻射口至車頂天線為最短直射路徑，多徑波也最少，因此快速衰落現(xiàn)象也不明顯。從通信角度看，超級高鐵(600 km/h以上)宜全程采用封閉金屬管道，降低通信干擾，并全程采用漏纜敷設。

另一方面，由于固有市場的使用現(xiàn)狀和漏泄電纜傳輸結構限制，現(xiàn)有漏泄電纜技術不適用于載波頻率在2.5 GHz以上的移動通信；如果采用高載波頻率技術，需要針對載波頻率設計漏纜結構，或者采用漏泄波導。

5.2 接入網架構建議

LTE、5G、EUHT接入網絡結構可適用于1 000 km/h的高速列車通信?？珊侠磉x用5G接入網絡新技術，進一步降低通信網絡延時。

6 結束語

超級高鐵以其快速、安全、節(jié)能環(huán)保、高效的優(yōu)勢，國內外已展開大量研究，理論已基本成熟，正在工程化應用的探索過程中。低真空磁懸浮列車安全、高效地運行離不開移動通信系統(tǒng)的支持。建議600 km級無管道高速鐵路移動通信系統(tǒng)采用移動蜂窩方式進行車地通信，理論上LTE、5G、EUHT均可以支持，但應選擇大子載波間隔用于降低多普勒頻移；對多徑衰落進行深入分析，采用合適抗快衰落技術。建議低真空管(隧)道高速磁懸浮鐵路移動通信系統(tǒng)全程采用封閉金屬管道，降低通信干擾，并全程采用漏纜敷設，漏泄電纜應敷設在管道內，垂直于列車天線；載波頻率在2.5 GHz以上的移動通信宜重新設計漏泄電纜結構或者采用漏泄波導。進行低真空管道超高速磁懸浮鐵路的研究，具有很強的戰(zhàn)略性和前瞻性，可為國家發(fā)展低真空管道超高速磁浮鐵路技術路線選擇提供支撐和咨詢建議，具有很強的工程科技戰(zhàn)略意義和價值。