陶 成，劉 留，邱佳慧，談?wù)褫x

（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100044）

1 引言

鐵路作為國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈和大眾化的交通工具，是國(guó)家綜合交通運(yùn)輸體系的骨干。隨著2007年我國(guó)實(shí)施第六次大面積提速，京津城際高速鐵路的開(kāi)通和2008年4月京滬高速鐵路的全線開(kāi)工建設(shè)，高速列車運(yùn)動(dòng)速度將達(dá)到350～580 km/h，中國(guó)鐵路由此跨入高速時(shí)代。

根據(jù)鐵道部《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整）》、《鐵路“十一五”規(guī)劃》以及與之配套的《鐵路信息化總體規(guī)劃》，至2020年全路將建成完整的鐵路信息化體系。在鐵路信息化體系的建設(shè)中，列車是鐵路運(yùn)營(yíng)的中心載體，是一個(gè)巨大的信息源，鐵路信息化如果沒(méi)有列車信息源，則很難全面發(fā)展。目前，鐵路已有的信息系統(tǒng)在提高鐵路的運(yùn)輸能力、提高列車安全性能等方面發(fā)揮著重要作用，但是，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，如GSM-R系統(tǒng)只能解決中低速條件下（﹤250 km/h）列車和地面節(jié)點(diǎn)之間的列控窄帶通信需求，對(duì)于超高速（350～580 km/h）移動(dòng)條件下，以乘客數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主體的寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)通信將是未來(lái)高速鐵路無(wú)線接入需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 高鐵寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的需求

隨著高速鐵路的發(fā)展，高速鐵路車地之間的通信數(shù)據(jù)量將越來(lái)越多，以乘客為主體的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也逐漸成為高速鐵路寬帶無(wú)線接入的主要業(yè)務(wù)，高速鐵路寬帶接入要求支持現(xiàn)有2G、3G移動(dòng)通信系統(tǒng)，對(duì)于未來(lái)通信體制能夠平滑升級(jí)，并且要求能夠支持鐵路運(yùn)輸?shù)姆前踩珨?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這里，將高速鐵路寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求分為以下兩類。

2.1 鐵路運(yùn)輸通信業(yè)務(wù)需求

未來(lái)的高速鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)不僅具有較高的運(yùn)行速度，還是一個(gè)高度自動(dòng)化、信息化、智能化的平臺(tái)。為了保證以極高速度運(yùn)行的列車的安全性和大量列車在路網(wǎng)中快速合理的調(diào)度，就需要高速列車在運(yùn)行過(guò)程中，列車運(yùn)行、列車安全監(jiān)控、維護(hù)等信息實(shí)時(shí)傳送到地面，滿足鐵路路網(wǎng)移動(dòng)體（機(jī)車、車輛等）

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤信息傳輸?shù)男枰?。這其中主要包括列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)診斷技術(shù)、運(yùn)行控制技術(shù)。這些技術(shù)都要求運(yùn)行中的列車、軌道沿線和鐵路控制中心之間保持實(shí)時(shí)和高可靠性的無(wú)線連接。

2.2 乘客通信業(yè)務(wù)需求

在未來(lái)高速鐵路運(yùn)營(yíng)中，以乘客信息為主的寬帶無(wú)線接入將成為高速鐵路車地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獌?nèi)容。在乘坐高速列車的幾個(gè)小時(shí)中，乘客需要處在實(shí)時(shí)“信息在線”狀態(tài)，高速列車不能成為“信息孤島”，所以，乘客必須能夠通過(guò)手機(jī)、筆記本等無(wú)線終端實(shí)時(shí)與外界保持聯(lián)系，這就要求在高速移動(dòng)條件下，高速鐵路為乘客提供可靠有效的無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（1）移動(dòng)電話語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

移動(dòng)電話已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡耐ㄐ殴ぞ?，高鐵寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)必須對(duì)此提供全面的支持，不僅要支持目前已經(jīng)商用化的2G、3G移動(dòng)通信系統(tǒng)，還要能夠?qū)ξ磥?lái)的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)提供支持。

（2）無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)

高速列車的乘客主要以高端商務(wù)旅客為主，而且旅行時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)4～5 h，因此列車必須滿足他們的移動(dòng)辦公需要，保障與移動(dòng)辦公相關(guān)的語(yǔ)音通話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(包括遠(yuǎn)程接入公司VPN、電子郵件、視頻會(huì)議、電子商務(wù)等)。高速列車無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)可以令乘客接入所有現(xiàn)有固定互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、收發(fā)電子郵件、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)下載、在線視頻點(diǎn)播等。

（3）車載 Wi-Fi服務(wù)

高速列車內(nèi)部構(gòu)成特定區(qū)域的無(wú)線局域網(wǎng)，高鐵乘客內(nèi)部容易實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)互傳、資源共享，節(jié)省車地間數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

（4）車載公眾信息服務(wù)

車載公眾信息服務(wù)指的是由列車對(duì)乘客統(tǒng)一提供的乘客信息系統(tǒng)(PIS)服務(wù)，通過(guò)PIS分布于各車廂的顯示器，乘客可以了解列車的運(yùn)行狀態(tài)信息，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)從鐵路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下載內(nèi)容提供新聞報(bào)道、公益廣告、天氣預(yù)報(bào)、影視娛樂(lè)節(jié)目等豐富多彩的實(shí)時(shí)電視節(jié)目，還可以提供旅客前方目的地旅游信息，不僅可以有效改善用戶的乘車體驗(yàn)，同時(shí)也為高速鐵路帶來(lái)新的盈利點(diǎn)。

3 高鐵寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的特點(diǎn)

在高速鐵路的特殊環(huán)境下，與其他陸地?zé)o線接入相比，高鐵寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)，有些特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)建造成壓力，而有些特點(diǎn)則可以用來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（1）大多普勒頻偏與快速多普勒變化

目前，我國(guó)高速鐵路測(cè)試的最高運(yùn)行速度約為400 km/h，未來(lái)規(guī)劃的最高運(yùn)行速度將達(dá)到580 km/h。高速運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移、信道的快衰落特性對(duì)高速率信息傳輸帶來(lái)極大的威脅。當(dāng)無(wú)線傳輸中心頻率為2.4 GHz，運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到360 km/h時(shí)，多普勒頻偏將達(dá)到800 Hz，信道呈快速時(shí)變特性。另外，對(duì)于TDD的通信系統(tǒng)，如果基站主載頻為f0，由于高速移動(dòng)，移動(dòng)終端接收到的信號(hào)頻偏為Δf，則終端鎖定基站的接收信號(hào)頻率為f0+Δf，并將該頻率作為參考基準(zhǔn)進(jìn)行上行信號(hào)發(fā)射；同樣由于高速移動(dòng)，終端的上行信號(hào)到達(dá)基站天線時(shí)，其頻率為 f0+Δf+Δf=f0+2Δf，導(dǎo)致上行鏈路頻偏是下行鏈路頻偏的2倍，這樣導(dǎo)致基站難以解調(diào)終端發(fā)射信號(hào)。所以，高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻偏，嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能。

由于通信基站與鐵道的距離較近 （約20～50 m），當(dāng)列車高速駛過(guò)通信基站時(shí)，多普勒頻偏將從最大（最正）快速變化到最小（最負(fù)）。這種多普勒頻偏的快速變化對(duì)系統(tǒng)的影響與單純的近乎恒定的多普勒頻偏對(duì)系統(tǒng)的影響不同。

（2）頻繁切換與群切換

以GSM-R基站建設(shè)為例，基站間的最小距離小于3 km，如果列車的運(yùn)行速度為360 km/h，則30 s就需要進(jìn)行一次越區(qū)切換。當(dāng)前移動(dòng)無(wú)線接入設(shè)計(jì)面向中低速移動(dòng)場(chǎng)景，但是當(dāng)移動(dòng)終端在蜂窩小區(qū)間快速切換，當(dāng)移動(dòng)速度足夠快以至于穿越切換區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)處理切換的最小時(shí)延，移動(dòng)終端將發(fā)生掉話。

由于列車上乘客地理位置的集中性，當(dāng)列車穿越小區(qū)邊緣時(shí)，將發(fā)生用戶的群切換。這是普通蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)所沒(méi)有的特性。

（3）環(huán)境復(fù)雜多變，信道變化迅速

高速鐵路通常建設(shè)在城市郊區(qū)或者農(nóng)村空曠地帶，車外的傳播環(huán)境大多是典型的鄉(xiāng)村場(chǎng)景。在終端和基站之間存在較強(qiáng)的直射徑（line of sight，LOS），多徑數(shù)目較少且較弱。這一點(diǎn)與城市環(huán)境下的信道特性有明顯的不同。

（4）高速列車車廂穿透損耗大

新型“和諧號(hào)”動(dòng)車組整車通常包括兩側(cè)各一個(gè)車頭在內(nèi)的8節(jié)車廂，車身由鋁合金和不銹鋼材料組成，全車為全封閉車廂，相比較于普通列車而言，動(dòng)車組列車的車廂穿透損耗相對(duì)會(huì)高很多，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。車廂的穿透損耗會(huì)直接影響車廂內(nèi)終端接收信號(hào)的強(qiáng)度，所以對(duì)于相同發(fā)射功率的信號(hào)，高速列車車體內(nèi)接收的信號(hào)較弱，所以這會(huì)影響鐵路沿線小區(qū)的覆蓋范圍。表1是不同車體對(duì)無(wú)線信號(hào)的衰減[1]。

表1 不同型號(hào)列車車體損耗

（5）高速鐵路乘客寬帶接入運(yùn)動(dòng)的集中性和相對(duì)性

高速列車上乘客寬帶無(wú)線接入可看作是乘客集中運(yùn)動(dòng)的集體接入，而公眾移動(dòng)通信用戶是單個(gè)終端的獨(dú)立個(gè)體行為的接入。乘客集體接入具有運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向一致性的特點(diǎn)。另外，與公眾無(wú)線通信網(wǎng)無(wú)線接入不同，高速鐵路寬帶接入具有運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和絕對(duì)性的特點(diǎn)，即高鐵乘客相對(duì)于車廂內(nèi)部是靜止的；相對(duì)于地面是高速移動(dòng)的。

（6）高速鐵路列車運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性和運(yùn)動(dòng)信息的可預(yù)知性

公眾移動(dòng)通信用戶在小區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的，而高速列車在已知的軌道上行駛，列車上有先進(jìn)的列控系統(tǒng)，其運(yùn)行方向和線路是規(guī)律和確定的，從而運(yùn)動(dòng)的乘客寬帶接入方向也是規(guī)律和確定的。這些運(yùn)動(dòng)信息可為高速鐵路寬帶接入通信系統(tǒng)提供先驗(yàn)信息，如果加以合理的利用，可對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)好處。

（7）覆蓋區(qū)域沿鐵路呈帶狀分布

與公眾通信網(wǎng)的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)不同，高速鐵路寬帶無(wú)線接入所覆蓋的服務(wù)區(qū)域，沿鐵路呈帶狀分布，如圖1所示。

（8）高速鐵路寬帶接入系統(tǒng)容量可預(yù)知性

以我國(guó)將在京滬高速鐵路上投入運(yùn)營(yíng)的新型動(dòng)車組為例，新型動(dòng)車組采用16輛長(zhǎng)編組，總定員1 026人。根據(jù)乘客數(shù)量，系統(tǒng)的容量可以預(yù)先評(píng)估確定，不需要額外增加系統(tǒng)容量。

4 現(xiàn)有接入方式分析

目前，陸地?zé)o線接入主要有以下3種類型：其一是利用蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)；其二是利用大區(qū)制通信系統(tǒng)（如集群通信系統(tǒng)）、數(shù)字微波和衛(wèi)星通信系統(tǒng)；其三是采用專用的無(wú)線本地環(huán)路系統(tǒng)。這3種接入方式，直接用于高速鐵路寬帶接入，各具優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 現(xiàn)有無(wú)線蜂窩系統(tǒng)接入

基于各運(yùn)營(yíng)商的軌旁無(wú)線蜂窩系統(tǒng)，直接和車內(nèi)乘客無(wú)線接入。這種方式的優(yōu)點(diǎn)主要有：由于直接采用無(wú)線蜂窩系統(tǒng)，對(duì)通信系統(tǒng)軟硬件的重新配置少；不需要重新為高鐵寬帶接入分配頻段。但是，現(xiàn)行2G、3G無(wú)線蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初主要是針對(duì)中低速運(yùn)動(dòng)條件下的通信系統(tǒng)，這樣的體制并不符合高速鐵路寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

采用現(xiàn)行無(wú)線蜂窩系統(tǒng)直接接入高速列車，主要有兩種方式。

（1）移動(dòng)終端直接與蜂窩基站連接

這種方式最為簡(jiǎn)單，對(duì)基站和用戶終端軟硬件升級(jí)配置較少，且不需要重新分配頻段。但是，由于高速移動(dòng)帶來(lái)信號(hào)快衰落，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，導(dǎo)致終端掉話率較大。并且，由于高速列車車體對(duì)無(wú)線信號(hào)的屏蔽，信號(hào)傳輸損耗大，這樣移動(dòng)終端功耗較大。

（2）車載直放站的方式

由于車廂的屏蔽，造成接收機(jī)接收信號(hào)的電平較低，使用車載直放站可以較方便地提高收發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，利于快速擴(kuò)展基站覆蓋。但這種方式并不能增加系統(tǒng)容量，快速時(shí)變信道對(duì)收發(fā)信號(hào)的衰落也不會(huì)改善。并且，直放站要轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)非常多，各個(gè)信號(hào)的衰落狀態(tài)不同，轉(zhuǎn)發(fā)放大的倍數(shù)是隨著車體的變化而變換，當(dāng)車窗或車門打開(kāi)時(shí)，天線放大倍數(shù)急劇變化，這樣不僅增加了復(fù)雜度，還帶來(lái)了延遲，接收端此時(shí)可能同時(shí)收到兩個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致非反射多徑。

采用現(xiàn)有蜂窩直接接入高速列車，各家運(yùn)營(yíng)商為了保證高速鐵路無(wú)縫覆蓋而體現(xiàn)其品牌效應(yīng)，必然會(huì)大規(guī)模地密集建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，這樣將導(dǎo)致國(guó)家重復(fù)投資。更重要的是，軌道旁密集的通信設(shè)備有可能影響高速列車無(wú)線列控系統(tǒng)GSM-R的安全性，這是鐵路主管部門、運(yùn)行部門所不能容忍的。

4.2 衛(wèi)星接入

采用衛(wèi)星接入方式的優(yōu)點(diǎn)是電波傳輸不受地理表面環(huán)境的影響，衛(wèi)星波束覆蓋地球表面的范圍大，新型衛(wèi)星也可提供足夠的帶寬。但是，也存在一些問(wèn)題。

·按照傳統(tǒng)的衛(wèi)星接收方式，需要安裝衛(wèi)星天線。車載衛(wèi)星通信天線平臺(tái)不僅需要采用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高信噪比以滿足通信系統(tǒng)的要求，而且其外形還需要符合空氣動(dòng)力學(xué)原理及鐵路系統(tǒng)的行車標(biāo)準(zhǔn)，在有些情況下可能需要犧牲通信性能以優(yōu)先滿足行車安全的要求。

·實(shí)時(shí)性差，有較大的固有時(shí)延。

·受天氣等影響很大，如果遭遇惡劣天氣，衰落更大。

·在高樓林立的城區(qū)、崎嶇的山區(qū)以及隧道中，衛(wèi)星覆蓋性差。

從循證醫(yī)學(xué)的角度來(lái)分析，任何一個(gè)樣本量較小的研究，其結(jié)果的可信度容易被質(zhì)疑，采用Meta分析的手段，對(duì)研究同一問(wèn)題的不同文獻(xiàn)的分析結(jié)果進(jìn)行定量合成、分析、比較，可以增大樣本量，提高分析結(jié)果的精確度，從而能夠得到一個(gè)相對(duì)更加客觀真實(shí)的分析結(jié)果，這對(duì)于指導(dǎo)臨床用藥具有重要的參考意義。

·通信資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)高于常用的電纜通信、微波通信，是其資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的十倍乃至幾十倍。

法國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)商將于2010年底在全部TGV高速鐵路列車內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi覆蓋，車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸采用衛(wèi)星覆蓋，下載速度和上傳速度分別為2 Mbit/s和512 kbit/s[2]。

4.3 泄漏電纜接入

泄漏電纜有如下優(yōu)點(diǎn)：泄漏電纜信號(hào)覆蓋均勻，尤其適合隧道等狹小空間；泄漏電纜本質(zhì)上是寬頻帶系統(tǒng)，某些型號(hào)的泄漏電纜可同時(shí)用于 CDMA800、GSM900、GSM1800、WCDMA、WLAN等系統(tǒng)。但是，泄漏電纜也存在一些缺點(diǎn)：價(jià)格較為昂貴；鋪設(shè)收發(fā)和中繼設(shè)備比較復(fù)雜；另外，鋪設(shè)泄漏電纜在過(guò)橋梁的時(shí)候，鋪設(shè)重量對(duì)橋梁的承重會(huì)帶來(lái)影響。

我國(guó)GSM-R無(wú)線列控系統(tǒng)采用泄漏電纜接入方式解決列車穿越隧道時(shí)的通信問(wèn)題；日本新干線高速鐵路，車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸也采用泄漏電纜，車體內(nèi)部采用WLAN,傳輸速率可達(dá)2 Mbit/s[3]。

從系統(tǒng)的可靠性、架構(gòu)的復(fù)雜性來(lái)看，泄漏電纜接入方式是最優(yōu)解決方案，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)可以做到“一放到底”，基本上不需要移動(dòng)通信方面的專家參與，重點(diǎn)在于解決泄漏電纜的衰減問(wèn)題、電纜間的電波非連續(xù)性問(wèn)題。

5 新型高鐵寬帶無(wú)線接入架構(gòu)

架構(gòu)的選擇在很大程度上決定了技術(shù)的選擇，架構(gòu)是一個(gè)通信系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真研究的重要問(wèn)題。

Himocell是一種建立在高速列車上的無(wú)線接入技術(shù)，它能為高速列車旅客提供語(yǔ)音、寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。高速列車內(nèi)部，Himocell提供類似微微蜂窩基站的全方位無(wú)線接入業(yè)務(wù)，包括個(gè)人無(wú)線通信業(yè)務(wù)（包括2G、3G和未來(lái)的4G），高速列車內(nèi)部局域網(wǎng)業(yè)務(wù)WLAN。乘客的數(shù)據(jù)首先接入Himocell然后匯聚，采用特定的寬帶無(wú)線傳輸通道和地面固定節(jié)點(diǎn)連接。

采用Himocell實(shí)現(xiàn)高速鐵路寬帶無(wú)線覆蓋，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）Himocell能較好地避免高速鐵路無(wú)線寬帶覆蓋的重復(fù)建設(shè)和共址建設(shè)干擾

國(guó)內(nèi)各運(yùn)營(yíng)商為了給乘客提供連續(xù)覆蓋的高QoS通信業(yè)務(wù)，必然在高速鐵路周圍密集架設(shè)基站。大量基站密集建設(shè)造成國(guó)家重復(fù)投資、重復(fù)建設(shè)。采用Himocell無(wú)線覆蓋，高速鐵路沿線除GSM-R外，僅需建設(shè)一套無(wú)線覆蓋設(shè)備，這樣可大大節(jié)約國(guó)家和運(yùn)營(yíng)商的建設(shè)投資，節(jié)約能源，真正實(shí)現(xiàn)“綠色無(wú)線電”（green radio）。另外，如果各家運(yùn)營(yíng)商獨(dú)立建設(shè)基站，按照鐵道部高速鐵路建設(shè)規(guī)劃要求，不同制式基站必將建設(shè)在同一基站塔上，這樣會(huì)大大增加其他通信系統(tǒng)對(duì)GSM-R的影響，影響高速列車行車安全。而采用Himocell無(wú)線覆蓋，單一制式無(wú)線接入將大大降低對(duì)GSM-R的影響。

（2）Himocell能大大提高高速鐵路寬帶無(wú)線接入的有效性和可靠性

從Himocell的車地間無(wú)線數(shù)據(jù)接入來(lái)看，由于車體相對(duì)于無(wú)線終端，對(duì)尺寸、體積、功耗和系統(tǒng)復(fù)雜度不敏感，所以可采用高復(fù)雜度的通信機(jī)制和相應(yīng)算法來(lái)保證傳輸鏈路的有效性和可靠性，這是手機(jī)終端很難實(shí)現(xiàn)的。高鐵列車內(nèi)部的用戶與Himocell基站之間是相對(duì)靜止、或最多是以步行速度移動(dòng)的，乘客的無(wú)線終端軟、硬件都不需要升級(jí)就可以和地面實(shí)現(xiàn)可靠連接，且能達(dá)到各種標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱的高端性能。

（3）Himocell支持未來(lái)寬帶無(wú)線接入技術(shù)的發(fā)展和演進(jìn)

隨著我國(guó)3G牌照的發(fā)放，各通信運(yùn)營(yíng)商都將全力建設(shè)3G網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)幾年將形成3個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)共同競(jìng)爭(zhēng)的局面。在剛過(guò)去的2009年10月，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）已收到了6個(gè)4G候選技術(shù)提案，并預(yù)計(jì)在2010年10月確定最終4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這樣，在未來(lái)高速鐵路無(wú)線寬帶接入中，通信制式會(huì)越來(lái)越多，Himocell能很好解決這個(gè)問(wèn)題，我們的主要工作就是建設(shè)好車地間的高速通信“管道”。

（4）Himocell能進(jìn)一步支持中國(guó)主導(dǎo)的TDD模式

ITU要求TDD系統(tǒng)移動(dòng)速度達(dá)120 km/h，要求FDD系統(tǒng)移動(dòng)速度達(dá)到500 km/h。由于FDD是連續(xù)控制的系統(tǒng)，TDD是時(shí)間分隔控制的系統(tǒng)，高速移動(dòng)的多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致快衰落，速度越高，衰落變換頻率越高，衰落深度越深。在目前芯片處理速度和算法的基礎(chǔ)上，以TD-SCDMA為例，當(dāng)數(shù)據(jù)率為144 kbit/s時(shí)，TDD的最大移動(dòng)速度可達(dá)250 km/h，與FDD系統(tǒng)相比還有一定差距。由于TDD本身在高速移動(dòng)條件下的固有缺陷，從而導(dǎo)致TD-LTE必然存在同樣的問(wèn)題。而采用Himocell方式，可以很好地解決這一問(wèn)題，車地之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以采用高復(fù)雜度的信號(hào)處理方法對(duì)抗多普勒效應(yīng)，保證傳輸質(zhì)量；車廂內(nèi)部的準(zhǔn)靜態(tài)信道為用戶的最后接入提供保障。

（5）Himocell能為GSM-R列控系統(tǒng)提供通信備份

GSM-R是我國(guó)鐵路列控系統(tǒng)所采用的技術(shù)平臺(tái)，該平臺(tái)上具有鐵路列控所必備的功能，對(duì)列車的安全運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。一個(gè)可靠的Himocell架構(gòu)能夠?yàn)镚SM-R列控信號(hào)提供傳輸備份，進(jìn)一步提高列車的運(yùn)行安全等級(jí)。

雖然Himocell架構(gòu)具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但此架構(gòu)也存在一些難點(diǎn)，最大的問(wèn)題是頻率資源問(wèn)題。

按照我們的設(shè)想：車地間高速傳輸信道將采用與現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)完全不同的頻率。如果沒(méi)有合理的解決方案，頻率問(wèn)題將是本系統(tǒng)架構(gòu)的“死穴”。

研究表明，目前適宜無(wú)線通信的頻譜資源一方面十分稀缺，一方面又浪費(fèi)嚴(yán)重，形成了所謂“頻譜資源相對(duì)匱乏與絕對(duì)浪費(fèi)”的奇怪現(xiàn)象。據(jù)美國(guó)FCC頻譜政策任務(wù)組（spectrum policy task force，SPTF）的報(bào)告，已分配頻譜的實(shí)際使用情況隨時(shí)間和空間變化很大，在3 GHz以下，已分配頻譜的使用效率從15%～85%不等；而3～6 GHz的頻譜利用率甚至不到0.5%，各種無(wú)線系統(tǒng)的總頻譜利用率在10%以下。引入Himocell后，需要占用新的頻段，對(duì)于高速移動(dòng)傳輸鏈路頻段的選擇，由于多普勒頻差和移動(dòng)速度成正比，所以最好選用頻率較低的頻段。對(duì)于頻率資源問(wèn)題，我國(guó)2009年“863”計(jì)劃信息技術(shù)專題將“頻譜資源共享無(wú)線通信系統(tǒng)”列入其中，著重研究將 UHF（698～806 MHz）頻譜共享。同樣，Himocell也可采用頻譜感知和動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)，通過(guò)對(duì)頻譜使用狀況的實(shí)時(shí)感知，采用靈活的頻譜接入和管理技術(shù)，動(dòng)態(tài)地利用當(dāng)前未使用（或輕度使用）的頻譜空穴進(jìn)行通信，解決Himocell頻率資源的問(wèn)題。

6 關(guān)鍵技術(shù)

高鐵寬帶無(wú)線接入是一個(gè)新的、特點(diǎn)明確、研究不足的應(yīng)用場(chǎng)景，目前移動(dòng)通信中的主流技術(shù)都必須在此場(chǎng)景下做新的評(píng)估，以確定其適用性或改進(jìn)方向。本節(jié)對(duì)最主要的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)做了分析。

（1）信道測(cè)量與建模

信道特性是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。前人已對(duì)中低速移動(dòng)條件下無(wú)線信道做了深入的研究，積累了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，提出了眾多的信道模型。

高鐵場(chǎng)景下的信道特性的測(cè)量與建模是高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)工作之一，目前國(guó)內(nèi)外的研究成果非常匱乏。

高速鐵路有其自身的特點(diǎn)——高速移動(dòng)，并且由于鐵路建在不同的地貌上，因此行駛過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷城市、平原、隧道、森林、高山、峽谷等多種傳播環(huán)境，行車過(guò)程中地形地物會(huì)發(fā)生快速變化，所以高鐵寬帶移動(dòng)通信電波傳播特性的特點(diǎn)之一是無(wú)線傳播環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性。

特別需要指出，和公眾通信網(wǎng)寬帶信道探測(cè)和建模不同，高速鐵路無(wú)線信道探測(cè)具有其特殊性。高速鐵路無(wú)線信道探測(cè)須在高速移動(dòng)列車上完成，但是，由于需要保證列控信號(hào)傳輸和列車運(yùn)行安全，除現(xiàn)有公眾無(wú)線通信系統(tǒng)，高速列車上及鐵路周圍禁止發(fā)射無(wú)線信號(hào)。因此，基于經(jīng)典的信道探測(cè)技術(shù)[4]，如直接射頻脈沖探測(cè)系統(tǒng)、擴(kuò)頻滑動(dòng)相關(guān)信道探測(cè)系統(tǒng)等將很難用于高速鐵路無(wú)線信道探測(cè)。為此，必須探求更具可實(shí)現(xiàn)性的信道測(cè)量方案。

如果能利用現(xiàn)有GSM、3G系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)測(cè)量高鐵信道數(shù)據(jù)將是最方便可行的方案。

（2）新型抗衰落技術(shù)

高速移動(dòng)帶來(lái)了多普勒頻移，導(dǎo)致時(shí)間選擇性衰落，由于信號(hào)的多徑形成頻率選擇性衰落，這種雙選擇性衰落（頻率選擇性和時(shí)間選擇性）隨著速度的增加和地貌場(chǎng)景的快速變化會(huì)更加劇烈，最終導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能急劇惡化。如何在高速條件下對(duì)抗這種嚴(yán)重的衰落，提高傳輸?shù)目煽啃?，是車地間無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸物理層的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前對(duì)于高速移動(dòng)條件下時(shí)變信道的抗衰落技術(shù)，主要包括多普勒估計(jì)補(bǔ)償技術(shù)、多普勒分集技術(shù)[5]、多載波通信系統(tǒng)的子載波干擾自消除技術(shù)等。研究應(yīng)用場(chǎng)景主要是120 km/h以下的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于高速移動(dòng)350～500 km/h的研究仍處在探索階段。針對(duì)高速條件下雙選擇性衰落的特點(diǎn)，在高鐵應(yīng)用場(chǎng)景下多普勒估計(jì)和校正[6]、信道估計(jì)和均衡[7]、鏈路自適應(yīng)等新方法能彌補(bǔ)現(xiàn)有通信系統(tǒng)高速移動(dòng)場(chǎng)景的不足，解決高速移動(dòng)中的問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)多載波在衰落信道下出現(xiàn)的干擾問(wèn)題研究有效消除干擾的新方法，提高寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的性能。

（3）分布式天線與基站協(xié)作通信

移動(dòng)通信系統(tǒng)為了滿足無(wú)線信號(hào)全范圍覆蓋和更加有效利用無(wú)線頻譜資源，通?？刹捎昧呅稳蛱炀€構(gòu)成蜂窩小區(qū)形式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而高速列車和陸地其他交通工具相比，由于其運(yùn)動(dòng)軌跡呈帶狀，且運(yùn)動(dòng)速度將超過(guò)100 m/s，使得車體20～30 s就穿越小區(qū)，導(dǎo)致切換頻繁，因而切換開(kāi)銷既占用系統(tǒng)資源，又會(huì)因切換的增加導(dǎo)致傳輸性能下降。并且，車地間高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路必然需要高容量數(shù)據(jù)通道，需利用多天線MIMO獲取空間域增益提高系統(tǒng)容量。分布式天線協(xié)作通信技術(shù)分改變傳統(tǒng)基站中基帶與射頻信號(hào)集中處理的方式，將基站的無(wú)線信號(hào)和基帶信號(hào)在不同的地理位置上處理。這樣可以形成BBU（基帶處理單元）+RRU（遠(yuǎn)端射頻單元）的無(wú)線覆蓋方式，可大大減少高速列車越區(qū)切換次數(shù)，大大簡(jiǎn)化Himocell上層協(xié)議。另外，現(xiàn)階段的BBU+RRU僅僅是解決了無(wú)線覆蓋方式，多個(gè)射頻單元天線之間并沒(méi)有協(xié)同。例如，當(dāng)高速列車穿越當(dāng)前基站覆蓋小區(qū)時(shí)，高速移動(dòng)的多普勒頻差出現(xiàn)極端跳變時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致列車和當(dāng)前基站通信質(zhì)量急劇下降，然而此時(shí)對(duì)于相鄰基站不存在多普勒跳變，可以實(shí)施當(dāng)前基站和相鄰基站的多基站協(xié)同，解決高速列車穿越基站時(shí)多普勒跳變的問(wèn)題。另外，由于高速列車的運(yùn)行軌跡和位置可以作為先驗(yàn)信息提供，結(jié)合分布式天線(DAS)協(xié)作通信機(jī)制，同一宏小區(qū)下的RRU可以相互協(xié)作進(jìn)行通信，構(gòu)成宏MIMO傳輸，進(jìn)一步利用時(shí)頻空資源。

（4）與現(xiàn)有系統(tǒng)的共存性

高鐵寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)建設(shè)的前提是能夠和現(xiàn)有的通信系統(tǒng)互不干擾，包括GSR-R和現(xiàn)有各運(yùn)營(yíng)商2G、3G系統(tǒng)。GSM-R是高速鐵路有關(guān)行車安全及控制的無(wú)線通信系統(tǒng)，在高鐵沿線其優(yōu)先級(jí)高于其他系統(tǒng)，因此首先必須保證其傳輸?shù)陌踩?。另外，由于高速鐵路呈帶狀分布，其沿線可建基站的區(qū)域范圍小，根據(jù)目前我國(guó)高速鐵路的建設(shè)情況來(lái)看，為節(jié)省有限資源、有限空間，新型高鐵寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)將與GSM-R基站共址建設(shè)。如何有效利用GSM-R站址、交換機(jī)、基站及其附屬設(shè)施等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，及與GSM-R基站共址條件下的共存性，包括站址資源的重利用、共址干擾（雜散、阻塞和互調(diào)三種形式的干擾）問(wèn)題分析等，都將是未來(lái)高鐵寬帶接入網(wǎng)絡(luò)工程規(guī)劃需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。此外，新型高速列車采用大功率電力牽引，而牽引系統(tǒng)的大功率電力電子元件的開(kāi)關(guān)脈沖噪聲以及受電弓與接觸網(wǎng)（電壓27.5 kV）間的火花放電所產(chǎn)生的脈沖電磁噪聲以傳導(dǎo)方式沿接觸網(wǎng)傳播，都是GSM-R系統(tǒng)和高鐵寬帶無(wú)線接入必須考慮的問(wèn)題。

（5）高速移動(dòng)條件下快速切換、功率控制等無(wú)線資源管理關(guān)鍵問(wèn)題

高速移動(dòng)條件下無(wú)線資源管理主要解決高速移動(dòng)帶來(lái)的快速越區(qū)切換、傳輸鏈路的功率控制、QoS保證等問(wèn)題。假設(shè)蜂窩大小不變，由于移動(dòng)速度較高，那么穿越切換區(qū)的時(shí)間較短。當(dāng)無(wú)線終端移動(dòng)速度足夠快，以至于穿越切換區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)處理切換的最小時(shí)延，則切換流程無(wú)法完成，所以需要研究新的越區(qū)切換算法；高速移動(dòng)條件下的鏈路功率控制算法。在信道快衰落條件下，需要進(jìn)一步修正算法，保證頻譜資源效率最大化；高速移動(dòng)條件下，QoS參數(shù)最大比特率、傳輸延時(shí)、優(yōu)先級(jí)等更新速度需要進(jìn)一步和應(yīng)用層業(yè)務(wù)相匹配，準(zhǔn)確反映業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)特征，盡可能減小開(kāi)銷，提高系統(tǒng)效率。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的逐步展開(kāi)，與之配套的寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)明顯落后了，如果不能盡快解決，將影響高鐵的安全性和乘客的主觀體驗(yàn)。本文從系統(tǒng)的需求出發(fā)，研究了高鐵寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種基于Himocell和車地間高速無(wú)線傳輸“管道”的系統(tǒng)架構(gòu)，論證了此架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和困難，指出了需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。

1 王健全,白龍震.光載射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)的應(yīng)用.中興通訊技術(shù),2009,15(4):44～46

2 Masse J P.Wi-Fi at 320 km/h.http://www.Railway gazette.com/news/single-view/view/wi-fi-at-320-kmh.html

3 新干線 “N700系”提供無(wú)線LAN服務(wù).http://cn.j-cast.com/2008/07/04023014.html

4 Rappaport T S.周文安,付秀花譯.無(wú)線通信原理與應(yīng)用（第二版）.北京:電子工業(yè)出版社，2008

5 王欣.高速移動(dòng)環(huán)境下OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究.北京:北京交通大學(xué)，2006

6 Yu Y C,Okada M,Yamamoto M.Dipole array antenna assisted doppler spread compensator with MRC diversity for ISDB-T receiver.IEICE Transactions on Communications,2007(5):1214～1221

7 Liu L,Tao C,Qiu J H.A novel comb-pilot transform domain frequency diversity channelestimation for OFDM system.Radioengineering,2009,18(4):497～502