智能鐵路新一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)探索與展望

魯玉龍，沈海燕，張俊堯，楊興磊，解亞龍，楊玲玲

研究與開(kāi)發(fā)

智能鐵路新一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)探索與展望

魯玉龍1，沈海燕2，張俊堯1，楊興磊1，解亞龍2，楊玲玲1

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)步驅(qū)動(dòng)著各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)變革。鐵路現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，其承載能力越來(lái)越難以滿(mǎn)足高速增長(zhǎng)的現(xiàn)代鐵路網(wǎng)建設(shè)步伐和智能化發(fā)展需求?；谥悄荑F路應(yīng)用對(duì)移動(dòng)通信帶寬、時(shí)延、覆蓋等需求和新一代移動(dòng)通信面臨的挑戰(zhàn)，開(kāi)展新一代通信頻譜技術(shù)、信道編碼技術(shù)及多功能綜合射頻技術(shù)等新一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建以“車(chē)-地、車(chē)-車(chē)、車(chē)-人”信息無(wú)縫協(xié)同交互為目標(biāo)的“空天車(chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)，研究并展望通信-導(dǎo)航一體化、通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化在智能鐵路中的場(chǎng)景應(yīng)用，提升鐵路移動(dòng)通信服務(wù)能力和效率，賦能我國(guó)鐵路智能化發(fā)展。

智能鐵路；新一代移動(dòng)通信；空天車(chē)地一體化；通信-導(dǎo)航一體化；通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化

0 引言

20世紀(jì)80年代，移動(dòng)通信1G時(shí)代逐漸進(jìn)入大眾視野，標(biāo)志著人們可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。隨著大規(guī)模集成電路、微處理器與數(shù)字信號(hào)技術(shù)的逐步成熟，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)據(jù)通信呈現(xiàn)出的爆炸式增長(zhǎng)需求促使移動(dòng)通信技術(shù)不斷變革。短短幾十年間，移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)從1G到5G的跨越式發(fā)展。通信技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步已經(jīng)成為各行各業(yè)創(chuàng)新的先導(dǎo)力量，驅(qū)動(dòng)著社會(huì)重要信息基礎(chǔ)設(shè)施體系的變革和重塑。鐵路作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、綜合交通運(yùn)輸體系骨干，是國(guó)家最大的民生工程和傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)。截止到2021年年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已超4萬(wàn)千米，穩(wěn)居世界第一。2020年中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)鐵集團(tuán)”）發(fā)布《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》（鐵發(fā)改〔2020〕129號(hào)），指出到2035年，形成7萬(wàn)公里的現(xiàn)代化高速鐵路網(wǎng)，率先建成智能高鐵，加快實(shí)現(xiàn)智慧鐵路。德國(guó)、法國(guó)、日本等高鐵發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛提出鐵路數(shù)字化與智能化發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，采用新一代信息通信技術(shù)大幅提升鐵路客貨運(yùn)輸組織效率、效益和服務(wù)品質(zhì)，從而提高鐵路運(yùn)輸能力和安全水平。移動(dòng)通信系統(tǒng)是列車(chē)運(yùn)行安全、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、客貨運(yùn)輸?shù)确?wù)的“神經(jīng)中樞”，探索鐵路新一代移動(dòng)通信技術(shù)已成為未來(lái)智能鐵路發(fā)展的重要方向。

1 鐵路移動(dòng)通信現(xiàn)狀、需求及面臨的挑戰(zhàn)

1.1 我國(guó)鐵路移動(dòng)通信現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國(guó)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)主要包括450 MHz無(wú)線列調(diào)和900 MHz鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)（global system for mobile communications-railway，GSM-R），承載行車(chē)指揮、列控、安全、搶險(xiǎn)、應(yīng)急等方面的信息和重要調(diào)度指令[1]。450 MHz無(wú)線列調(diào)采用制式落后的模擬對(duì)講技術(shù)，主要用于既有普速鐵路，工業(yè)和信息化部自2012年起停止相關(guān)產(chǎn)品的核準(zhǔn)，大多數(shù)設(shè)備超期服役且面臨無(wú)替代設(shè)備可用的風(fēng)險(xiǎn)，急需進(jìn)行升級(jí)替代。GSM-R是我國(guó)為滿(mǎn)足高速鐵路和既有線路改造的快速發(fā)展，基于數(shù)字窄帶移動(dòng)通信技術(shù)研發(fā)的鐵路專(zhuān)用通信系統(tǒng)，系統(tǒng)帶寬容量?jī)H有2×4 MHz，由于系統(tǒng)頻段帶寬有限，在實(shí)際使用過(guò)程中面臨同頻干擾、鄰頻干擾等問(wèn)題，系統(tǒng)容量和業(yè)務(wù)承載能力已無(wú)法滿(mǎn)足鐵路日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》（工信部聯(lián)通信〔2021〕77號(hào)）的出臺(tái)，國(guó)鐵集團(tuán)相繼發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)5G技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》（鐵發(fā)改〔2020〕144號(hào)）和《鐵路5G技術(shù)應(yīng)用科技攻關(guān)三年行動(dòng)計(jì)劃》（鐵科信〔2020〕222號(hào)），以推進(jìn)鐵路5G-R專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)和5G公網(wǎng)應(yīng)用，指出到2023年，完成鐵路5G專(zhuān)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和主要專(zhuān)用設(shè)備研制，開(kāi)展安全保障、出行服務(wù)等領(lǐng)域緊急業(yè)務(wù)試驗(yàn)驗(yàn)證和試用考核，完成5G專(zhuān)網(wǎng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，為鐵路5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2021年12月，國(guó)家鐵路局發(fā)布《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》（國(guó)鐵科法〔2021〕45號(hào)），提出到2025年，不斷完善智能鐵路成套技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)5G、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在鐵路更廣泛、更成體系的應(yīng)用。

2020年12月，依托中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鐵科院）環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地，鐵科院聯(lián)合三大運(yùn)營(yíng)商及華為、中興等5G設(shè)備廠商建設(shè)的“鐵路5G創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”已正式投入使用[2]，標(biāo)志著5G技術(shù)在我國(guó)鐵路創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，為鐵路新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)科研攻關(guān)、技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)制定、業(yè)務(wù)創(chuàng)新、測(cè)試試驗(yàn)和上道驗(yàn)證等多環(huán)節(jié)提供可靠、完備的試驗(yàn)環(huán)境。然而，由于5G公網(wǎng)占用頻段較多且碎片化分配，鐵路專(zhuān)用5G頻段仍面臨頻段不足、批復(fù)困難等問(wèn)題。

1.2 智能鐵路通信技術(shù)應(yīng)用需求

近年來(lái)在國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略的帶動(dòng)下，我國(guó)高速鐵路建設(shè)里程不斷增長(zhǎng)，高速鐵路智能化業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，對(duì)鐵路移動(dòng)通信的應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大。在系統(tǒng)總結(jié)京張高鐵、京雄城際的智能化創(chuàng)新實(shí)踐基礎(chǔ)上，國(guó)鐵集團(tuán)于2020年發(fā)布《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》（鐵科信〔2020〕159號(hào)），提出基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、5G、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、建筑信息模型（building information model，BIM）等新一代信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速鐵路移動(dòng)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境間信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動(dòng)學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，建立全生命周期一體化管理的智能高速鐵路系統(tǒng)。

王同軍[3]針對(duì)智能鐵路體系架構(gòu)中涉及的智慧工地、智能列控、智能車(chē)站、數(shù)字化貨場(chǎng)等新業(yè)務(wù)，從業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，要求鐵路新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具備以下能力。

（1）高帶寬：具備超高通量帶寬，滿(mǎn)足基于BIM的虛擬建造、數(shù)字化竣工交付、動(dòng)車(chē)組智能監(jiān)控、站車(chē)客運(yùn)服務(wù)等業(yè)務(wù)需求。

（2）低時(shí)延：支持超低時(shí)延，滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行控制、智能行車(chē)調(diào)度、列車(chē)自動(dòng)駕駛（automatic train operation，ATO）、接近預(yù)警、超視距駕駛等車(chē)-地、車(chē)-車(chē)通信需求。

（3）大連接：支持超大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，滿(mǎn)足智能化施工、基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警、周界入侵智能監(jiān)測(cè)、環(huán)境智能監(jiān)測(cè)等狀態(tài)感知業(yè)務(wù)需求。

（4）廣覆蓋：針對(duì)鐵路線路線形特征，具備連續(xù)廣覆蓋能力，實(shí)現(xiàn)空天車(chē)地一體化融合通信，滿(mǎn)足空天地一體化智能測(cè)繪、列車(chē)定位、移動(dòng)裝備監(jiān)測(cè)和診斷、在途旅客動(dòng)車(chē)組智能服務(wù)、智能綜合檢測(cè)車(chē)等車(chē)-地、車(chē)-車(chē)數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸需求。

（5）算網(wǎng)一體化：實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、通信等多維資源一體化，滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組智能診斷、動(dòng)車(chē)組智能運(yùn)維、工電供一體化運(yùn)維等智能化分析、評(píng)估決策的云邊協(xié)同需求。

1.3 發(fā)展新一代移動(dòng)通信面臨的挑戰(zhàn)

隨著“智能京張”“數(shù)字京雄”等開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，中國(guó)鐵路正邁入數(shù)字化、智能化階段，現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力不足的問(wèn)題凸顯。針對(duì)鐵路專(zhuān)網(wǎng)有限的頻率資源，以及高速移動(dòng)對(duì)頻譜效率、可靠性等方面的影響，開(kāi)展鐵路新一代移動(dòng)通信技術(shù)研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

（1）鐵路移動(dòng)通信技術(shù)迭代的需要

隨著公網(wǎng)GSM逐步退網(wǎng)，GSM-R設(shè)備廠商將逐步停止設(shè)備生產(chǎn)及技術(shù)支持，產(chǎn)業(yè)后續(xù)支撐和保障能力將大幅度縮減，鐵路移動(dòng)通信面臨技術(shù)斷層的風(fēng)險(xiǎn)，急需加快鐵路新一代移動(dòng)通信相關(guān)技術(shù)研究。

（2）有限的頻譜資源與不斷增長(zhǎng)的智能化業(yè)務(wù)之間的矛盾

現(xiàn)行的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)上下行各4 MHz頻譜帶寬，僅支持語(yǔ)音通話、短消息、低速通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，業(yè)務(wù)承載能力有限?！吨悄芨咚勹F路體系架構(gòu)1.0》提出了我國(guó)智能鐵路發(fā)展的“三大板塊、十大領(lǐng)域、十八個(gè)方向、項(xiàng)創(chuàng)新”，由此催生大量的帶寬密集型業(yè)務(wù)應(yīng)用，需要更多的頻譜資源支撐海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。國(guó)鐵集團(tuán)在《關(guān)于加快推進(jìn)5G技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》中提出申請(qǐng)2 100 MHz作為5G-R專(zhuān)網(wǎng)工作頻率，并明確現(xiàn)有頻率逐步騰退方案。孫昱[4]針對(duì)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商及相關(guān)行業(yè)應(yīng)用5G頻譜資源的具體分配情況進(jìn)行了分析，考慮到智能業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)帶寬、時(shí)延等的需求，需要對(duì)未來(lái)鐵路移動(dòng)通信業(yè)務(wù)進(jìn)行梳理和預(yù)測(cè)，科學(xué)規(guī)劃專(zhuān)網(wǎng)頻段的使用，同時(shí)研究其他頻譜資源替代方案。

（3）高速移動(dòng)場(chǎng)景下信號(hào)連續(xù)性與可靠性問(wèn)題

高速移動(dòng)性是高鐵的鮮明特征，高鐵列車(chē)快速移動(dòng)過(guò)程中多普勒效應(yīng)更加明顯，會(huì)造成移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)接收不穩(wěn)定，無(wú)線性能下降。高鐵列車(chē)作為一個(gè)用戶(hù)相對(duì)集中的移動(dòng)空間，用戶(hù)終端在短時(shí)間內(nèi)頻繁切換小區(qū)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量不佳、話務(wù)中斷。同時(shí)，旅客在行程中的上網(wǎng)業(yè)務(wù)也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)加劇網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的升高，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。因此，如何在高速移動(dòng)場(chǎng)景下保證移動(dòng)通信的信號(hào)連續(xù)性與可靠性，是鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)需要解決的難點(diǎn)。

（4）車(chē)載系統(tǒng)眾多與車(chē)上空間受限之間的矛盾

高鐵列車(chē)是一個(gè)集成化、系統(tǒng)化、信息化的“集合體”，僅涉及行車(chē)控制、定位追蹤、故障診斷、旅客服務(wù)等與行車(chē)相關(guān)的信息通信系統(tǒng)就有10余個(gè)，這些系統(tǒng)大多在列車(chē)上部署有車(chē)載移動(dòng)臺(tái)、服務(wù)器或天線單元。由于彼此間制式不同，眾多輻射源集中在空間有限的車(chē)廂內(nèi)，易出現(xiàn)射頻干擾、電磁干擾等問(wèn)題。同時(shí)，“煙囪式”系統(tǒng)不但設(shè)備繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各系統(tǒng)射頻資源無(wú)法共享，難以進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，而且非模塊化設(shè)計(jì)造成的功耗、成本較高，增大了保養(yǎng)難度，給運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)極大困難。

2 鐵路新一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)第1節(jié)中鐵路有限的頻譜資源與不斷增長(zhǎng)的智能化業(yè)務(wù)之間的矛盾、高速移動(dòng)場(chǎng)景下信號(hào)連續(xù)性與可靠性問(wèn)題、車(chē)載系統(tǒng)眾多與車(chē)上空間受限之間的矛盾，本文將從新頻譜技術(shù)、新型信道編碼技術(shù)和車(chē)載多功能綜合射頻技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 新頻譜技術(shù)

頻譜是移動(dòng)通信運(yùn)行的基礎(chǔ)，是“看不見(jiàn)”的稀缺資源。隨著智能鐵路業(yè)務(wù)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，未來(lái)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)需要不斷拓展可用的頻譜資源。本文將從解決鐵路移動(dòng)通信頻譜資源有限的問(wèn)題出發(fā)，介紹太赫茲（THz）通信、可見(jiàn)光通信（visible light communication，VLC）、高效頻譜共享技術(shù)和大規(guī)模天線陣列技術(shù)等新頻譜技術(shù)。

2.1.1 太赫茲通信

太赫茲波的工作頻譜為0.1～10 THz，是介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間的電磁波，工作在此頻段的太赫茲通信具有頻譜資源豐富、傳輸速率高等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)移動(dòng)通信中極具優(yōu)勢(shì)的無(wú)線接入（Tbit/s級(jí)通信）技術(shù)[5]。在2018年9月舉辦的美國(guó)移動(dòng)通信世界大會(huì)上，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)專(zhuān)員Jessica Rosenworcel表示，未來(lái)6G可以采用基于太赫茲頻譜的網(wǎng)絡(luò)和空間復(fù)用技術(shù)。

太赫茲通信相比傳統(tǒng)的微波、毫米波通信和無(wú)線光通信擁有許多優(yōu)勢(shì)，其在未來(lái)高速短距移動(dòng)通信、高帶寬無(wú)線通信以及近地空間通信等方面具有廣闊的發(fā)展前景。

●太赫茲通信波束更窄、方向性更強(qiáng)，具有更強(qiáng)的抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)更安全的加密通信。

●太赫茲波的頻率高、帶寬高，Tbit/s量級(jí)的通信速率使其能夠滿(mǎn)足無(wú)線傳輸時(shí)的高帶寬需求。

●星間鏈路通信。在外層空間，太赫茲波在340 GHz、410 GHz和667 GHz 3個(gè)信道存在窗口區(qū)，傳輸損耗極低，信號(hào)不易被展寬[6]。相比無(wú)線光通信，太赫茲通信具有波束更寬、衛(wèi)星天線接收端更容易對(duì)準(zhǔn)、天線小型化等特點(diǎn)。因此，將太赫茲波用于星間鏈路的寬帶通信是非常合適的。

●太赫茲波的波長(zhǎng)短、能量效率高、穿透性強(qiáng)，適合采用天線陣子更密集的大規(guī)模多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)。大規(guī)模MIMO的波束成形及空間復(fù)用增益能夠克服太赫茲波在空氣中傳輸?shù)拇髿馑ヂ浜陀晁サ葐?wèn)題，滿(mǎn)足小范圍內(nèi)高密集人口區(qū)域，如車(chē)站、樓宇等的覆蓋需求。

國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）已決定將0.12 THz和0.2 THz劃歸無(wú)線通信使用，但0.3 THz以上頻譜的監(jiān)管規(guī)則尚不明晰，全球范圍內(nèi)尚未統(tǒng)一。結(jié)合“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，以及CR450、超級(jí)磁懸浮等科技創(chuàng)新項(xiàng)目以及智能鐵路高帶寬、低時(shí)延的通信需求，鐵路新一代移動(dòng)通信要在頻譜資源的利用上實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新。

2.1.2 可見(jiàn)光通信

另一種彌補(bǔ)現(xiàn)有無(wú)線通信頻譜資源不足的技術(shù)是可見(jiàn)光通信，其原理是將發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）產(chǎn)生的可見(jiàn)光波段的光作為信息載體，而不需要光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，在空氣中直接傳輸光信號(hào)，從而達(dá)到照明和高速數(shù)據(jù)通信雙重目的[7]。

可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為380～780 nm，屬于新頻譜資源。與傳統(tǒng)基于電磁波的無(wú)線通信相比，頻譜使用不受限制，不需要無(wú)線電監(jiān)管機(jī)構(gòu)的授權(quán)，可以提供大量潛在的可用頻譜?？梢?jiàn)光通信的傳輸媒介是可見(jiàn)光，具有不能穿透墻壁等遮擋物的特性，因此傳輸范圍限制在用戶(hù)的視距范圍內(nèi)，即只要在室內(nèi)等封閉空間，傳輸?shù)男畔⒕筒粫?huì)泄露到室外，避免被外部惡意截獲，確保傳輸信息的安全性。此外，可見(jiàn)光通信不產(chǎn)生電磁波，沒(méi)有電磁輻射，也不易受到外部電磁干擾，因此非常適合電磁環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，如高鐵車(chē)廂、醫(yī)院、加油站等?？梢?jiàn)光通信可以與Wi-Fi、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（4G、5G）等現(xiàn)有通信技術(shù)進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，靈活快捷地組建臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)與通信鏈路，通過(guò)“光—電”轉(zhuǎn)換，將信息調(diào)制成LED光源發(fā)射到用戶(hù)終端，實(shí)現(xiàn)高速率、高安全性的無(wú)線光接入。

現(xiàn)階段我國(guó)“可見(jiàn)光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”已獲得重大突破，實(shí)時(shí)通信速率已達(dá)到50 Gbit/s[8]。未來(lái)隨著高調(diào)制帶寬LED光源器件、光學(xué)MIMO與正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）技術(shù)、高靈敏度廣角接收技術(shù)等創(chuàng)新突破，可見(jiàn)光通信在高鐵出行、智慧城市（家庭）等領(lǐng)域?qū)?lái)巨大的創(chuàng)新應(yīng)用和價(jià)值體驗(yàn)。

2.1.3 高效頻譜共享技術(shù)

我國(guó)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要采用授權(quán)載波的方式，由工業(yè)和信息化部無(wú)線電管理局、國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心（國(guó)家無(wú)線電頻譜管理中心）進(jìn)行無(wú)線電分配、監(jiān)測(cè)和頻譜管理等工作，頻譜資源實(shí)行有償使用制度，因此頻譜資源所有者獨(dú)占使用權(quán)限。這種方式在頻譜資源相對(duì)富余的2G、3G時(shí)代，能夠有效避免系統(tǒng)間干擾。隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的激增，獨(dú)占頻譜造成的頻譜閑置、利用不充分等問(wèn)題，加劇了頻譜供需矛盾，使得運(yùn)營(yíng)商不得不加速2G、3G退網(wǎng)，重耕頻譜以滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

為滿(mǎn)足未來(lái)鐵路專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)頻譜資源的使用需求，一方面，采用太赫茲和可見(jiàn)光等新頻譜技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展；另一方面，基于現(xiàn)有頻譜使用規(guī)則，改變目前授權(quán)載波的使用方式，以更靈活的方式分配和使用頻譜。動(dòng)態(tài)頻譜使用技術(shù)能夠有效提升現(xiàn)有頻譜利用率，通常包括動(dòng)態(tài)頻譜接入和動(dòng)態(tài)頻譜共享等方式[9]。由于大量的授權(quán)頻譜在時(shí)間和空間上未得到充分利用，用戶(hù)可以利用動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)搜索空閑頻譜波段，短時(shí)租用信道進(jìn)行信息傳輸，但現(xiàn)有動(dòng)態(tài)頻譜接入?yún)f(xié)議尚且無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜多變的實(shí)際場(chǎng)景。而動(dòng)態(tài)頻譜共享可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)狀況實(shí)現(xiàn)不同制式網(wǎng)絡(luò)在同一頻段內(nèi)動(dòng)態(tài)、靈活地申請(qǐng)和釋放頻譜資源，從而大幅提升整體頻譜利用率。未來(lái)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)可以引入動(dòng)態(tài)頻譜使用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)公用/專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和頻譜資源的共建共享。

2.1.4 大規(guī)模天線陣列技術(shù)

我國(guó)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)沿鐵路線方向進(jìn)行基站建站，基站鐵塔安裝定向天線進(jìn)行覆蓋，眾多橢圓形小區(qū)接續(xù)覆蓋，由于頻譜資源緊張，線狀覆蓋的小區(qū)采用頻率復(fù)用，存在同頻干擾、鄰頻干擾等問(wèn)題。MIMO技術(shù)在充分利用現(xiàn)有頻譜資源的基礎(chǔ)上，利用空間資源獲取可靠性與有效性，是未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)提高頻譜效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

通過(guò)引入大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，利用基站側(cè)配置的大規(guī)模天線陣列，建立多個(gè)信道，可以極大地?cái)U(kuò)充信道容量，服務(wù)小區(qū)中的若干用戶(hù)[10]。未來(lái)鐵路新一代通信頻譜采用的頻段波長(zhǎng)相對(duì)較短，可以在有限空間的天線內(nèi)部部署更多的天線陣子，非常適合大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用。另外，大規(guī)模MIMO可以結(jié)合波束成形技術(shù)補(bǔ)償波長(zhǎng)較短帶來(lái)的傳播損耗，緩解覆蓋相對(duì)受限的問(wèn)題。對(duì)于波束成形技術(shù)，全數(shù)字波束成形具有精度高、靈活、響應(yīng)及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)基帶處理能力要求高、系統(tǒng)復(fù)雜、成本高。模擬波束成形雖然基帶處理的數(shù)據(jù)量小，但是受器件精度的約束較大，性能不佳，因此實(shí)際部署中通常采用折中的模數(shù)混合波束成形方案[11]。針對(duì)鐵路業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，大規(guī)模MIMO+波束成形技術(shù)可以提供差異化覆蓋，從而獲得超高傳輸速率和較大覆蓋范圍，鐵路大規(guī)模MIMO+波束成形差異化覆蓋場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 鐵路大規(guī)模MIMO+波束成形差異化覆蓋場(chǎng)景

2.2 新型信道編碼技術(shù)

信道編碼是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)，在數(shù)字通信傳輸中外界干擾會(huì)產(chǎn)生誤碼，從而使接收到的信息出現(xiàn)缺失，導(dǎo)致圖像卡頓、不連續(xù)、馬賽克等問(wèn)題。信道編碼對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行相應(yīng)的處理，使其具有一定的抗干擾能力和糾錯(cuò)能力，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸效率，避免傳輸過(guò)程中誤碼的發(fā)生，因此降低誤碼率是信道編碼的核心任務(wù)。常見(jiàn)的誤碼處理技術(shù)有糾錯(cuò)、交織、線性?xún)?nèi)插等。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性，在源數(shù)據(jù)流中插入特定碼元，使數(shù)據(jù)在到達(dá)接收方時(shí)能夠進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)。

香農(nóng)定理描述了信道容量與信道帶寬、信噪比之間的關(guān)系，其表達(dá)式為=·lb(1+/)，其中是信道支持的最大速率（也叫信道容量），是信道帶寬，是平均信號(hào)功率，是平均噪聲功率，即信噪比。香農(nóng)公式給出了信道容量的極限，即實(shí)際無(wú)線制式中單信道容量不能超過(guò)該極限，只能盡量接近該極限。1993年，法國(guó)電機(jī)工程師Berrou和Glavieux通過(guò)迭代譯碼的辦法發(fā)明了Turbo碼，使得信道編碼效率接近香農(nóng)極限，開(kāi)創(chuàng)了通信編碼史革命性的時(shí)代。隨后，全世界各大通信廠商和運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始對(duì)Turbo碼進(jìn)行深入研究。5G時(shí)代的來(lái)臨，針對(duì)超高速率、超低時(shí)延等場(chǎng)景需求，采用迭代譯碼的Turbo碼遇到瓶頸，因此，需求催動(dòng)技術(shù)的演進(jìn)，出現(xiàn)了新的信道編碼：Polar碼和低密度奇偶校驗(yàn)（low density parity check，LDPC）碼。由于這兩種編碼的性能均非常逼近香農(nóng)極限，于是在2016年10月的3GPP里斯本會(huì)議以及11月的里諾會(huì)議上，針對(duì)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）應(yīng)用場(chǎng)景，確定將LDPC碼作為eMBB數(shù)據(jù)信道的編碼方案，Polar碼作為eMBB控制信道的編碼方案[12]。

未來(lái)鐵路新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將以“車(chē)-地、車(chē)-車(chē)、車(chē)-人”信息無(wú)縫協(xié)同交互為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)任何人（whoever）在任何時(shí)間（whenever）、任何地點(diǎn)（wherever）以任何方式（whatever）同任何人（whomever）進(jìn)行通信。信道編碼技術(shù)的選擇不僅要考慮鐵路行業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用特點(diǎn)，還要考慮與公網(wǎng)體系的兼容性。同時(shí)，考慮到下一代通信系統(tǒng)（B5G/6G）將采用寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)，新的信道編碼技術(shù)既要能夠有效地與地面通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，又要具備星地鏈路間高速數(shù)據(jù)傳輸、抗衰落、抗干擾及高效頻譜利用等能力，從而提高新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道可靠性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信。

2.3 車(chē)載多功能綜合射頻技術(shù)

我國(guó)高速鐵路列車(chē)的車(chē)載信息通信系統(tǒng)主要包含如下幾種系統(tǒng)：用于列車(chē)調(diào)度通信的GSM-R；用于列車(chē)定位及識(shí)別的應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)[13]；用于提供旅客無(wú)線局域網(wǎng)共享上網(wǎng)的高鐵動(dòng)車(chē)Wi-Fi系統(tǒng)；面向鐵路設(shè)計(jì)期、施工期以及運(yùn)維期，在工程測(cè)量、智慧工地系統(tǒng)、“一帶一路”中歐班列集裝箱定位跟蹤、高鐵列控系統(tǒng)等九大鐵路業(yè)務(wù)板塊的車(chē)載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[14]；利用4G/5G公網(wǎng)進(jìn)行車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⑾到y(tǒng)，如動(dòng)車(chē)組故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostics and health management，PHM）系統(tǒng)[15]。這些系統(tǒng)部署有獨(dú)立的車(chē)載移動(dòng)臺(tái)、服務(wù)器或天線單元，眾多輻射源集中在空間有限的車(chē)廂內(nèi)，易出現(xiàn)射頻干擾、電磁干擾等問(wèn)題，并且各系統(tǒng)射頻資源無(wú)法共享，難以進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理。

針對(duì)車(chē)載各系統(tǒng)分散、獨(dú)立的架構(gòu)現(xiàn)狀，結(jié)合高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，需要研究設(shè)計(jì)一套軟件定義化、模塊化、可持續(xù)升級(jí)的車(chē)載多功能射頻系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鐵路新一代移動(dòng)通信無(wú)線射頻資源的合理調(diào)度管理。車(chē)載多功能射頻系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。綜合射頻技術(shù)的概念主要來(lái)自現(xiàn)代海軍艦艇的艦載雷達(dá)系統(tǒng)[16]，指利用較少的分布式寬帶多功能天線取代數(shù)量眾多的常規(guī)天線，將模塊化、開(kāi)放式、可重構(gòu)的射頻傳感器系統(tǒng)體系架構(gòu)與功能控制、資源管理調(diào)度算法、軟件編程等結(jié)合，與通信、導(dǎo)航、識(shí)別等多種射頻功能實(shí)現(xiàn)資源共享。

在高鐵列車(chē)上應(yīng)用綜合射頻技術(shù)，需要克服以下幾個(gè)難點(diǎn)。

（1）一體化集成天線技術(shù)

一體化集成天線[17]是綜合射頻技術(shù)不可或缺的條件，與傳統(tǒng)射頻天線相比，一體化集成天線可消除天線數(shù)量、種類(lèi)過(guò)多導(dǎo)致的空間占用多、布局雜亂等缺點(diǎn)。其利用寬帶多波束技術(shù)將多個(gè)功能的天線模塊集成在一個(gè)天線陣列中，從而提升車(chē)載天線的電磁兼容性和優(yōu)化射頻配置管理。

（2）射頻綜合處理技術(shù)

射頻通道的主要任務(wù)是完成無(wú)線射頻信號(hào)的收發(fā)，射頻通道是實(shí)現(xiàn)一體化集成天線的基礎(chǔ)。由于車(chē)上各信息通信系統(tǒng)對(duì)射頻指標(biāo)的需求不同，車(chē)載綜合射頻系統(tǒng)需要滿(mǎn)足不同功能模式下頻段、帶寬、覆蓋范圍、電磁環(huán)境等綜合因素的需求，解決模擬與數(shù)字電路集成問(wèn)題，并具備可重構(gòu)、可擴(kuò)展的能力。目前各系統(tǒng)采用獨(dú)立的射頻通道滿(mǎn)足不同功能的需求，不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，也降低了可維護(hù)性。楊心武[18]基于微波光子技術(shù)的寬帶、低損耗、高射頻隔離度和強(qiáng)并行處理能力等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展綜合射頻系統(tǒng)在可重構(gòu)分布式天線系統(tǒng)與通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器方面的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一通道下多信號(hào)的頻率重構(gòu)、路由重構(gòu)以及大容量射頻資源的靈活調(diào)配。

圖2 車(chē)載多功能射頻系統(tǒng)架構(gòu)

（3）高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)

綜合射頻系統(tǒng)要根據(jù)通信、定位、導(dǎo)航、車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)炔煌畔⑼ㄐ畔到y(tǒng)業(yè)務(wù)需求產(chǎn)生大量自適應(yīng)數(shù)字波束，對(duì)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速并行計(jì)算。由此，多功能綜合射頻系統(tǒng)不僅需要具備在瞬時(shí)帶寬下超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，還需根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分發(fā)。車(chē)載移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）系統(tǒng)的概念最初是為了滿(mǎn)足汽車(chē)自動(dòng)駕駛需求而提出的，其能夠提供實(shí)時(shí)處理且足夠強(qiáng)大的運(yùn)算能力。在高鐵列車(chē)上引入MEC，并融合鐵路新一代通信技術(shù)、人工智能技術(shù)（如深度學(xué)習(xí)）等，形成車(chē)載邊緣人工智能體系架構(gòu)[19]，可解決多功能綜合射頻系統(tǒng)在高速移動(dòng)過(guò)程中大吞吐量數(shù)據(jù)的分發(fā)、轉(zhuǎn)換和處理等高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)難點(diǎn)。

3 鐵路新一代移動(dòng)通信應(yīng)用展望

3.1 “空天車(chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)

空間信息系統(tǒng)與陸地、空中信息系統(tǒng)共同構(gòu)建的空天地一體化信息系統(tǒng)，是未來(lái)信息時(shí)代的重要戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。由空間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)組成的天基網(wǎng)絡(luò)和地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異構(gòu)融合，增加了網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋范圍，對(duì)于實(shí)現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)地區(qū)通信與信息服務(wù)有其明顯優(yōu)勢(shì)，已成為廣域通信保障和信息應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展領(lǐng)域[20]。國(guó)外以O(shè)neWeb、Starlink為代表的大規(guī)模低地球軌道（low earth orbit，LEO）小衛(wèi)星互聯(lián)星座正加速部署，我國(guó)也于2022年3月5日將銀河航天02批6顆LEO寬帶通信衛(wèi)星成功送入預(yù)定軌道，與銀河航天首發(fā)星共同組成LEO寬帶通信試驗(yàn)星座，用于LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、天地一體化網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)驗(yàn)證。

結(jié)合CR450、超級(jí)磁懸浮、低真空管（隧）道高速列車(chē)等“新基建”創(chuàng)新工程發(fā)展需求，本文設(shè)計(jì)構(gòu)建“空天車(chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以高速行駛列車(chē)為核心，以“車(chē)-地、車(chē)-車(chē)、車(chē)-人”信息無(wú)縫協(xié)同交互為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)未來(lái)鐵路新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與天基網(wǎng)絡(luò)有機(jī)融合?！翱仗燔?chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 “空天車(chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對(duì)圖3的空間網(wǎng)絡(luò)部分，由于外層空間相對(duì)空曠，LEO寬帶通信衛(wèi)星可以采用太赫茲通信或可見(jiàn)光通信的方式，憑借非常寬的頻率范圍和比較廣的覆蓋面積，衛(wèi)星之間可以實(shí)現(xiàn)星間互聯(lián)，構(gòu)建空間“星座”網(wǎng)絡(luò)[21]。天基網(wǎng)絡(luò)部分，依托高空氣球、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)等平臺(tái)搭載便攜式基站形成空中接入點(diǎn)，也可以將其作為中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建高效便捷、機(jī)動(dòng)靈活且不受復(fù)雜地形限制的空中接入網(wǎng)絡(luò)[22]。車(chē)載網(wǎng)絡(luò)部分，本文給出兩種接入方案。第一種方案，采用傳統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Ad Hoc）技術(shù)，搭建車(chē)載Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)每列車(chē)廂內(nèi)的無(wú)線覆蓋；第二種方案，采用可見(jiàn)光通信技術(shù)，并結(jié)合“光—電”轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)每列車(chē)廂內(nèi)的無(wú)線覆蓋。兩種組網(wǎng)方式最終都接入車(chē)載多功能綜合射頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

空間網(wǎng)絡(luò)、天基網(wǎng)絡(luò)、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)星地鏈路構(gòu)建全天候、全域覆蓋、高速率的“空天車(chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)[23]，一方面，通過(guò)LEO寬帶通信衛(wèi)星結(jié)合地面通信的星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)高效地傳遞列車(chē)控制、列車(chē)定位等車(chē)地傳輸?shù)南嚓P(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛和線路有效的智能管控；另一方面，“空天車(chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)提升了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的廣度和深度，基于5G開(kāi)展的智能鐵路業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如無(wú)人駕駛、智能列控、智能調(diào)度、虛擬建造等智能化業(yè)務(wù)將進(jìn)一步增強(qiáng)，面向智能鐵路全域通信、全場(chǎng)景數(shù)字孿生、全業(yè)務(wù)數(shù)智融合等目標(biāo)將成為可能。

3.2 基于北斗的通信-導(dǎo)航一體化

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式開(kāi)通，標(biāo)志著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)邁入全球服務(wù)新時(shí)代，成為繼高鐵之后又一張“國(guó)家名片”。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)——北斗鐵路行業(yè)綜合應(yīng)用示范工程圓滿(mǎn)完成，為我國(guó)建立鐵路行業(yè)北斗“應(yīng)用+標(biāo)準(zhǔn)”雙重體系奠定了基礎(chǔ)，有力促進(jìn)了中國(guó)北斗和中國(guó)高鐵兩張“國(guó)家名片”的深度融合[24]?！丁笆奈濉辫F路科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出，以北斗鐵路行業(yè)綜合應(yīng)用示范工程為依托，大力推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)與鐵路技術(shù)裝備、工程建造、運(yùn)輸服務(wù)等領(lǐng)域的深度融合，構(gòu)建我國(guó)自主可控的鐵路北斗應(yīng)用技術(shù)體系?！惰F路5G技術(shù)應(yīng)用科技攻關(guān)三年行動(dòng)計(jì)劃》也指出未來(lái)鐵路要開(kāi)展基于5G網(wǎng)絡(luò)融合北斗、無(wú)源里程標(biāo)等列車(chē)自主定位手段，實(shí)現(xiàn)列車(chē)追蹤邏輯、位置共享和信息傳輸?shù)摹败?chē)-車(chē)通信”列車(chē)接近預(yù)警。

“北斗+5G”是實(shí)現(xiàn)天地一體、通導(dǎo)融合的重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，其具有天然通導(dǎo)一體化結(jié)合的趨勢(shì)，相互賦能、彼此增強(qiáng)。在高精度定位方面，北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航信號(hào)覆蓋全球，室外直接定位精度可達(dá)米級(jí)，地基增強(qiáng)可達(dá)毫米級(jí)，但在室內(nèi)、隧道和地下等遮擋區(qū)域，衛(wèi)星定位信號(hào)接收困難，容易造成定位導(dǎo)航盲區(qū)。5G網(wǎng)絡(luò)采用下行時(shí)間差定位（downlink time difference of arrival，DL-TDOA）技術(shù)、上行時(shí)間差定位（uplink time difference of arrival，UL-TDOA）技術(shù)等多種定位技術(shù)，可在室內(nèi)、地下空間等復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)，甚至分米級(jí)定位精度。北斗與5G的深度融合能夠形成室內(nèi)外無(wú)縫的高精度定位能力[25]。在精確授時(shí)方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)利用其精確授時(shí)功能，可為5G網(wǎng)絡(luò)提供納秒級(jí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步以及高精度終端位置信息，輔助提高運(yùn)行管理效率，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性。在信息傳送方面，5G網(wǎng)絡(luò)具備高帶寬、低時(shí)延特性，用戶(hù)終端通過(guò)輔助北斗（assisted BeiDou navigation satellite system，A-BDS）定位技術(shù)，可以減少獲取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文、概略位置、時(shí)間和頻率等信息的時(shí)間，從而提高時(shí)空信息接收靈敏度[26]。

北斗與5G融合的通導(dǎo)一體化將實(shí)現(xiàn)相互賦能，帶來(lái)增量效應(yīng)，依托其全空域、全時(shí)域、高精度、高可靠、高可用的時(shí)空信息感知能力，為高鐵350 km自動(dòng)駕駛、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等智能鐵路應(yīng)用提供技術(shù)支撐[27]。

3.3 基于MEC的通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化

在鐵路列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，存在多種車(chē)-地?cái)?shù)據(jù)交互的業(yè)務(wù)場(chǎng)景及應(yīng)用[28]，主要包括：行車(chē)控制類(lèi)業(yè)務(wù)，如無(wú)線調(diào)度、車(chē)載高清視頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷等；客運(yùn)綜合信息類(lèi)業(yè)務(wù)，如客運(yùn)信息發(fā)布、旅客服務(wù)、客運(yùn)多媒體娛樂(lè)等；物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)類(lèi)業(yè)務(wù)，如供電安全監(jiān)測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)（6C）、移動(dòng)票務(wù)、集裝箱聯(lián)運(yùn)等；旅客移動(dòng)寬帶接入類(lèi)業(yè)務(wù)，如移動(dòng)辦公、高清視頻娛樂(lè)、即時(shí)通信、在線聯(lián)機(jī)游戲、社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。這些業(yè)務(wù)場(chǎng)景及應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)由于承載能力不足，終端到業(yè)務(wù)核心的時(shí)延較大，高速移動(dòng)造成的頻繁切換小區(qū)，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量不佳，極大地影響用戶(hù)體驗(yàn)。

面對(duì)智能鐵路應(yīng)用高帶寬、低時(shí)延等需求，借助MEC技術(shù)，將云側(cè)功能和應(yīng)用能力下沉到路側(cè)基站，同時(shí)在車(chē)上部署車(chē)載MEC服務(wù)器，構(gòu)建基于新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)+MEC的“通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化”融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[29]。一方面，利用列車(chē)低速運(yùn)行或?？空緟^(qū)的有限時(shí)間，通過(guò)新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)-地?cái)?shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)；另一方面，依托云邊協(xié)同機(jī)制和策略，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算、存儲(chǔ)資源的高效融合與敏捷分配。基于MEC的“通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化”融合架構(gòu)如圖4所示。

基于MEC的通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化本質(zhì)上是連接與計(jì)算，其優(yōu)勢(shì)在于MEC靠近信息源，可以大大減少數(shù)據(jù)交互的時(shí)延問(wèn)題，未來(lái)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將解決高帶寬、大連接等問(wèn)題，針對(duì)高鐵移動(dòng)過(guò)程中專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)和公網(wǎng)業(yè)務(wù)共存場(chǎng)景，面向鐵路各類(lèi)用戶(hù)差異化需求，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容的本地化、近距離、分布式部署。為了實(shí)現(xiàn)基于MEC的通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化在未來(lái)智能鐵路中的應(yīng)用，除了上述融合架構(gòu)的研究應(yīng)用，還應(yīng)開(kāi)展邊緣緩存、邊緣智能和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content delivery network，CDN）等研究[30]，在保障資源動(dòng)態(tài)分配的基礎(chǔ)上，把傳輸時(shí)延的影響降到最低。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)是萬(wàn)物互聯(lián)的社會(huì)，移動(dòng)通信的作用也愈發(fā)重要。智能鐵路是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)性工程，聚焦智能感知、萬(wàn)物互聯(lián)、高效傳輸?shù)妊芯糠较?，需要突破解決系列移動(dòng)通信的“卡脖子”問(wèn)題，鐵路通信技術(shù)變革已是大勢(shì)所趨。本文基于我國(guó)鐵路移動(dòng)通信現(xiàn)狀以及發(fā)展規(guī)劃，研究新一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)，目標(biāo)是構(gòu)建以高速行駛列車(chē)為核心、“車(chē)-地、車(chē)-車(chē)、車(chē)-人”信息無(wú)縫協(xié)同交互的“空天車(chē)地一體化”網(wǎng)絡(luò)，并在智能鐵路業(yè)務(wù)場(chǎng)景中開(kāi)展通導(dǎo)一體化、通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化應(yīng)用，不斷提升鐵路移動(dòng)通信服務(wù)能力和質(zhì)量，為我國(guó)智能鐵路發(fā)展提供技術(shù)支撐。

圖4 基于MEC的“通信-計(jì)算-存儲(chǔ)一體化”融合架構(gòu)

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Exploration and prospect of the key technologies of the new generation mobile communication of intelligent railway

LU Yulong1, SHEN Haiyan2, ZHANG Junyao1, YANG Xinglei1, XIE Yalong2, YANG Lingling1

1. Beijing Jingwei Information Technology Co., Ltd., Beijing 100081, China 2. Institute of Computing Technology, China Academy of Railway Sciences Co., Ltd., Beijing 100081, China

The progress of mobile communication technology drives industrial changes in all walks of life. The carrying capacity of the existing railway mobile communication system is increasingly difficult to meet the rapid growth of modern railway networks even after decades of development. Based on the requirements of intelligent railway applications for mobile communication bandwidth, delay, coverage and other challenges faced by the new generation of mobile communication, the critical technologies of new-generation mobile communication were focused on, such as the new generation of communication spectrum technology, channel coding technology, and multi-functional integrated radio frequency technology. Additionally, an “air-space-vehicle-ground integration” network aiming at seamless collaborative interaction of information among “vehicle-ground, vehicle-vehicle, and vehicle-person” was constructed. Furthermore, the application of communication-navigation integration, and communication-computing- storage integration were studied and prospected in intelligent railways. It will play a vital role in improving the service capability and efficiency of railway mobile communication and enable the development of China’s railway intelligence.

intelligent railway, new generation mobile communication, air-space-train-ground integration, communication-navigation integration, communication-computing-storage integration

TP929.5

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023002

2022–07–01；

2022–12–20

張俊堯，526789224@qq.com

中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司系統(tǒng)性重大項(xiàng)目（No.P2021S005）

Major Systematic Project of China National Railway Corporation (No.P2021S005)

魯玉龍（1989– ），男，北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司副研究員，主要研究方向?yàn)殍F路工程信息化、信息通信技術(shù)應(yīng)用。

沈海燕（1968– ），女，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所研究員，主要研究方向?yàn)殍F路信息化、信息通信技術(shù)應(yīng)用。

張俊堯（1992– ），女，北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司助理研究員，主要研究方向?yàn)殍F路工程信息化。

楊興磊（1985– ），男，北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殍F路工程信息化。

解亞龍（1980– ），男，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所研究員，主要研究方向?yàn)殍F路工程信息化。

楊玲玲（1983– ），女，北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司副研究員，主要研究方向?yàn)殍F路工程信息化。