陶 成，劉 留，邱佳慧，談振輝

（北京交通大學電子信息工程學院 北京 100044）

1 引言

鐵路作為國家的重要基礎設施、國民經(jīng)濟的大動脈和大眾化的交通工具，是國家綜合交通運輸體系的骨干。隨著2007年我國實施第六次大面積提速，京津城際高速鐵路的開通和2008年4月京滬高速鐵路的全線開工建設，高速列車運動速度將達到350～580 km/h，中國鐵路由此跨入高速時代。

根據(jù)鐵道部《中長期鐵路網(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中，列車是鐵路運營的中心載體，是一個巨大的信息源，鐵路信息化如果沒有列車信息源，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)點之間的列控窄帶通信需求，對于超高速（350～580 km/h）移動條件下，以乘客數(shù)據(jù)業(yè)務為主體的寬帶無線數(shù)據(jù)通信將是未來高速鐵路無線接入需要解決的關鍵問題。

2 高鐵寬帶無線接入系統(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)量將越來越多，以乘客為主體的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務也逐漸成為高速鐵路寬帶無線接入的主要業(yè)務，高速鐵路寬帶接入要求支持現(xiàn)有2G、3G移動通信系統(tǒng)，對于未來通信體制能夠平滑升級，并且要求能夠支持鐵路運輸?shù)姆前踩珨?shù)據(jù)業(yè)務。這里，將高速鐵路寬帶無線接入系統(tǒng)的業(yè)務需求分為以下兩類。

2.1 鐵路運輸通信業(yè)務需求

未來的高速鐵路運輸系統(tǒng)不僅具有較高的運行速度，還是一個高度自動化、信息化、智能化的平臺。為了保證以極高速度運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行過程中，列車運行、列車安全監(jiān)控、維護等信息實時傳送到地面，滿足鐵路路網(wǎng)移動體（機車、車輛等）

實時動態(tài)跟蹤信息傳輸?shù)男枰?。這其中主要包括列車網(wǎng)絡技術、自動診斷技術、運行控制技術。這些技術都要求運行中的列車、軌道沿線和鐵路控制中心之間保持實時和高可靠性的無線連接。

2.2 乘客通信業(yè)務需求

在未來高速鐵路運營中，以乘客信息為主的寬帶無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小時中，乘客需要處在實時“信息在線”狀態(tài)，高速列車不能成為“信息孤島”，所以，乘客必須能夠通過手機、筆記本等無線終端實時與外界保持聯(lián)系，這就要求在高速移動條件下，高速鐵路為乘客提供可靠有效的無線數(shù)據(jù)業(yè)務。

（1）移動電話語音和數(shù)據(jù)業(yè)務

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

（2）無線互聯(lián)網(wǎng)接入服務

高速列車的乘客主要以高端商務旅客為主，而且旅行時間可能長達4～5 h，因此列車必須滿足他們的移動辦公需要，保障與移動辦公相關的語音通話和數(shù)據(jù)業(yè)務(包括遠程接入公司VPN、電子郵件、視頻會議、電子商務等)。高速列車無線互聯(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，如網(wǎng)頁瀏覽、收發(fā)電子郵件、電子商務、數(shù)據(jù)下載、在線視頻點播等。

（3）車載 Wi-Fi服務

高速列車內(nèi)部構成特定區(qū)域的無線局域網(wǎng)，高鐵乘客內(nèi)部容易實現(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

車載公眾信息服務指的是由列車對乘客統(tǒng)一提供的乘客信息系統(tǒng)(PIS)服務，通過PIS分布于各車廂的顯示器，乘客可以了解列車的運行狀態(tài)信息，該系統(tǒng)實時從鐵路無線網(wǎng)絡下載內(nèi)容提供新聞報道、公益廣告、天氣預報、影視娛樂節(jié)目等豐富多彩的實時電視節(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，同時也為高速鐵路帶來新的盈利點。

3 高鐵寬帶無線接入系統(tǒng)的特點

在高速鐵路的特殊環(huán)境下，與其他陸地無線接入相比，高鐵寬帶無線接入系統(tǒng)有以下一些特點，有些特點對系統(tǒng)的構建造成壓力，而有些特點則可以用來簡化系統(tǒng)的設計。

（1）大多普勒頻偏與快速多普勒變化

目前，我國高速鐵路測試的最高運行速度約為400 km/h，未來規(guī)劃的最高運行速度將達到580 km/h。高速運動造成的多普勒頻移、信道的快衰落特性對高速率信息傳輸帶來極大的威脅。當無線傳輸中心頻率為2.4 GHz，運動速度達到360 km/h時，多普勒頻偏將達到800 Hz，信道呈快速時變特性。另外，對于TDD的通信系統(tǒng)，如果基站主載頻為f0，由于高速移動，移動終端接收到的信號頻偏為Δf，則終端鎖定基站的接收信號頻率為f0+Δf，并將該頻率作為參考基準進行上行信號發(fā)射；同樣由于高速移動，終端的上行信號到達基站天線時，其頻率為 f0+Δf+Δf=f0+2Δf，導致上行鏈路頻偏是下行鏈路頻偏的2倍，這樣導致基站難以解調(diào)終端發(fā)射信號。所以，高速移動帶來的多普勒頻偏，嚴重影響通信系統(tǒng)性能。

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

（2）頻繁切換與群切換

以GSM-R基站建設為例，基站間的最小距離小于3 km，如果列車的運行速度為360 km/h，則30 s就需要進行一次越區(qū)切換。當前移動無線接入設計面向中低速移動場景，但是當移動終端在蜂窩小區(qū)間快速切換，當移動速度足夠快以至于穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時延，移動終端將發(fā)生掉話。

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

（3）環(huán)境復雜多變，信道變化迅速

高速鐵路通常建設在城市郊區(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)村場景。在終端和基站之間存在較強的直射徑（line of sight，LOS），多徑數(shù)目較少且較弱。這一點與城市環(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”動車組整車通常包括兩側(cè)各一個車頭在內(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，動車組列車的車廂穿透損耗相對會高很多，這對網(wǎng)絡覆蓋的設計提出了更高的要求。車廂的穿透損耗會直接影響車廂內(nèi)終端接收信號的強度，所以對于相同發(fā)射功率的信號，高速列車車體內(nèi)接收的信號較弱，所以這會影響鐵路沿線小區(qū)的覆蓋范圍。表1是不同車體對無線信號的衰減[1]。

表1 不同型號列車車體損耗

（5）高速鐵路乘客寬帶接入運動的集中性和相對性

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

（6）高速鐵路列車運動的規(guī)律性和運動信息的可預知性

公眾移動通信用戶在小區(qū)內(nèi)運動方向是隨機的，而高速列車在已知的軌道上行駛，列車上有先進的列控系統(tǒng)，其運行方向和線路是規(guī)律和確定的，從而運動的乘客寬帶接入方向也是規(guī)律和確定的。這些運動信息可為高速鐵路寬帶接入通信系統(tǒng)提供先驗信息，如果加以合理的利用，可對系統(tǒng)設計帶來好處。

（7）覆蓋區(qū)域沿鐵路呈帶狀分布

與公眾通信網(wǎng)的六邊形蜂窩結構不同，高速鐵路寬帶無線接入所覆蓋的服務區(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)容量可預知性

以我國將在京滬高速鐵路上投入運營的新型動車組為例，新型動車組采用16輛長編組，總定員1 026人。根據(jù)乘客數(shù)量，系統(tǒng)的容量可以預先評估確定，不需要額外增加系統(tǒng)容量。

4 現(xiàn)有接入方式分析

目前，陸地無線接入主要有以下3種類型：其一是利用蜂窩移動通信系統(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。

4.1 現(xiàn)有無線蜂窩系統(tǒng)接入

基于各運營商的軌旁無線蜂窩系統(tǒng)，直接和車內(nèi)乘客無線接入。這種方式的優(yōu)點主要有：由于直接采用無線蜂窩系統(tǒng)，對通信系統(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無線蜂窩系統(tǒng)設計之初主要是針對中低速運動條件下的通信系統(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)行無線蜂窩系統(tǒng)直接接入高速列車，主要有兩種方式。

（1）移動終端直接與蜂窩基站連接

這種方式最為簡單，對基站和用戶終端軟硬件升級配置較少，且不需要重新分配頻段。但是，由于高速移動帶來信號快衰落，嚴重影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，導致終端掉話率較大。并且，由于高速列車車體對無線信號的屏蔽，信號傳輸損耗大，這樣移動終端功耗較大。

（2）車載直放站的方式

由于車廂的屏蔽，造成接收機接收信號的電平較低，使用車載直放站可以較方便地提高收發(fā)信號的強度。這種方式的優(yōu)點是成本較低，利于快速擴展基站覆蓋。但這種方式并不能增加系統(tǒng)容量，快速時變信道對收發(fā)信號的衰落也不會改善。并且，直放站要轉(zhuǎn)發(fā)的信號非常多，各個信號的衰落狀態(tài)不同，轉(zhuǎn)發(fā)放大的倍數(shù)是隨著車體的變化而變換，當車窗或車門打開時，天線放大倍數(shù)急劇變化，這樣不僅增加了復雜度，還帶來了延遲，接收端此時可能同時收到兩個信號，導致非反射多徑。

采用現(xiàn)有蜂窩直接接入高速列車，各家運營商為了保證高速鐵路無縫覆蓋而體現(xiàn)其品牌效應，必然會大規(guī)模地密集建設網(wǎng)絡，這樣將導致國家重復投資。更重要的是，軌道旁密集的通信設備有可能影響高速列車無線列控系統(tǒng)GSM-R的安全性，這是鐵路主管部門、運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)星通信天線平臺不僅需要采用先進的技術來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力學原理及鐵路系統(tǒng)的行車標準，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。

·實時性差，有較大的固有時延。

·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)學的角度來分析，任何一個樣本量較小的研究，其結果的可信度容易被質(zhì)疑，采用Meta分析的手段，對研究同一問題的不同文獻的分析結果進行定量合成、分析、比較，可以增大樣本量，提高分析結果的精確度，從而能夠得到一個相對更加客觀真實的分析結果，這對于指導臨床用藥具有重要的參考意義。

·通信資費標準高于常用的電纜通信、微波通信，是其資費標準的十倍乃至幾十倍。

法國鐵路運營商將于2010年底在全部TGV高速鐵路列車內(nèi)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡Wi-Fi覆蓋，車地無線數(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：泄漏電纜信號覆蓋均勻，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)，某些型號的泄漏電纜可同時用于 CDMA800、GSM900、GSM1800、WCDMA、WLAN等系統(tǒng)。但是，泄漏電纜也存在一些缺點：價格較為昂貴；鋪設收發(fā)和中繼設備比較復雜；另外，鋪設泄漏電纜在過橋梁的時候，鋪設重量對橋梁的承重會帶來影響。

我國GSM-R無線列控系統(tǒng)采用泄漏電纜接入方式解決列車穿越隧道時的通信問題；日本新干線高速鐵路，車地無線數(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2 Mbit/s[3]。

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

5 新型高鐵寬帶無線接入架構

架構的選擇在很大程度上決定了技術的選擇，架構是一個通信系統(tǒng)的頂層設計時必須認真研究的重要問題。

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

采用Himocell實現(xiàn)高速鐵路寬帶無線覆蓋，主要有以下優(yōu)點。

（1）Himocell能較好地避免高速鐵路無線寬帶覆蓋的重復建設和共址建設干擾

國內(nèi)各運營商為了給乘客提供連續(xù)覆蓋的高QoS通信業(yè)務，必然在高速鐵路周圍密集架設基站。大量基站密集建設造成國家重復投資、重復建設。采用Himocell無線覆蓋，高速鐵路沿線除GSM-R外，僅需建設一套無線覆蓋設備，這樣可大大節(jié)約國家和運營商的建設投資，節(jié)約能源，真正實現(xiàn)“綠色無線電”（green radio）。另外，如果各家運營商獨立建設基站，按照鐵道部高速鐵路建設規(guī)劃要求，不同制式基站必將建設在同一基站塔上，這樣會大大增加其他通信系統(tǒng)對GSM-R的影響，影響高速列車行車安全。而采用Himocell無線覆蓋，單一制式無線接入將大大降低對GSM-R的影響。

（2）Himocell能大大提高高速鐵路寬帶無線接入的有效性和可靠性

從Himocell的車地間無線數(shù)據(jù)接入來看，由于車體相對于無線終端，對尺寸、體積、功耗和系統(tǒng)復雜度不敏感，所以可采用高復雜度的通信機制和相應算法來保證傳輸鏈路的有效性和可靠性，這是手機終端很難實現(xiàn)的。高鐵列車內(nèi)部的用戶與Himocell基站之間是相對靜止、或最多是以步行速度移動的，乘客的無線終端軟、硬件都不需要升級就可以和地面實現(xiàn)可靠連接，且能達到各種標準標稱的高端性能。

（3）Himocell支持未來寬帶無線接入技術的發(fā)展和演進

隨著我國3G牌照的發(fā)放，各通信運營商都將全力建設3G網(wǎng)絡，未來幾年將形成3個3G標準共同競爭的局面。在剛過去的2009年10月，國際電信聯(lián)盟（ITU）已收到了6個4G候選技術提案，并預計在2010年10月確定最終4G技術標準。這樣，在未來高速鐵路無線寬帶接入中，通信制式會越來越多，Himocell能很好解決這個問題，我們的主要工作就是建設好車地間的高速通信“管道”。

（4）Himocell能進一步支持中國主導的TDD模式

ITU要求TDD系統(tǒng)移動速度達120 km/h，要求FDD系統(tǒng)移動速度達到500 km/h。由于FDD是連續(xù)控制的系統(tǒng)，TDD是時間分隔控制的系統(tǒng)，高速移動的多普勒效應會導致快衰落，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上，以TD-SCDMA為例，當數(shù)據(jù)率為144 kbit/s時，TDD的最大移動速度可達250 km/h，與FDD系統(tǒng)相比還有一定差距。由于TDD本身在高速移動條件下的固有缺陷，從而導致TD-LTE必然存在同樣的問題。而采用Himocell方式，可以很好地解決這一問題，車地之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以采用高復雜度的信號處理方法對抗多普勒效應，保證傳輸質(zhì)量；車廂內(nèi)部的準靜態(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是我國鐵路列控系統(tǒng)所采用的技術平臺，該平臺上具有鐵路列控所必備的功能，對列車的安全運行發(fā)揮著重要作用。一個可靠的Himocell架構能夠為GSM-R列控信號提供傳輸備份，進一步提高列車的運行安全等級。

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

按照我們的設想：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。如果沒有合理的解決方案，頻率問題將是本系統(tǒng)架構的“死穴”。

研究表明，目前適宜無線通信的頻譜資源一方面十分稀缺，一方面又浪費嚴重，形成了所謂“頻譜資源相對匱乏與絕對浪費”的奇怪現(xiàn)象。據(jù)美國FCC頻譜政策任務組（spectrum policy task force，SPTF）的報告，已分配頻譜的實際使用情況隨時間和空間變化很大，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，對于高速移動傳輸鏈路頻段的選擇，由于多普勒頻差和移動速度成正比，所以最好選用頻率較低的頻段。對于頻率資源問題，我國2009年“863”計劃信息技術專題將“頻譜資源共享無線通信系統(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態(tài)頻譜接入技術，通過對頻譜使用狀況的實時感知，采用靈活的頻譜接入和管理技術，動態(tài)地利用當前未使用（或輕度使用）的頻譜空穴進行通信，解決Himocell頻率資源的問題。

6 關鍵技術

高鐵寬帶無線接入是一個新的、特點明確、研究不足的應用場景，目前移動通信中的主流技術都必須在此場景下做新的評估，以確定其適用性或改進方向。本節(jié)對最主要的幾項關鍵技術做了分析。

（1）信道測量與建模

信道特性是通信系統(tǒng)設計的基礎。前人已對中低速移動條件下無線信道做了深入的研究，積累了大量的測試數(shù)據(jù)，提出了眾多的信道模型。

高鐵場景下的信道特性的測量與建模是高鐵無線通信系統(tǒng)研究的基礎工作之一，目前國內(nèi)外的研究成果非常匱乏。

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

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

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

（2）新型抗衰落技術

高速移動帶來了多普勒頻移，導致時間選擇性衰落，由于信號的多徑形成頻率選擇性衰落，這種雙選擇性衰落（頻率選擇性和時間選擇性）隨著速度的增加和地貌場景的快速變化會更加劇烈，最終導致通信系統(tǒng)性能急劇惡化。如何在高速條件下對抗這種嚴重的衰落，提高傳輸?shù)目煽啃?，是車地間無線數(shù)據(jù)傳輸物理層的一項關鍵技術。

目前對于高速移動條件下時變信道的抗衰落技術，主要包括多普勒估計補償技術、多普勒分集技術[5]、多載波通信系統(tǒng)的子載波干擾自消除技術等。研究應用場景主要是120 km/h以下的運動速度，對于高速移動350～500 km/h的研究仍處在探索階段。針對高速條件下雙選擇性衰落的特點，在高鐵應用場景下多普勒估計和校正[6]、信道估計和均衡[7]、鏈路自適應等新方法能彌補現(xiàn)有通信系統(tǒng)高速移動場景的不足，解決高速移動中的問題。同時，針對多載波在衰落信道下出現(xiàn)的干擾問題研究有效消除干擾的新方法，提高寬帶無線接入系統(tǒng)的性能。

（3）分布式天線與基站協(xié)作通信

移動通信系統(tǒng)為了滿足無線信號全范圍覆蓋和更加有效利用無線頻譜資源，通常可采用六邊形全向天線構成蜂窩小區(qū)形式的無線網(wǎng)絡結構，而高速列車和陸地其他交通工具相比，由于其運動軌跡呈帶狀，且運動速度將超過100 m/s，使得車體20～30 s就穿越小區(qū)，導致切換頻繁，因而切換開銷既占用系統(tǒng)資源，又會因切換的增加導致傳輸性能下降。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)作通信技術分改變傳統(tǒng)基站中基帶與射頻信號集中處理的方式，將基站的無線信號和基帶信號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（遠端射頻單元）的無線覆蓋方式，可大大減少高速列車越區(qū)切換次數(shù)，大大簡化Himocell上層協(xié)議。另外，現(xiàn)階段的BBU+RRU僅僅是解決了無線覆蓋方式，多個射頻單元天線之間并沒有協(xié)同。例如，當高速列車穿越當前基站覆蓋小區(qū)時，高速移動的多普勒頻差出現(xiàn)極端跳變時，這會導致列車和當前基站通信質(zhì)量急劇下降，然而此時對于相鄰基站不存在多普勒跳變，可以實施當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多普勒跳變的問題。另外，由于高速列車的運行軌跡和位置可以作為先驗信息提供，結合分布式天線(DAS)協(xié)作通信機制，同一宏小區(qū)下的RRU可以相互協(xié)作進行通信，構成宏MIMO傳輸，進一步利用時頻空資源。

（4）與現(xiàn)有系統(tǒng)的共存性

高鐵寬帶無線接入系統(tǒng)建設的前提是能夠和現(xiàn)有的通信系統(tǒng)互不干擾，包括GSR-R和現(xiàn)有各運營商2G、3G系統(tǒng)。GSM-R是高速鐵路有關行車安全及控制的無線通信系統(tǒng)，在高鐵沿線其優(yōu)先級高于其他系統(tǒng)，因此首先必須保證其傳輸?shù)陌踩浴Ａ硗?，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)目前我國高速鐵路的建設情況來看，為節(jié)省有限資源、有限空間，新型高鐵寬帶無線接入系統(tǒng)將與GSM-R基站共址建設。如何有效利用GSM-R站址、交換機、基站及其附屬設施等現(xiàn)有網(wǎng)絡資源，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）問題分析等，都將是未來高鐵寬帶接入網(wǎng)絡工程規(guī)劃需重點考慮的問題。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關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方式沿接觸網(wǎng)傳播，都是GSM-R系統(tǒng)和高鐵寬帶無線接入必須考慮的問題。

（5）高速移動條件下快速切換、功率控制等無線資源管理關鍵問題

高速移動條件下無線資源管理主要解決高速移動帶來的快速越區(qū)切換、傳輸鏈路的功率控制、QoS保證等問題。假設蜂窩大小不變，由于移動速度較高，那么穿越切換區(qū)的時間較短。當無線終端移動速度足夠快，以至于穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時延，則切換流程無法完成，所以需要研究新的越區(qū)切換算法；高速移動條件下的鏈路功率控制算法。在信道快衰落條件下，需要進一步修正算法，保證頻譜資源效率最大化；高速移動條件下，QoS參數(shù)最大比特率、傳輸延時、優(yōu)先級等更新速度需要進一步和應用層業(yè)務相匹配，準確反映業(yè)務實時特征，盡可能減小開銷，提高系統(tǒng)效率。

7 結束語

隨著我國高速鐵路建設、運營的逐步展開，與之配套的寬帶無線接入系統(tǒng)的研究開發(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。本文從系統(tǒng)的需求出發(fā)，研究了高鐵寬帶無線接入系統(tǒng)的特點，提出一種基于Himocell和車地間高速無線傳輸“管道”的系統(tǒng)架構，論證了此架構的優(yōu)勢和困難，指出了需要研究的關鍵技術。

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