高速鐵路移動通信系統關鍵技術的演進與發展分析

賀明華

（湖南高速鐵路職業技術學院，衡陽 421002）

就國內高鐵移動通信技術應用而言，目前該項技術應用還處于不斷完善與發展的階段。高鐵線路對于技術的要求較高，強調要通過對高端技術的合理運用，為地方運行便利性、安全性提供保障，確保車地兩方溝通順利程度。為對關鍵技術展開科學運用，做好技術研究與發展推動，研究人員開始著重對移動通信系統關鍵技術演進展開了分析。從國家角度而言，技術演進主要分為國際以及國內兩部分。

1 關鍵技術演進

1.1 國際部分

發達國家高鐵相關技術研究較早，與國內相比，其移動通信技術發展水平相對較高，整體移動通信服務較為完善，服務體系完善程度較為理想。在國家實際需要以及國家文化等內容推動下，發達國家乘客服務、技術發展始終保持著持續性強化的狀態，已經實現了無線網絡大規模覆蓋目標，列車內通信障礙得到了妥善處理。其中以GSM-R 技術最具代表性，該項技術最早應用在北歐、南歐等國家，經過多年發展，技術除在歐洲得到應用外，在印度和中國也有著廣泛運用。

1.2 國內部分

國內高鐵所使用移動通信技術最早以GSM-R 技術為主，該項技術最早應用于大秦線以及青藏線等線路，之后開始在高鐵線路、重載線路中得到運用。在國內經濟持續增加的環境中，技術應用以及相關技術得到切實優化，技術整體運用變得更加成熟。但隨著民眾以及高鐵運輸對于技術應用要求的不斷提高，技術運用已經無法滿足現代相關要求，在此背景下，多樣化通信技術開始出現，新型通信系統網絡建設也已經如火如荼展開，整體技術發展前景較為理想。

2 關鍵技術發展

2.1 5G 技術

5G 是最新興起高水平技術，是今后高鐵移動通信主要研究技術之一。由于高鐵移動通信技術研究與應用，有著明顯的前瞻性要求，所以在實施關鍵技術研究時，很需要從LTE-R 技術起，對技術今后發展展開深層次解讀，或者以5G 技術為基礎，展開移動通信技術研究，在此選擇后者，以5G 技術為切入點，對關鍵技術今后發展展開簡單剖析。

2.1.1 無線信道建模

通過對高鐵通信環境的分析可以發現，整體運行環境有著明顯的多徑數量少、散射環境簡單以及LOS 特性突出等方面的特征。整體環境信道多徑數量和列車位置有著密切關聯，如果列車位于基站較近或較遠區域，多徑數量總數相對較低，但如果位于其他區域，則其多徑數量就會出處于較多的狀態，但即便是在多徑數量較多場景中，和公網相比，其多徑數量仍然有限。信道非相干性問題較為明顯，需要通過對其他各種技術的運用，對非相干性實施克服，以求獲得最佳MIMO 增益。在5G 系統不斷向毫米波頻段實施擴展過程中，鐵路環境中的信道多徑數量會出現明顯較少的趨勢，其LOS 特性會更加突出，會直接引發各種新的問題。因此，研究人員需要做好新信道特性研究，要重點對大規模MIMO 環境中波束賦形以及天線陣設計等問題展開研究，以求研究出更加適合我國高鐵的自適應技術及其應用方案。

2.1.2 分布式云與網絡架構

網絡中基站資源使用率相對較低，其使用和基站位置、時間段有著密切關聯。在高鐵環境中，此種關聯會變得更加密切。為避免發生碰撞問題，列車發車存在著一定的時間間隔，即便是在同一條線路上，在同一時刻所運行的列車數量也相對有限，線路上基站多處于空間狀態，因此會造成大量資源浪費問題。為妥善解決這一問題，可將浪費資源以無線方式接入到網絡架構之中，通過對基站間可通用、共有基帶的運用，對資源展開集中處理，確保多余資源可以集中到一個基帶處理池之中，從而對資源展開集中控制。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，為用戶提供相應處理資源，資源利用率會得到顯著提升，資源使用靈活性也會變得更加理想。

從網絡拓撲層面而言，傳統分布式網絡和云架構有諸多相似點，均是運用光纖拉遠等技術對射頻拉遠單元實施控制的，可通過對一個基帶處理單元的運用，對多個單元展開同時控制。但兩者也有一些差異，在云架構之中，射頻拉遠單元和基帶處理單元連接關系并不固定，射頻拉遠單元并不屬于固定的基帶處理單元試題，實施信號接收與發送處理時，均是在虛擬基帶處理單元中展開的。將實時虛擬技術輸入到基帶處理池內部分處理器之中，便可形成此種虛擬基帶處理單元能力。和傳統分布式網絡相比，以虛擬技術為基礎的云架構更加適合今后高鐵移動通信網絡，會通過對物理資源的運用，達到全局優化的目標。

2.1.3 戶面、控制面分離技術運用

運用控制面、戶面分離技術實施容量拓展時，可通過開發更寬連續頻譜高頻頻段的方式，對鐵路無線通信系統寬帶實施延展。但因為高頻頻段路徑損耗相對較大，且存在著覆蓋范圍有限的問題，將其運用高鐵環境中，需要頻繁切換越區。為保證系統容量擴展質量，達到良好的移動性效果，研究人員提出構建用戶面、控制面分離異構無線通信網絡架構結構。

服務基站在接入用戶時，存在著兩個連接平面，即用戶面以及控制面。控制面主要負責承載接入網絡和用戶間控制信令，而用戶面以業務數據傳輸功能為主。為保證控制面移動性，需要保證控制面整體覆蓋范圍，確保可以省去頻繁切換操作，以為用戶移動性功能實現提供可靠保障。在架構內，用戶控制面會被保留在低頻頻段之中，而這一頻段有著明顯的信號覆蓋范圍大以及傳輸性能優等特點。因為要對建設成本實施控制，所以該頻段可以運用LTE-R 或GSM—R 遺留頻段，以便減少不必要的成本支出。同時需要將用戶面移動到更寬頻譜高頻頻段之中，進而達到切實拓展系統容量的目標。

以往在網絡架構內，會按照傳輸可靠性指標對中斷概率展開衡量，但在此種構架內，用戶面以及控制面會被分配到多個網絡節點之中，且控制面會傳輸可靠性所產生的影響會更加明顯，會被保留在低頻頻段，以防造成不利影響。在此結構內中斷概率并不適用，需要重新展開新指標建設，以便用標準對系統傳輸性能展開判斷，以便更好地對用戶面中斷概率展開運用。指標的運用，可實現對用戶面以及控制面的有效區分，控制面與傳輸可靠性有著密切關聯，更加符合高鐵業務傳輸需要。

除分離架構外，還可通過對其他方式的運用，達到高頻頻段融合目標。例如，可在不對原有網絡部署實施改動的基礎上，展開大發射功率高頻基站建設，從而達到彌補路徑損耗，拓展覆蓋范圍的目標，確保原有基站分流業務覆蓋范圍可以得到切實拓展，進而實現對系統容量的切實拓展。同時此種方式的運用，還可達到良好的無線回傳效果，可妥善解決網絡密集化所造成的有限回傳布網難度較大問題。就傳輸特性層面來看，低頻頻段和高頻頻段之間傳輸特征并不相同，所以在對高頻頻段實施寬帶延伸時，應加大對頻段應有優勢挖掘力度，從而達到強化系統性能的目標。

2.2 旅客無線網絡接入系統

向旅客提供無線網絡服務，可在保證旅客乘坐體驗的同時，為系統運營創造出更大的收益。由于旅客收集設備多數無法處理復雜程度較高的信號，即便可以實施處理，也需要大功率作為支持，普通手機無法達到這一功能，所以在實施網絡接入系統建設時，需要做好移動數據傳輸鏈路處理，應重新對車地間寬度數據和移動數據傳輸連接方式展開構建，并做好列車內WIFI 等系統建設，保證列車內移動網絡使用穩定性、無障礙性。

3 結束語

雖然我國高速鐵路建設以及移動通信技術起步時間相對較晚，在部分技術研究方面與發達國家相比還存在一定差距，但經過多年發展，我國在高鐵方面取得成績已經得到了顯著性進步。在進行移動通信關鍵技術研究與改進時，有關部門需要從我國國情著手，對關鍵技術演進展開全面研究，確定今后技術發展主要方向，并以此為導向，對技術發展展開深層次解析，以對各種通信技術應用問題展開科學應對，確保各項挑戰與沖擊可以得到妥善化解，從而實現對高鐵行業發展的有效帶動，為廣大乘客創造出更加優質的高鐵乘坐體驗。