劉 留，裘陳成，劉 葉，韓柏濤，李 錚，周 濤

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

截止至2017年，中國(guó)已建成世界上最長(zhǎng)的高鐵網(wǎng)絡(luò)，總長(zhǎng)度超過25 000 km，約占全球商業(yè)服務(wù)高速鐵路的三分之二[1].世界上規(guī)模最大、技術(shù)水平最高的高速鐵路體系也已在中國(guó)建成，中國(guó)正引領(lǐng)世界高速鐵路發(fā)展的趨勢(shì).當(dāng)輪軌高鐵在中國(guó)快速發(fā)展的同時(shí)，下一代超高速交通技術(shù)——真空管道高速飛行列車(簡(jiǎn)稱高速飛行列車)正逐步進(jìn)入人們視野.

早在1904年，美國(guó)學(xué)者、現(xiàn)代火箭之父Robert Goddard就已提出“真空管道運(yùn)輸”設(shè)想.Daryl Oster在20世紀(jì)80年代中期構(gòu)思了真空管道交通的基本思想，在20世紀(jì)90年代完善了這一思想，并于1999獲得了第一項(xiàng)專利.文獻(xiàn)[2]提出一種“American Metro”方案，與瑞士的“Swissmetro”相似，基本思路是在地下通過搭建城際真空管道交通網(wǎng)絡(luò)，該方案初步傳遞了真空管道交通實(shí)現(xiàn)思路.

2013年，特斯拉CEO、回收火箭項(xiàng)目的創(chuàng)始人Elon Musk發(fā)表Hyperloop白皮書[3]，并提出“超級(jí)高鐵”方案，極大地豐富了真空管道運(yùn)輸這一概念，真空管道交通也由此引起了人們的廣泛關(guān)注.2017年5月，由Elon Musk發(fā)起并成立的Hyperloop One公司在真空環(huán)境中完成了對(duì)其Hyperloop技術(shù)的首次全面測(cè)試，在測(cè)試中，該公司采用磁懸浮技術(shù)的膠囊列車“XP-1”在內(nèi)華達(dá)州測(cè)試跑道上達(dá)到了110 km/h.

國(guó)內(nèi)方面，2014年5月，西南交通大學(xué)開發(fā)出世界上第一套用于高溫超導(dǎo)磁懸浮列車技術(shù)演示的實(shí)驗(yàn)性高架環(huán)形管道試驗(yàn)線，并計(jì)劃在部分高架環(huán)管中開發(fā)能以400 km速度行駛的車輛，研究所還在與政府就下一代磁懸浮管道系統(tǒng)的研究和開發(fā)進(jìn)行協(xié)商，該系統(tǒng)中車輛的運(yùn)行速度可達(dá)1 200 km/h[4].中航科工集團(tuán)在2017年宣布研究“高速飛行列車”項(xiàng)目，高速飛行列車將是真空管道磁懸浮線路上運(yùn)行的流線型、無(wú)引擎列車，速度為1 000 km/h和2 000 km/h的列車可用于城際網(wǎng)絡(luò)，而速度為4 000 km/h的列車則可構(gòu)成跨國(guó)超快運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò).

輪軌機(jī)械摩擦、氣動(dòng)阻力和噪聲是阻礙輪軌高鐵速度提升的三個(gè)主要因素，輪軌機(jī)械摩擦和粘著力對(duì)高速列車的安全行駛有重要的影響.稠密大氣中氣動(dòng)阻力與速度的二次方成正比，實(shí)際測(cè)量顯示，當(dāng)列車速度超過400 km/h時(shí)，列車運(yùn)行牽引力中氣動(dòng)阻力占比將超過八成；此外，列車運(yùn)行引起的噪聲將隨速度的7次乃至8次方劇增，無(wú)論是對(duì)周邊環(huán)境還是車內(nèi)乘客而言都是難以承受的.受限于上述因素，現(xiàn)行輪軌交通的臨界速度為600 km/h.與現(xiàn)行輪軌高鐵不同，高速飛行列車可在真空管道內(nèi)以低機(jī)械摩擦、低氣動(dòng)阻力、低噪聲模式超高速行駛，不受上述因素限制.屆時(shí)，旅客乘坐高速列車進(jìn)行長(zhǎng)距離旅行的時(shí)間將極大縮短[4]，因此運(yùn)行于真空管道內(nèi)的高速飛行列車是高速鐵路未來(lái)的重要發(fā)展方向.

高速列車安全、高效地運(yùn)行離不開無(wú)線通信系統(tǒng)的支持.在真空管道中，高速列車運(yùn)行速度高達(dá)1 000 km/h，因此對(duì)車地之間的通信穩(wěn)定性、可靠性要求更高.高速飛行列車車地通信數(shù)據(jù)主要可分為兩方面：一方面，要求控制中心和列車之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向安全類數(shù)據(jù)(列車控制反饋、列車運(yùn)行狀態(tài)、列車設(shè)備監(jiān)測(cè)、維護(hù)等信息)傳輸，這類數(shù)據(jù)傳輸需要滿足“低時(shí)延高可靠”的要求；另一方面，需要傳輸面向乘客的非安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，要求滿足“大容量高帶寬”的傳輸要求.

相比傳統(tǒng)高速列車，高速飛行列車主要有兩個(gè)特點(diǎn)——超高速移動(dòng)和真空管道，因此高速飛行列車無(wú)線通信需要解決以下幾個(gè)問題：①由于真空管道內(nèi)無(wú)線自由波/非接觸耦合的傳播環(huán)境特殊，并且金屬密閉管道內(nèi)無(wú)線電波傳播存在波導(dǎo)現(xiàn)象，因此管內(nèi)信道特性與傳統(tǒng)高鐵開闊場(chǎng)景完全不同，導(dǎo)致管道內(nèi)無(wú)線覆蓋困難.②超高速移動(dòng)引起了極其頻繁的越區(qū)切換和嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)問題.③傳統(tǒng)的輪軌/磁懸浮高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)不支持時(shí)速超過1 000 km，因此不能承擔(dān)高速飛行列車車地通信這一重任.為了滿足真空管道交通寬帶無(wú)線接入的業(yè)務(wù)需求，本文作者提前對(duì)高速飛行列車車地?zé)o線接入通信系統(tǒng)開展前瞻性的研究，初步在真空管無(wú)線接入、新型漏泄波近場(chǎng)耦合等方面形成系統(tǒng)的解決方案，做好下一次的交通革命的技術(shù)儲(chǔ)備.

1 高速飛行列車的無(wú)線通信需求

無(wú)線通信系統(tǒng)是高速飛行列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵.在高速飛行列車中，列車與地面之間不存在有線連接，必然是選擇采用無(wú)線通信方式.為了保證列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行，要求控制中心和列車之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、高速、高容量的信息傳輸.同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，要求高速飛行列車通信也能處理各種高速率應(yīng)用，例如高清視頻監(jiān)控、車載實(shí)時(shí)高速率乘客服務(wù)和鐵路物聯(lián)網(wǎng)[5].因此，高速飛行列車的無(wú)線通信需求主要可分為列車控制安全數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和乘客通信業(yè)務(wù)，高速飛行列車車地?zé)o線通信系統(tǒng)功能如圖1所示.

圖1 無(wú)線通信系統(tǒng)功能Fig.1 Wireless communication system functions

1.1 面向列車控制的安全類數(shù)據(jù)

列車在真空管道中以極高速度穿梭，為了高效地管理和控制一定數(shù)量不同運(yùn)行狀態(tài)的列車并保證列車安全性，需要超高速列車在運(yùn)行過程中與地面進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互.對(duì)安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹饕阅芤笕缦?

1)低時(shí)延：保證高速飛行列車在1 000 km/h速度條件下列車定位、速度信息和列車控制信息的實(shí)時(shí)同步.

2)高可靠：保證車地通信鏈路的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)無(wú)中斷連續(xù)傳輸.

3)可維護(hù)性：通信系統(tǒng)各設(shè)備可實(shí)時(shí)診斷，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行.

4)冗余容錯(cuò)：系統(tǒng)部分設(shè)備故障時(shí)，冗余備用設(shè)備能夠及時(shí)支持系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，避免系統(tǒng)中斷崩潰.

高速飛行列車采用磁浮技術(shù)，系統(tǒng)應(yīng)滿足磁浮交通系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)行、降級(jí)運(yùn)行和維護(hù)與逆行的多種模式要求，綜合參考磁浮列車和輪軌高鐵的車地通信需求[6]，高速飛行列車與地面之間傳輸?shù)陌踩悢?shù)據(jù)可分為如下幾類.

1)運(yùn)行控制系統(tǒng)通信.

高速飛行列車運(yùn)行控制系統(tǒng)可分為三級(jí)架構(gòu)：地面總控制中心、地面分區(qū)控制中心和車載控制系統(tǒng).地面總控制中心通過運(yùn)行控制核心網(wǎng)與分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)通信，分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)通過車地?zé)o線通信系統(tǒng)與列車進(jìn)行信息交換，三者共同構(gòu)成車地全域的移動(dòng)分布式系統(tǒng)，傳輸?shù)男畔⒅饕熊囎詣?dòng)防護(hù)、列車自動(dòng)運(yùn)行、列車自動(dòng)監(jiān)控、速度曲線監(jiān)控、列車速度與位置監(jiān)測(cè)、駕駛順序控制和操作與顯示.

2)牽引控制系統(tǒng)通信.

地面的牽引控制系統(tǒng)直接通過車地?zé)o線電系統(tǒng)獲取磁極相角信息，為牽引控制系統(tǒng)提供磁浮列車當(dāng)前的速度和位置信息；同時(shí)，牽引控制系統(tǒng)與分區(qū)控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換信息，獲取中央運(yùn)行控制中心的運(yùn)行指揮命令(如加速、制動(dòng)、停車等).牽引控制系統(tǒng)基于既定的控制算法，針對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)的要求，以直線同步電機(jī)為控制對(duì)象，自動(dòng)控制高速飛行列車牽引力，完成列車從啟動(dòng)加速到恒定速度的運(yùn)行過程，同時(shí)完成列車減速、停車等多種運(yùn)行操作，從而使列車按照既定的速度曲線高速、安全和舒適運(yùn)行.為確保對(duì)牽引力的實(shí)時(shí)控制，磁浮列車牽引控制系統(tǒng)要求列車位置信息的傳輸延遲應(yīng)不大于5 ms[6]，根據(jù)傳輸延遲與列車速度的反比關(guān)系，高速飛行列車牽引控制系統(tǒng)應(yīng)要求無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸延遲不大于1 ms.

3)運(yùn)行語(yǔ)音通信.

運(yùn)行語(yǔ)音用于各部門間通話及業(yè)務(wù)聯(lián)系、列車工作人員與內(nèi)部及外部進(jìn)行公務(wù)電話聯(lián)絡(luò)，為列車工作人員提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真等通信業(yè)務(wù)，可作為專用電話系統(tǒng)的應(yīng)急通信手段.

4)安全監(jiān)控及檢測(cè).

高密度行車要求通信設(shè)備持續(xù)運(yùn)行，因此必須要求車地?zé)o線通信系統(tǒng)具備完善的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷功能，可以對(duì)地面無(wú)線控制設(shè)備、車載無(wú)線控制設(shè)備、地面基站、車載移動(dòng)基站、光纖網(wǎng)設(shè)備等進(jìn)行最小可替換單元的狀態(tài)診斷并收集診斷信息，將診斷信息及時(shí)反饋給中央控制中心.主要包括設(shè)備故障診斷與監(jiān)控、列車狀態(tài)監(jiān)控、安防業(yè)務(wù)、真空管道環(huán)境監(jiān)測(cè)等.

1.2 面向乘客的非安全類數(shù)據(jù)

在列車運(yùn)行期間，旅客也可以通過無(wú)線終端實(shí)現(xiàn)與外界通信，避免成為“信息孤島”.高速飛行列車載客數(shù)相對(duì)傳統(tǒng)輪軌高鐵較少，每節(jié)車廂乘客一般為15人左右(參考Hyperloop One膠囊高鐵乘客容量).此外，高速飛行列車運(yùn)行速度極快，每趟列車的單次運(yùn)行時(shí)間不會(huì)超過1 h，因此高速飛行列車乘客通信業(yè)務(wù)量需求相對(duì)傳統(tǒng)輪軌高鐵較少.面向乘客的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要包括互聯(lián)網(wǎng)、旅客在途語(yǔ)音數(shù)據(jù)、高清視頻、在線辦公、云數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等.

以未來(lái)5G用戶傳輸需求為參考.5G用戶體驗(yàn)速率(指用戶在覆蓋范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的傳輸速率)支持0.1～1 Gbps，傳輸全緩沖業(yè)務(wù)時(shí)，5%用戶頻譜效率與頻譜帶寬相乘即為用戶體驗(yàn)速率.假設(shè)整列車定員數(shù)為15人，5G終端滲透率為80%，則單列車5G終端用戶數(shù)為12人.假設(shè)用戶激活附著比為70%(即70%用戶會(huì)進(jìn)行業(yè)務(wù))，用戶業(yè)務(wù)并發(fā)率為10%，則單用戶平均吞吐量要求為7～70 Mbps，整列車乘客吞吐量達(dá)到84～840 Mbps，在列車會(huì)車時(shí)，需求吞吐量將翻倍.

2 高速飛行列車無(wú)線通信的特點(diǎn)

高速飛行列車運(yùn)行于真空密閉金屬管道內(nèi)，與傳統(tǒng)輪軌高鐵和磁懸浮列車運(yùn)行場(chǎng)景差別較大，因此車地?zé)o線通信也更具特點(diǎn)，高速飛行列車無(wú)線寬帶通信主要特點(diǎn)如下[7].

1)無(wú)線電波傳播環(huán)境特殊.

在全封閉金屬管道內(nèi)部，如果采用無(wú)線自由波通信，不同于傳統(tǒng)高鐵開闊場(chǎng)景，密閉管道內(nèi)部電波傳播表現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征，根據(jù)兩段式模型，近場(chǎng)區(qū)中路徑損耗的斜率很陡，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)出現(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)，路徑損耗的斜率顯著減小[8].如果采用漏泄波導(dǎo)進(jìn)行覆蓋通信，無(wú)線電波的覆蓋特性與傳統(tǒng)高鐵在隧道運(yùn)行環(huán)境下(主要為水泥、巖石)的電波覆蓋特性會(huì)有很大不同，主要原因有三個(gè)方面：一是電波輻射特性受金屬管道的影響很大，輻射功率密度的空間分布有較大改變；二是輻射波遇到金屬管道壁，會(huì)以近似全反射的形式在金屬管道內(nèi)傳遞，其邊界條件完全不同于傳統(tǒng)隧道環(huán)境；三是金屬管道的橫截面形狀和尺寸也與傳統(tǒng)隧道不同，使得金屬管道內(nèi)的模式分布具有不同的特點(diǎn).

2)高速飛行列車運(yùn)行場(chǎng)景特殊.

高速飛行列車通常運(yùn)行在內(nèi)徑為3.3 m[3]左右的金屬材質(zhì)密閉狹長(zhǎng)通道中，該密閉空間可能架設(shè)在戶外、地下甚至海底，電磁信號(hào)在此受限空間內(nèi)的傳播特性與傳統(tǒng)輪軌/磁懸浮高鐵場(chǎng)景下的無(wú)線自由波明顯不同.如果采用傳統(tǒng)的無(wú)線自由波接入方式，管道旁基站和車廂內(nèi)部乘客之間的無(wú)線鏈路需要經(jīng)歷兩次重大衰落——金屬管道和車廂體.為了保證車內(nèi)氣壓，高速飛行列車車廂具有高度密封性，會(huì)導(dǎo)致比傳統(tǒng)輪軌高鐵更高的車體穿透損耗，傳統(tǒng)輪軌高鐵不同材質(zhì)車體的穿透損耗如表1[9]所示(表1中參考值僅供參考.實(shí)際值受入射角、多徑信號(hào)等多種因素影響).同時(shí)為了平衡成本、氣密性和結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性，真空管道管壁將采用多層材料結(jié)構(gòu)，不同材料對(duì)無(wú)線信號(hào)具有不同程度的衰減，尤其是管道內(nèi)壁將采用金屬材料以保證真空管道密封性與穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)造成極大衰減.兩次重大衰落將導(dǎo)致接收端信號(hào)信噪比急劇下降.因此，傳統(tǒng)的無(wú)線自由波接入方式不能適用高速飛行列車的特殊運(yùn)行場(chǎng)景.

表1 不同車型穿透損耗參考值

3)無(wú)線頻段使用相對(duì)自由.

由于真空管道對(duì)無(wú)線信號(hào)的隔離，管道內(nèi)部頻譜空間和外界相對(duì)獨(dú)立.傳統(tǒng)高鐵開闊場(chǎng)景無(wú)線通信受頻譜資源限制，無(wú)法選擇最適合的頻帶和帶寬使系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化.而高速飛行列車場(chǎng)景中，在規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)，特別是為安全類數(shù)據(jù)選擇頻段時(shí)，可以采用更適合傳輸?shù)念l段和帶寬以保證通信的安全和可靠性.此外，如果選用漏泄波導(dǎo)進(jìn)行接入覆蓋，由于車體穿透損耗的隔離，頻段和帶寬的選擇約束將更低，可實(shí)現(xiàn)傳輸性能最優(yōu)的同時(shí)保證安全類數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性(不受用戶信號(hào)影響).

4)絕對(duì)的頻繁切換與群切換.

和輪軌/磁懸浮高鐵相同，由于列車上乘客地理位置的集中性，當(dāng)列車穿越覆蓋小區(qū)邊緣時(shí)，列車上乘客將發(fā)生用戶的非游牧/群切換，這種情況大大增加了網(wǎng)絡(luò)切換的負(fù)荷.同時(shí)極高的運(yùn)行速度將導(dǎo)致絕對(duì)的頻繁切換，根據(jù)切換時(shí)間與速度的反比關(guān)系，高速飛行列車網(wǎng)絡(luò)切換頻率將達(dá)到傳統(tǒng)高鐵場(chǎng)景的五倍以上，而傳統(tǒng)輪軌高鐵切換時(shí)延為100 ms～1 s，無(wú)法滿足高速飛行列車的頻繁切換要求，可以簡(jiǎn)單用一個(gè)例子說明：假設(shè)小區(qū)范圍為625 m，高速飛行列車時(shí)速為1 000 km，則每2.25 s就會(huì)發(fā)生一次切換，在切換時(shí)間為1 s的情況下，會(huì)造成44%的性能損失，顯然是不能接受的.因此需要重新設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)以滿足高速飛行列車場(chǎng)景越區(qū)切換性能要求.

5)高速飛行列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的規(guī)律性和可預(yù)知性.

高速飛行列車在軌跡固定的真空管道內(nèi)運(yùn)行，利用車載運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與地面通信，可實(shí)時(shí)獲取列車速度與位置信息，為高速飛行列車寬帶接入通信系統(tǒng)提供先驗(yàn)信息，利用列車狀態(tài)信息可設(shè)計(jì)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以解決快速切換問題；并且，高速飛行列車寬帶接入系統(tǒng)容量是可預(yù)知的，根據(jù)載客容量等信息可預(yù)先獲得無(wú)線接入的容量，為通信設(shè)計(jì)提供先驗(yàn)知識(shí).

3 傳統(tǒng)無(wú)線接入適用性分析

最近幾年，移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展迅速，為優(yōu)化鐵路通信系統(tǒng)的CoCaMPBC[10]，多種技術(shù)涌現(xiàn)并在鐵路通信中得到實(shí)現(xiàn)，如LTE-A(長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí))[11]，WiFiIEEE 802.11(無(wú)線局域網(wǎng))[12]，WiMAX(全球互通微波訪問)[13]，IEEE 802.20(移動(dòng)寬帶無(wú)線接入)[14]，LTE-R(面向鐵路通信的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù))[15]等.此外，漏泄電纜、漏泄波導(dǎo)和可見光通信(Light Fidelity, LiFi)[16]等多種非接觸耦合技術(shù)在近幾年也獲得了巨大的發(fā)展，幾種無(wú)線接入和非接觸耦合技術(shù)如圖2所示.其中漏泄電纜/波導(dǎo)由于適合狹小空間內(nèi)通信，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)，并在我國(guó)干線鐵路隧道場(chǎng)景中得到應(yīng)用.LiFi是一種新型無(wú)線傳輸技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室可達(dá)到WiFi數(shù)百上千倍的速率，低成本、極寬的頻帶、光源易得性以及高安全性使LiFi技術(shù)受到極大關(guān)注.

圖2 幾種無(wú)線接入和非接觸耦合技術(shù)Fig.2 Several wireless access and non-contact coupling technologies

由于高速飛行列車運(yùn)行環(huán)境的特殊性，傳統(tǒng)接入方案不一定適用于高速飛行列車.目前還沒有任何針對(duì)該特殊場(chǎng)景設(shè)計(jì)的專用無(wú)線寬帶接入方案.為設(shè)計(jì)一種適用于高速飛行列車的無(wú)線接入方案，可利用現(xiàn)有無(wú)線接入技術(shù)方案，根據(jù)高速飛行列車運(yùn)行場(chǎng)景的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和拓展，從而為高速飛行列車車地網(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)計(jì)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn).

3.1 衛(wèi)星接入

衛(wèi)星通信方案[17]是指列車通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面建立連接，在歐洲Thalys高鐵巴黎至布魯塞爾路段已得到應(yīng)用.這種方案的優(yōu)勢(shì)在于衛(wèi)星波束可以覆蓋較大的范圍，同時(shí)新型衛(wèi)星可以提供較大帶寬.高速飛行列車采用衛(wèi)星通信方式有以下幾點(diǎn)困難：一是封閉的金屬管道使得衛(wèi)星很難覆蓋到車廂；二是衛(wèi)星通信質(zhì)量易受天氣影響，在惡劣天氣下影響更大.由于真空管道可能架設(shè)在戶外、地下甚至海底，大大增加了衛(wèi)星信號(hào)覆蓋難度；三是衛(wèi)星通信固有延遲可達(dá)500～600 ms，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)通信的要求；四是通信資費(fèi)高昂，是常用通信的十幾倍.因此衛(wèi)星通信方式不適用于高速飛行列車.

3.2 通用移動(dòng)通信系統(tǒng)接入

通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)接入方案直接采用現(xiàn)有UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)行“基帶處理單元(Building Base band Unit, BBU)+射頻拉遠(yuǎn)單元(Radio Remote Unit, RRU)”分布式高鐵線狀覆蓋.分布式組網(wǎng)方式非常適用于高鐵覆蓋，BBU集中放置、維護(hù)可降低站址獲取難度，同時(shí)RRU光纖拉遠(yuǎn)方式適合高鐵的線狀覆蓋.這種方式分離了基站的基帶處理單元和射頻單元，基帶處理單元集中放置于BBU中，通過光纖拉遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)射頻單元RRU的靈活安裝.RRU只有射頻放大的功能，同一個(gè)BBU可配置多個(gè)RRU，由于邏輯上這些RRU都在一個(gè)BBU范圍內(nèi)，無(wú)線資源也是共享的，當(dāng)列車行駛路過某一個(gè)BBU的所有RRU時(shí)，只需基于變化場(chǎng)景相應(yīng)分配各RRU的功率，而無(wú)需執(zhí)行越區(qū)切換.

UMTS直接采用現(xiàn)有的系統(tǒng)硬件和軟件配置，避免了帶寬的重新分配，減少了工作量，同時(shí)通過擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍一定程度上降低了越區(qū)切換頻率.但是由于高速飛行列車站間距離一般較長(zhǎng)，UMTS方案需要在真空管道沿線設(shè)置大量成本高昂的基站設(shè)備，大大提高了成本.為了保證安全性，高速飛行列車運(yùn)行間距設(shè)置較大，導(dǎo)致大量設(shè)備閑置，存在明顯的“潮汐效應(yīng)”，造成這些設(shè)備的頻譜資源和處理能力極大的浪費(fèi).此外,為了對(duì)高速飛行列車進(jìn)行覆蓋，各大運(yùn)營(yíng)商會(huì)在真空管道沿線設(shè)置安裝密集網(wǎng)絡(luò)，造成投資重復(fù)，也必然會(huì)影響高速飛行列車安全類數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性.

3.3 WiMAX

文獻(xiàn)[13]面向高速鐵路運(yùn)行場(chǎng)景提出一種新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入架構(gòu)，架構(gòu)采用了WiMAX技術(shù).WiMAX是提供“最后一英里”寬帶接入的無(wú)線方案，也被稱為IEEE 802.16無(wú)線城域網(wǎng).該方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由車內(nèi)網(wǎng)、路旁網(wǎng)和核心網(wǎng)構(gòu)成，見圖3.

圖3 WiMAX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 WiMAX network architecture

1)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò).

該網(wǎng)絡(luò)的主要對(duì)象是C型節(jié)點(diǎn)設(shè)備，如圖3所示，該設(shè)備至少具有三個(gè)接口：MS WiMAX接口、以太網(wǎng)接口和IEEE 802.11g無(wú)線接口.其中以太網(wǎng)接口用于連接所有其他車廂廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；IEEE 802.11g無(wú)線接口接入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)或客戶互聯(lián)網(wǎng).節(jié)點(diǎn)C可通過來(lái)自應(yīng)答器設(shè)備的輸入信號(hào)在線訪問位置信息.

2)路旁網(wǎng)絡(luò).

沿軌道側(cè)等距離設(shè)置一組B型節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)接口：BS IEEE 802.16e接口和WiMAX接口.其中BS IEEE 802.16e接口與和每個(gè)列車中的C型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接；WiMAX接口與A型節(jié)點(diǎn)上的WiMAX接口進(jìn)行通信.

3)核心網(wǎng).

核心網(wǎng)由A型節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)A型節(jié)點(diǎn)有三個(gè)WiMAX接口，其中兩個(gè)負(fù)責(zé)形成IEEE 802.16d基于拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)骨干網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)接口以IEEE 802.16d無(wú)線點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式連接到B型節(jié)點(diǎn)[18].

MarinaAguado提出的WiMAX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸，但應(yīng)用于高速飛行列車時(shí)存在嚴(yán)重的越區(qū)切換問題：考慮傳統(tǒng)WiMAX系統(tǒng)中射頻小區(qū)的覆蓋范圍與真空管道的沿線地形環(huán)境，軌旁基站間隔一般設(shè)置為0.5～5 km，由于高速飛行列車運(yùn)行速度為1 000 km/h，因此會(huì)導(dǎo)致極其頻繁的越區(qū)切換，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成很大影響.此外，WiMAX并不是一種主流的無(wú)線通信技術(shù)，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，非主流技術(shù)具有較大的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn).臺(tái)北—高雄路段高鐵采用了基于WiMAX的鐵路通信系統(tǒng)，然而由于WiMAX的非主流性，導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的減少消失，臺(tái)灣有關(guān)部門正在考慮用LTE系統(tǒng)取代WiMAX系統(tǒng)，WiMAX方案已基本停止演進(jìn)[19]，因此不適用于高速飛行列車.

3.4 WLAN

車地?zé)o線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks, WLAN)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)列車與地面之間的實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通.基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要包括控制中心、無(wú)線接入點(diǎn)(Access Point,AP)和車載無(wú)線單元.一般情況下，軌旁AP的間隔設(shè)置為200 m，AP采用定向天線，若某臺(tái)AP發(fā)生故障，控制中心可以加大相鄰AP的輻射功率覆蓋故障區(qū)域.車載無(wú)線單元采用定向天線與AP連接實(shí)現(xiàn)車地通信.

對(duì)于中低速的軌道交通，WLAN車地通信方案是可適用的，但不適用于本文所述的高速飛行列車.當(dāng)列車從當(dāng)前AP覆蓋范圍移動(dòng)到下一個(gè)AP覆蓋范圍時(shí)會(huì)發(fā)生切換，通常，802.11a/g/n的越區(qū)切換時(shí)間在500 ms～2 s之間，高速飛行列車無(wú)法接受如此長(zhǎng)的切換時(shí)間.高速飛行列車切換極為頻繁，在切換期間，列車可能已駛出當(dāng)前AP覆蓋范圍，車載無(wú)線單元與AP連接可能中斷.

3.5 漏泄波導(dǎo)

漏泄電波覆蓋就是采取低損耗漏泄結(jié)構(gòu)(漏泄波導(dǎo)/漏泄電纜)進(jìn)行信號(hào)覆蓋，漏泄波導(dǎo)漏泄出的電磁波能充滿閉域空間形成漏泄電磁場(chǎng)，處在該區(qū)域內(nèi)的列車天線就能接收到外部傳輸?shù)男畔?，同時(shí)也可以沿漏泄波導(dǎo)向外部傳輸信息.安裝在閉域空間中的漏泄波導(dǎo)可以很好地解決天線難以覆蓋空間的通信盲區(qū)問題，尤其適合隧道這類狹小的空間，可選用的漏泄結(jié)構(gòu)包括漏泄波導(dǎo)和漏泄同軸電纜.

高速飛行列車運(yùn)行環(huán)境為密閉金屬管道，列車頂端與管道內(nèi)壁距離較近，可以考慮通過漏泄電纜近場(chǎng)覆蓋實(shí)現(xiàn)高速飛行列車車地通信.但是，在全密閉金屬管道內(nèi)部，如果采用漏泄電纜進(jìn)行通信，有幾個(gè)問題需要注意：1)金屬管道對(duì)近場(chǎng)輻射會(huì)產(chǎn)生較大影響；2)漏泄電磁波會(huì)在金屬管壁以全反射形式傳遞，導(dǎo)致漏泄電纜產(chǎn)生的覆蓋特性較傳統(tǒng)的隧道環(huán)境有很大不同；3)漏泄電纜在開槽工藝尺寸上要求嚴(yán)格，并且有較大電波損耗.為了補(bǔ)償傳輸損耗需要安裝大量中繼器，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致成本成倍增加.

3.6 38G無(wú)線電系統(tǒng)

38 GHz毫米波無(wú)線通信技術(shù)主要應(yīng)用于上海磁浮列車系統(tǒng)[20].該無(wú)線電傳輸系統(tǒng)在磁浮車輛與地面系統(tǒng)之間建立一種可靠的、雙通道的數(shù)據(jù)傳輸途徑.這個(gè)傳輸途徑可以傳送操作控制數(shù)據(jù)、牽引控制數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)及旅客信息數(shù)據(jù)，同時(shí)為車輛與中心的操作人員提供語(yǔ)音服務(wù).無(wú)線電傳輸系統(tǒng)沿軌道及在列車的兩端架設(shè)天線，用來(lái)傳輸無(wú)線電信號(hào).這種系統(tǒng)使用的無(wú)線電頻率為38 GHz，目前是專為高速磁浮交通設(shè)計(jì)的.它包括中央無(wú)線電控制單元、分區(qū)無(wú)線電控制單元、光纖網(wǎng)、地面無(wú)線電基站和車載無(wú)線電系統(tǒng)5個(gè)部分[21].

高速飛行列車實(shí)際上是運(yùn)行在真空管道內(nèi)的磁浮列車，其運(yùn)行控制和牽引控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以參考磁浮列車系統(tǒng)，因此車地間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型基本是相同的.高速飛行列車運(yùn)行速度超過1 000 km/h，遠(yuǎn)高于上海磁浮列車430 km/h的運(yùn)營(yíng)速度，因此對(duì)于安全類相關(guān)信息(如列車定位數(shù)據(jù))實(shí)時(shí)性要求更高；高速飛行列車運(yùn)行場(chǎng)景為密閉真空環(huán)境，因此需要監(jiān)測(cè)采集更多列車設(shè)備及環(huán)境狀態(tài)參數(shù)(如氣壓)，并需要實(shí)時(shí)傳輸至控制中心.38 GHz無(wú)線電通信系統(tǒng)對(duì)于高速飛行列車車地通信系統(tǒng)可借鑒參考之處包括：①通過列車位置信息來(lái)快速完成小區(qū)切換，極大降低了切換時(shí)延；②設(shè)備冗余和通道冗余，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院凸收匣謴?fù)能力；③通過雙向天線和雙集天線建立車地之間通信鏈路.如欲將38 GHz無(wú)線電通信系統(tǒng)應(yīng)用于高速飛行列車場(chǎng)景，需要研究考慮的問題包括：增加面向非安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可用帶寬、毫米波與光纖無(wú)線電(Radioover Fiber,RoF)的集成、適應(yīng)漏泄波導(dǎo)方式的分段接入系統(tǒng)、降低安全類數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)及誤碼率、進(jìn)一步降低切換時(shí)延等.

3.7 現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)

針對(duì)現(xiàn)有LTE無(wú)線通信系統(tǒng)和即將商用的5G無(wú)線通信系統(tǒng)，本節(jié)將分析現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)1 000 km/h移動(dòng)速度的支持性.高速移動(dòng)條件下，影響無(wú)線通信兩個(gè)最主要的因素為多普勒頻移和信道的迅速轉(zhuǎn)變.根據(jù)LTETS36.211物理層協(xié)議，LTE系統(tǒng)下行和上行解調(diào)依靠小區(qū)參考信號(hào)(Common Reporting Standard, CRS)和UE特定數(shù)據(jù)解調(diào)參考信號(hào)(Demodulation Reference Signal, DMRS)，在LTE上行幀結(jié)構(gòu)中每時(shí)隙(0.5 ms)配置一個(gè)，因此協(xié)議規(guī)定最高支持終端移動(dòng)速度為350 km/h[22].目前5G的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化已取得長(zhǎng)足進(jìn)展，預(yù)計(jì)2020年將開始大規(guī)模商用化.新無(wú)線電(New Radio, NR)支持15、30、60、120和240 KHz的子載波間隔，一個(gè)無(wú)線幀的長(zhǎng)度為10 ms，分為10個(gè)子幀[23]，每個(gè)子幀配置3～4個(gè)DMRS，同時(shí)考慮到5G未來(lái)應(yīng)用頻譜資源包含6 GHz及以上的更高頻段，5G通信系統(tǒng)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)支持最高移動(dòng)速度可達(dá)500 km/h.可見無(wú)論是4G還是5G通信系統(tǒng)都不支持1 000 km/h及以上的移動(dòng)性，無(wú)法支撐高速飛行列車車地?zé)o線通信需求.

4 高速飛行列車的無(wú)線接入架構(gòu)

4.1 總體車地接入架構(gòu)

綜上所述，傳統(tǒng)無(wú)線接入方案無(wú)法滿足特殊運(yùn)行環(huán)境下高速飛行列車的車地?zé)o線通信需求，文獻(xiàn)[24]提出一種適用于高速鐵路的多模、多頻帶、多系統(tǒng)接入架構(gòu)，參考這一架構(gòu)，本文根據(jù)高速飛行列車運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于高速飛行列車的車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)接入架構(gòu)，主要由地面接入網(wǎng)、車內(nèi)網(wǎng)和真空管內(nèi)覆蓋網(wǎng)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)見圖4.

高速飛行列車線路長(zhǎng)、站間距離遠(yuǎn)，綜合考慮系統(tǒng)成本，在真空管道外部采用基于RoF的分布式地面接入架構(gòu)，真空管道沿線等距離設(shè)置遠(yuǎn)程接入單元(Remote Acess Unit, RAU).此外,需要避免真空管道和列車車體對(duì)無(wú)線自由波造成兩層嚴(yán)重的穿透損耗(“外層”和“里層”).一方面，為了避免“外層”損耗，管道內(nèi)采用漏泄波導(dǎo)方式覆蓋，即在管道內(nèi)頂部安裝漏泄波導(dǎo)，并與管道外部相應(yīng)RAU以有線方式連接，利用漏泄波導(dǎo)對(duì)真空管道內(nèi)進(jìn)行覆蓋，通過漏泄波導(dǎo)表面特殊的開口設(shè)計(jì)，令漏泄電磁波對(duì)真空管道內(nèi)部實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋.另一方面，針對(duì)“里層”損耗，車廂內(nèi)無(wú)線接入采用“雙鏈路”結(jié)構(gòu).即在列車頂部均勻安裝多個(gè)天線，車廂內(nèi)部利用車廂局域網(wǎng)(有線或無(wú)線)匯聚通信數(shù)據(jù)至車載接入終端(車載中繼)，最后通過車頂天線、漏泄波導(dǎo)傳輸至主干網(wǎng).

4.2 基于RoF的地面接入網(wǎng)

目前在無(wú)線移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中提供寬帶、交互式和多媒體服務(wù)的趨勢(shì)是：①減少小區(qū)大小以容納更多用戶；②在微波/毫米波頻帶中工作以避免較低頻段的擁塞情況.光纖無(wú)線電技術(shù)很好地滿足了上述要求.基于RoF的地面接入網(wǎng)由中心控制站(Control Station, CS)與若干RAU組成，彼此通過光纖環(huán)連接.RAU等距離鋪設(shè)在真空管外，并通過合路器和漏泄波導(dǎo)相連，相鄰RAU之間需要預(yù)留一段合適的無(wú)線覆蓋重疊區(qū)以支持越區(qū)切換.基于RoF的地面接入網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示.

數(shù)據(jù)在地面設(shè)備之間通過光纖傳輸，光纖可以提供極大的帶寬，同時(shí)光纖具有低損耗傳輸(光波長(zhǎng)1 550 nm處為0.3 dB/km，1 310 nm處為0.5 dB/km)，這對(duì)分配無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸非常有利.此外，由于信號(hào)利用光信號(hào)承載傳輸，因此RoF能抵抗射頻干擾，可保證更強(qiáng)的隱私和安全防護(hù).在硬件實(shí)施中，復(fù)雜和昂貴的設(shè)備設(shè)置在CS中(信號(hào)調(diào)制解調(diào)、媒體接入控制、路由、無(wú)線資源管理等功能均在CS中執(zhí)行)，CS實(shí)現(xiàn)類似基于云(Cloud)的集中式(Centralized)無(wú)線接入網(wǎng)[25]中基帶池的作用；更簡(jiǎn)單、更小、更輕的遠(yuǎn)程天線單元?jiǎng)t位于RAU中，只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的光/電轉(zhuǎn)換，可簡(jiǎn)化安裝和維護(hù)過程、降低系統(tǒng)成本.在管理層面，則可對(duì)資源進(jìn)行集中控制，帶寬等資源可以根據(jù)需求和優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)分配.此外，通過控制RAU射頻功能開啟/關(guān)閉可實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)小區(qū)”概念，大大降低切換頻率與所需時(shí)間，保證車地通信鏈路的穩(wěn)定傳輸.

圖4 高速飛行列車總體車地?zé)o線接入架構(gòu)Fig.4 High-speed flight train vehicle-ground wireless access structure

4.3 車內(nèi)網(wǎng)

由于高速飛行列車運(yùn)行于密閉金屬管道內(nèi)，車廂內(nèi)用戶與外界直接建立無(wú)線連接相對(duì)困難，因此高速飛行列車無(wú)線寬帶接入必然是采用移動(dòng)中繼的雙鏈路方式(與Femtocell[26]概念相似)，即在高速飛行列車車廂內(nèi)通過移動(dòng)中繼為用戶提供寬帶接入業(yè)務(wù)，包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(3G、4G和未來(lái)的5G)以及高速飛行列車車廂WLAN網(wǎng)絡(luò).車載中繼可對(duì)車廂內(nèi)用戶的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，然后利用特定的無(wú)線傳輸通道與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中車載中繼承擔(dān)聚合轉(zhuǎn)發(fā)功能.

車內(nèi)網(wǎng)部分所示，每列車廂內(nèi)都配置有一定數(shù)量的AP，AP支持多模適配，因此可為不同的移動(dòng)終端提供就近接入.車廂網(wǎng)關(guān)(Gate Way, GW)對(duì)AP接入的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，不同車廂內(nèi)GW互聯(lián)形成車內(nèi)局域網(wǎng)，所有GW都與列車接入總站(Train Access Station, TAS)連接，TAS承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)功能.在該方案下，只需要切換和調(diào)整TAS與RAU之間的通信鏈路，保證用戶與TAS之間的通信通道穩(wěn)定性，即可避免群切換.

4.4 真空管道內(nèi)部覆蓋網(wǎng)

高速飛行列車管道是一條狹長(zhǎng)的密封通道，一般設(shè)置在地下、戶外甚至海底環(huán)境中，極大限制了無(wú)線信號(hào)進(jìn)入通道內(nèi).因此管道內(nèi)采用漏泄波導(dǎo)方式覆蓋，即在管道內(nèi)頂部安裝漏泄波導(dǎo)，各段漏泄波導(dǎo)與管道外部相應(yīng)RAU以有線方式連接.漏波覆蓋就是真空管道內(nèi)采取低損耗漏泄結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)覆蓋.安裝在閉域空間中的漏泄波導(dǎo)可以很好地解決天線難以覆蓋空間中的通信盲區(qū)問題，漏泄波導(dǎo)漏泄出的電磁波能充滿閉域空間，處在該區(qū)域內(nèi)的列車天線就能接收到外部傳輸?shù)男畔?，同時(shí)也可以沿漏泄波導(dǎo)向外部傳輸信息.

高速飛行列車環(huán)境不同于普通高鐵運(yùn)行場(chǎng)景，泄漏電磁波在該新場(chǎng)景下會(huì)產(chǎn)生許多新特性：在全密閉金屬管道內(nèi)部，如果采用漏泄波導(dǎo)進(jìn)行通信，金屬管道對(duì)近場(chǎng)輻射會(huì)有較大影響；同時(shí)漏泄電磁波會(huì)在金屬管壁以全反射形式傳遞.因此需要研究適用于高速飛行列車運(yùn)行場(chǎng)景的全新漏泄結(jié)構(gòu)，使新型漏泄波導(dǎo)能夠適應(yīng)高速飛行列車對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸速率、信號(hào)強(qiáng)度平坦度、極化多樣性等方面的要求.

5 將來(lái)的工作

1)車地接入架構(gòu).

由于真空管道的隔離，真空管道外側(cè)基站無(wú)法使用基于直接鏈路和車載直放站的無(wú)線自由波方式對(duì)高速飛行列車實(shí)施無(wú)線覆蓋，因此可在真空管道內(nèi)采用漏泄波導(dǎo)無(wú)線覆蓋，漏泄波導(dǎo)和列車之間的無(wú)線接入架構(gòu)目前可以考慮兩種方式：一是采用車載中繼站方式，在列車頂部安裝中繼站，通過車頂天線與漏泄波導(dǎo)通信，車載中繼站承擔(dān)列車所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能；二是采用漏泄波導(dǎo)直接覆蓋，考慮到真空管道內(nèi)無(wú)線環(huán)境的獨(dú)立性，如能通過漏泄波導(dǎo)特殊的開口方式，使漏泄電磁波完全垂直于列車行駛方向，則可使車地耦合信道轉(zhuǎn)化為良態(tài)的靜態(tài)信道，此時(shí)可在列車頂部安裝直放站直接將漏泄電磁波放大輻射至車內(nèi)用戶.

2)對(duì)抗多普勒效應(yīng).

在超高移動(dòng)性環(huán)境中，當(dāng)物體的速度達(dá)到1 000 km/h時(shí)，信道沖擊響應(yīng)將發(fā)生快速變化，呈現(xiàn)快衰落特性，時(shí)間選擇性增強(qiáng)，產(chǎn)生明顯的多普勒頻移和擴(kuò)展.例如：在高速飛行列車上，用無(wú)線信道傳輸安全類數(shù)據(jù)，載頻fd=2.5 GHz，最高運(yùn)動(dòng)速率v=1 000 km/h，此時(shí)最大多普勒頻移fc=2 316 Hz.如果采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)，該多普勒頻移將極大地影響OFDM 系統(tǒng)子載波間的正交性，造成嚴(yán)重的子載波間干擾(Intercarrier Interference, ICI)、系統(tǒng)誤碼率增加和同步器性能下降等問題.現(xiàn)有研究對(duì)抗多普勒的方法主要集中于兩個(gè)方面——多普勒頻移估計(jì)與補(bǔ)償和多普勒頻率分集，值得注意的是，現(xiàn)有研究往往局限于特定的簡(jiǎn)單信道環(huán)境，對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度和信道條件有較多限制，一旦這些限制條件無(wú)法滿足，則傳統(tǒng)多普勒估計(jì)算法誤差較大.因此，考慮高速飛行列車特殊的運(yùn)行場(chǎng)景，結(jié)合漏泄波導(dǎo)，可以考慮一種從根本上消除多普勒效應(yīng)的方法：在真空管道內(nèi)頂部安裝漏泄波導(dǎo)，通過特殊的開口設(shè)計(jì)，使漏泄電磁波垂直于列車運(yùn)行方向以圓柱形波方式輻射，這樣列車與漏泄電場(chǎng)輻射方向徑向夾角為90°，此時(shí)電波傳播不存在多普勒效應(yīng).

3)絕對(duì)頻繁的越區(qū)切換.

傳統(tǒng)高鐵典型切換延遲為100 ms，500 ms和1 s，無(wú)法滿足高速飛行列車的切換性能要求.針對(duì)頻繁越區(qū)切換問題，一種方法是增大小區(qū)范圍：鑒于高速列車帶狀運(yùn)行軌跡特點(diǎn)，傳統(tǒng)高鐵使用光纖射頻拉遠(yuǎn)的方式(BBU+RRU)將六邊形小區(qū)轉(zhuǎn)化成帶狀小區(qū)[27]，大大降低了網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)；另一種方法是設(shè)計(jì)無(wú)線接入架構(gòu)降低切換時(shí)間，如文獻(xiàn)[28]提出一種實(shí)現(xiàn)移動(dòng)小區(qū)(移動(dòng)頻率)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，切換時(shí)延降低至10 ms以下，可有效解決高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的頻繁切換問題.若采用第一種方法，需要小區(qū)范圍擴(kuò)大許多倍來(lái)降低極高的切換頻率，高速飛行列車的超高時(shí)速將小區(qū)帶狀化的增益吞沒，光纖射頻拉遠(yuǎn)的技術(shù)仍然沒有從根本上解決切換帶來(lái)的系統(tǒng)性能下降.因此需要研究新型無(wú)線接入架構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用移動(dòng)小區(qū)從根本上解決頻繁切換問題.

4)真空管道漏泄波導(dǎo).

高速飛行列車擬采用高頻段、寬帶通信，對(duì)漏泄結(jié)構(gòu)提出了很高的要求.傳統(tǒng)漏泄波導(dǎo)主要應(yīng)用于低頻段，若應(yīng)用于高頻段，極化單一、傳輸損耗隨頻率增大而增大等是目前存在的主要問題.為了滿足高速飛行列車運(yùn)行環(huán)境下的高速率數(shù)據(jù)傳輸要求，以及面向用戶終端的極化多樣性的要求，需要設(shè)計(jì)具有高頻、寬帶特性的新型漏泄波導(dǎo)，并使其具有傳輸損耗低、多極化、場(chǎng)強(qiáng)分布平穩(wěn)等特性.而在真空管道內(nèi)部，漏泄波導(dǎo)的近場(chǎng)輻射特性受全封閉金屬管道影響較大，輻射功率密度的空間分布有較大改變，金屬管道壁邊界條件完全不同于傳統(tǒng)隧道環(huán)境，這使得對(duì)真空管道內(nèi)電波覆蓋的分析具有一定的獨(dú)特性和復(fù)雜性.因此，設(shè)計(jì)應(yīng)用于真空管道的漏泄波導(dǎo)時(shí)，需要綜合考慮漏泄結(jié)構(gòu)與管道環(huán)境融合后的輻射特性變化，使其能夠在管道內(nèi)具有良好的電波覆蓋均勻度.

6 結(jié)語(yǔ)

高速飛行列車是未來(lái)綠色、節(jié)能、超高速軌道交通技術(shù)的重要發(fā)展方向.將來(lái)，真空管道交通將代替輪軌交通，實(shí)現(xiàn)人類第三次的交通革命.高速飛行列車具有超高速度和真空環(huán)境的特點(diǎn)，其車地?zé)o線通信較傳統(tǒng)高鐵有很大不同.本文分析了高速飛行列車通信的特點(diǎn)與關(guān)鍵問題，針對(duì)真空管道交通提出一種車地?zé)o線接入架構(gòu)方案，論證了該方案的優(yōu)勢(shì)和困難，指出了需要研究的關(guān)鍵技術(shù).