高速铁路移动通信系统技术与发展

JaredStirl

摘 要：列车的通信系统可以说对于旅客来说是有一定改善需求的领域，由于信息化的加强使得信息产品的使用在生活中越来越密不可分，因而移动通信需求可以说成为了一个比较迫切需要解决的问题。而就实际情况来说，高速铁路自身的控制系统实际上也需要对于通信技术有更高的要求，虽然二者并非同类，但是技术本源却是一致的。因而实际上可以说移动通信技术的发展，无论对于客户需求或者是自身的强化来说，都是有价值的。
关键词：高速铁路；移动通信系统技术；列车通信系统
移动通信技术的发展在现阶段可以说相当的完善了，基本上移动通信工具已经到了人人都有的情况了。而高速铁路在运行过程中，由于本身的速度极快，这样的情况就会对于无线电信号产生一定的延迟和干扰。这不仅对于旅客的移动通信使用造成了一定的困扰，对于列车本身来说，同样是如此。因此高速铁路移动通信技术的改善已经势在必行，并以此来推动和提高高铁本身的运行质量。
1 高速铁路通信系统技术简介
1.1 高速铁路移动通信系统技术的概念
高速铁路的发展本身是非常迅速的，一般来说其含义也正如名字所说的那样，是指时速超过一般列车速度比较多，而且通过专线运行的铁路运营方式。现阶段的高速铁路运行速度一般都在200km/h以上。
而列车的移动信息通信系统，则是以高速铁路列车作为核心载体，通过无线设置和有线的接入，从而形成一个有效的接收和发送的网络。可以说通过计算机系统的控制，进行数据接收储存传输，然后有效地控制一个系统工程。移动通信信息系统本身是可以作用于列车控制，也能够作用于旅客服务的。因而就实际应用来说，是可以对于整个高速铁路列车系统而起作用的，也是通信系统所需要改善和加强的重要部分。
1.2 高速铁路移动通信系统技术的发展背景
就发展背景来说现阶段的铁路系统本身就是朝着高速化的方向来发展的，通过对于列车技术的改善以及铁路配置的强化，再加上能源效能的加强，可以说快速化的发展就成为了必然的趋势，对于铁路系统的提速而言，经过若干年的试验之后，必然的会出于对于流量速度的要求而进行提速，从而在技术和需求方面给予高速铁路发展的空间和基础。
而高速铁路的移动通信系统技术的出现，则是信息技术运用到高速铁路上面的重要突破，对于高速铁路的列车运行来说，本身的需求就有通信方面的联系需要，而且对控制方面的需求可以说是比较多的。而另一方面来说由于移动通信工具的普及，因而在高速铁路列车方面的使用也成为了经常的事例。然而高速环境下对于这方面的干扰是有一定的程度的，因而并不能够非常顺畅地进行利用，从而也给工作人员和旅客带来了些许的不便。需要承认如果列车的运行速度超过了300千米每小时，那么移动设备运行在正常状况下会受到很大的影响，对于使用效果来说不可不谓破坏性，因而就改善的需求来说，从各个方面都是面对列车提速所必须解决的问题。
1.3 高速铁路移动通信系统技术的意义
从我国高速铁路运行的现状来看，移动通信系统的问题可以说已经制约到了高速铁路继续提速的步伐，而且就现阶段的运行来说，可以认为已经出现了一些困扰的因素，只是因为还在能够接受的范围之内才没有什么异议出现。无论是出于继续发展的需要，还是出于改善管理的目的，在移动通信技术方面都有需要进行加强的地方的。
此外，从另一个角度来看，铁路行业本身就是服务业的一种，因而服务质量的加强本身也是其改善管理的一个重要方式。高速铁路本身的发展，也可以说必然面临着改善服务的强烈需求，因而高铁移动通信系统建设本身就要求能够对于客户需求进一步满足并且加强自身的服务体系建设，从而对于业务有着更加完善的反映。
2 我国高速铁路移动通信技术的现状
高速铁路的发展已经成为我国现阶段经济发展的一个带头因素，某种程度上已经普及了我国中东部的大部分地区，并且通过高速铁路的带动，使得相关服务业的发展也有了一定的进步。而高速铁路通信技术服务也日益成为高铁服务的一个重要部分，通过对于通信需求的满足，以及高铁本身的信息调控能力的提高，还能够对于旅客的需求进一步的满足和完善。而且，由于移动技术的发展和普及，列车的移动通信系统技术也需要随着高速铁路本身的发展而进一步进步，从而避免被限制的困境。
现阶段我国使用的主要的移动通信系统技术是GSM-R系统，即为铁路系统专用数字移动通信系统，主要功能包括无线列调，以及无线通信和隧道通信等功能。应当说相对之前的列车通信系统而言，该系统实现了更进一步的升级，对于寻址的定位功能进一步的强化，也可以通过主从同步方式从附近的相关设备中获取电信号，并且通过无线转换设备进行信号的转换和协调，从而能够实现对接功能。从这个角度来说，也可以认为这也是对于通信技术的运用和发展，保证了本身的服务质量的程度。
3 高速铁路移动通信技术的构成因素
从需求来说，高速铁路移动通信技术首要需求就是信息管理方面的，无论是环境状况或者是自身状况，都是对通信有一定要求的。同时，对于旅客信息的检测也自然更加依赖迅捷的信息技术的帮助，因而实际上这也是移动通信系统技术所能够做到的。从储存和调度的准确性和快捷性来说，必然的对于移动通信技术有其需求。
其次，列车控制也是对信息和联通有着很高的需求，就现阶段来说由于高速铁路实际上进一步强化了指挥的要求，而移动通信技术本身也能够方便对于整个列车的统筹控制，有利于及时地进行管控，来提高列车运行的效率。
另一方面，列车通信的需要也对于移动通信技术的发展是有一定的需求的，由于现阶段的移动设备的普及程度很高，因而能够在相应的地方使用也就成为了一种使用的需要。而且列车在运行中本身就有进行通信的必要性，无论是站内通信的快捷，或者是在通信系统故障的情况下需要临时应急处理，都是离不开的。因而从任何一个方面来说，实际上都是如此。
最后，在基础设施方面，整个高速铁路移动通信系统是需要从来源、转换以及接收方面同时做好，从而形成一个完善的系统来完成配合工作。并且通过无线系统的引导对整个列车的各方面需求进行满足。
4 高速铁路无线通信覆盖理论研究
本文将详细对高速铁路覆盖理论中存在的种种问题进行研究，主要从车体损耗、多普勒效应、小区切换等方面进行了阐述，为高速铁路的移动通信覆盖规划提出了问题，也初步做出了一些理论性的解决方案，并对实际覆盖中某些方面指出方向，其中很多地方也为实际勘测指明了重点，是高速铁路移动通信覆盖研究不可或缺的内容。
4.1 高铁通信网络面临的挑战
高速铁路通信网络面临的挑战也是巨大的，主要集中在这几个方面：
①车厢损耗大，主要是传输损耗大，以CRH1型车厢为例，静态时损耗25db，高速运行时就更高了。
②车速快，对切换和重选非常不利。目前国内高铁时速最快能达300km/h以上，多普勒效应非常明显。
③高速铁路通信对SNR要求高，还有很多乘客网上看视频、下载等业务同时进行，这种业务集中度高。
④铁路的地形地貌复杂多样性。
在这些挑战下，针对多普勒频偏，必须加入纠偏算法，对频偏纠正和补偿，来提高解调的性能。
4.2 多普勒效应的影响
什么是多普勒效应？当终端在高速运动中通信情况下，终端和基站都有直视信号，接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒效应。
事实上个人认为多普勒效应可以看成是频域上的多径效应，多径效应是“时延”，而多普勒效应是“频延”，由此可以得到多径和多普勒相结合的信号的一个核心的式子：
H（ω，t）=ane
在多普勒的情况下，造成频延不同的原因其实也是信号多径传输，不同路径到达时的角度不同，因此相对速度就不同。
高铁覆盖中的多普勒频移也可以用以下公式来表示：FR=FT×（1±v/c），其中FR是收信机接收频率，FT是发信机发射频率，V是移动台移动速度，C为电波传播速度。值得注意的是，多普勒频移引起上行信道的偏移量是下行信道偏移量的两倍。以GSM900MHz和GSM1800MHz为例，在表1中可以看出不同车速下的最大频移。
表1 最大频移
[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][列车行驶速度（km/h）
150
200
250
300
350
400][下行信道
125
167
208
250
292
333][上行信道
250
333
417
500
583
667][下行信道
250
333
417
500
583
667][上行信道
500
667
833
1000
1167
1333][900MHz最大频移（Hz）][1800MHz最大频移（Hz）]
总之，随着车速的不断提高，多普勒频移的影响也越来越明显，在高铁覆盖中首先考虑的是多普勒频移效应。在仿真环境中，瑞丽衰落时的多普勒效应对信道影响很大很明显，在直视范围内的莱斯衰落环境下的多普勒效应对无线信道的影响大大减少，所以，尽量保证发射天线和列车经过的铁路沿线保持在直视范围内。天线方位角的规划，最好在相邻站点间的2/3的距离来规划，保证高铁覆盖强度和站间重叠覆盖距离。然后切换时延，就X2口来说，控制面平均时延大概0.06s，用户面UL/DL0.057s。车速250km/h时，切换区域在69m；车速300km/h时，切换区域在83m。
4.3 单站覆盖距离
Okumura/Hata模型是应用较为广泛的覆盖预测模型，它是以准平滑地形的市区作基准，其余各区的影响均以校正因子的形式出现。Okumura/Hata模型市区的基本传输损耗模式为：
Lb=69.55+26.16lgf-13.82loghb-α（hm）+（44.9-6.55lghb）lgd
其中：Lb为市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）；f为工作频率（MHz）；hb为基站天线有效高度（m）；hm为移动台天线有效高度（m）；d为移动台与基站之间的距离（km）；α（hm）为移动台天线高度校正因子；s（a）为建筑物密度因子。
由此式就可以计算出天线高度和覆盖距离的相关数据。
4.4 相邻基站重叠覆盖问题
由于高铁多以同频组网方式，来提高频谱效率，但同频组网存在着小区间的同频干扰问题。现实中我们通常是通过管理无线资源使小区间干扰得到控制，也就是小区中资源和负载的情况来进行的多小区无线资源商量着来解决的，就是我们常常所说的ICIC（inter cell interference cacellation）。
从资源协商来讲，频率服用分为软频率复用（SFR，soft frequency reuse）、部分频率复用（FFR， fractional frequency reuse）和全频率复用（Full frequency reuse）三类。
软频率复用，是把所有的频段分成2组子载波，一组是主子载波，一组是辅子载波，主子载波可以在小区的任何地方使用，权利大的很，辅子载波只能在小区中心被使用，不同小区间的主子载波相互正交，在小区边缘有效地抑制了干扰。部分频率复用是把所有的频率分成4个组，对于小区中心的用户，给他频率复用因子1，固定分配到1组频段。对于小于边缘的用户，就只能用剩余的3组频率了，复用因子是3，保证和其相邻的小区边缘用户的频段相互正交，互不干扰。全频率复用就是所有的频点可放在小区的任何位置使用。
总的来看，三种频率复用，其实FFR和SFR可以算作一边，全频率复用算另一边。FFR和SFR是使用联系多个RB来组成子频带，全频率复用是使用单个RB，这是很大的区别！第二个区别是在小区中心资源和边缘资源的不同，换句话说就是使用的复用系数不同，全频率复用由于无小区中心和边缘区域资源划分；也就是说，在频率划分上，FFR和SFR的不同小区边缘用户使用相互正交的子载波，而全频率复用在不同小区用户使用相互正交的RB，或者干脆就结合功控来使用同一RB。
4.5 天线选择
由于铁路属于狭长地形场景覆盖，并且专网小区基站根据实际地理条件与铁路沿线可能有一定距离，因此根据实际情况需要选择不同的天线。
以铁路专网基站与铁路沿线的垂直距离S作为参考来选择天线，说明如下：
①当垂直距离S小于100m时，优先采用32°窄波束天线（如ODP-032R18dB），并且每个小区使用两副天线对铁路实施覆盖，这样还可以避免越区覆盖，见图1。此外为了保证一定的覆盖距离（暂定为1000m），在基站中心两侧总长度L为240m的范围内将主要通过天线的副瓣进行主力覆盖。
图1 天线覆盖方式示意
②当垂直距离在100～300m范围内时，可采用65°波束天线（如ODP-065R15dB）。覆盖方式同上，但整个覆盖范围内基本上依靠天线主瓣对铁路沿线进行主力覆盖。
③当垂直距离大于300m时，建议重新进行站址规划。
此外，对于波瓣过窄，导致出现天线零点的地方信号深度衰落，需要采用零点填充的特型天线或者在两小区正中间增加一面天线，天线增益优先选取为18dBi。
5 高速铁路移动通信新技术
由于铁路通信网络基站一般是平均分布的，而列车的运行又不是非常频繁，因此在利用率方面存在一定的浪费状况。针对这样的情况，采用分布式网络云结构在一定程度上是可以缓解这些问题的，通过集中的储存和收集，并且在需要的时候进行分配使用，可以在基带资源的使用率方面做出一定的改善。
近年，全球掀起了一轮云数据中心建设的浪潮，云计算技术帮助传统数据中心进行业务迁移、在单数据中心内实现资源调度和弹性扩容，一定程度解决了单个数据中心IT资源利用率不足、业务部署周期长、管理效率低下的问题。
分布式云系统就可以将分散、分层、异构的单一数据中心架构改造为全扁平式、点到点互联、统一资源管理的分布式云数据中心架构，可以实现多个不同地域、不同阶段、不同规模数据中心上百万台服务器资源的逻辑集中管理调度、统一呈现、统一运营，在保护原有投资的前提下更高效的提升整体数据中心资源利用率和管理效率，敏捷响应企业对IT的核心需求。
可见分布式网络云架构可以有效地优化使用效率，提高利用率。
6 结语
总体来看现阶段的铁路移动通信系统技术在世界层面的发展已经有一段时间了，不断地在向成熟化进步。同时，随着云计算技术的快速发展和应用，高速铁路移动通信技术也有一些新的变化和发展，这方面也需要尽可能的保持跟进的趋势，从而使得高铁移动通信技术不会受到短板的约束和限制。
参考文献：
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