● 文|北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衛(wèi)星與無線通信實驗室 呂婷婷 李帥 程宇新 吳建軍

鐵路衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)

● 文|北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衛(wèi)星與無線通信實驗室 呂婷婷 李帥 程宇新 吳建軍

一、引言

鐵路衛(wèi)星通信屬于陸地衛(wèi)星移動通信（LMS）的一種特殊形式，在數(shù)據(jù)、圖像以及音頻傳輸方面具有獨特的優(yōu)勢，有望成為鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的重要一環(huán)。與其他陸地通信手段相比，鐵路衛(wèi)星通信具有地理上不受限制、通信距離遠和分配靈活等優(yōu)勢，并且衛(wèi)星波束覆蓋范圍較大，其通信鏈路也可以延伸到相對偏遠的沿路地區(qū)。盡管遇到地面移動通信3G/4G的強有力挑戰(zhàn)和競爭，但鐵路衛(wèi)星通信由于其覆蓋范圍廣的獨特優(yōu)勢，仍具有一定的生存空間，尤其在如青藏鐵路等的一些偏遠地區(qū)。隨著時代的發(fā)展，一向處于落后狀態(tài)的鐵路通信系統(tǒng)，在采用了衛(wèi)星通信設(shè)備以后，有可能因此發(fā)生巨大變化。

鐵路衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)為星狀網(wǎng)，電話通信拓撲結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)可以動態(tài)分配衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，動態(tài)分配衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信道，動態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和節(jié)點的信道容量。鐵路衛(wèi)星通信網(wǎng)是鐵路專用網(wǎng)，它是具有一個獨立網(wǎng)絡(luò)管理的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，又是鐵路通信網(wǎng)的一個重要組成部分。它為鐵路運輸管理、運輸指揮、鐵路工程等提供專用通信服務(wù)，也為廣大鐵路職工提供公務(wù)通信服務(wù)，還對公眾開放服務(wù)，如國內(nèi)/國際旅客列車移動電話通信、旅客列車移動電視接收、旅客列車移動圖像/電話通信、全路漫游尋呼等。

圖1 國外投入商用的鐵路衛(wèi)星通信系統(tǒng)

二、鐵路衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

1．國外鐵路衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

國外一些地區(qū)已經(jīng)部署鐵路衛(wèi)星通信系統(tǒng)并已投入商用，例如俄羅斯、非洲、歐亞等地，見圖1。

Hughes 公司成功實現(xiàn)了基于鐵路交通的微小衛(wèi)星通信地球站(VSAT)的安裝應(yīng)用，目前主要在印度和俄羅斯進行部署。在俄羅斯的鐵路衛(wèi)星項目中，通過VSAT實現(xiàn)的寬帶連接已部署應(yīng)用在從莫斯科到納茲蘭的長達1900km的鐵路上，見圖2。

通過在火車頂部安裝一個低剖面，三軸固定天線，并且與HX200 衛(wèi)星路由聯(lián)合運用，在這段長1900 km的鐵路旅程中，網(wǎng)絡(luò)能夠維持穩(wěn)定持續(xù)接入。乘客能夠通過網(wǎng)絡(luò)接入進而瀏覽網(wǎng)頁，并維持安全加密的HTTPS 連接，甚至在發(fā)生信號干擾時，也能夠維持網(wǎng)絡(luò)接入。

圖2 Hughes 公司的微小衛(wèi)星通信地球站

2． 我國鐵路衛(wèi)星通信的發(fā)展歷程

我國鐵路衛(wèi)星通信網(wǎng)發(fā)展有4個階段。第一階段主要是規(guī)劃鐵路衛(wèi)星通信網(wǎng)并建立試驗性鐵路衛(wèi)星通信系統(tǒng)；第二階段是建設(shè)鐵路衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)通信網(wǎng)階段；第三階段是鐵路衛(wèi)星通信網(wǎng)的開發(fā)應(yīng)用階段，開發(fā)應(yīng)用的內(nèi)容可包括星上資源的有效利用、網(wǎng)絡(luò)資源的有效配置、通信業(yè)務(wù)的最佳配置與動態(tài)管理等。目前我國鐵路衛(wèi)星通信網(wǎng)還處于試驗性階段，并沒有投入到商用。

20世紀80年代初期，中國鐵道部開始探討衛(wèi)星通信在鐵路的應(yīng)用，組織北方交通大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院通信信號研究設(shè)計院于1988年5月共同完成了“衛(wèi)星通信在鐵路上發(fā)展的研究”，為發(fā)展鐵路衛(wèi)星通信提供了決策依據(jù)。同期，參與中國廣播衛(wèi)星公司1987年建立并運營的國內(nèi)第一個VSAT（甚小孔徑終端）衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，鐵道部分別在北京、烏魯木齊、蘭州和柳州設(shè)立了衛(wèi)星小數(shù)據(jù)站，為鐵道部電子中心和3個鐵路局電子中心之間提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。1990年分別在廣州和?？谠O(shè)立了衛(wèi)星小電話站，利用VSAT衛(wèi)星電話系統(tǒng)提供兩地的衛(wèi)星電話業(yè)務(wù)。1993年底，鐵道部購買亞洲衛(wèi)星2號Ku頻段1/4 轉(zhuǎn)發(fā)器作為空間段，并于1995年,開始建設(shè)聯(lián)結(jié)鐵道部和各鐵路局及鐵路分局間的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)。該衛(wèi)星網(wǎng)經(jīng)過固定地球站和可搬移地球站與鐵路地面通信網(wǎng)相連接，提供話音、數(shù)據(jù)、會議電視等通信服務(wù)。1997年開始建設(shè)聯(lián)結(jié)全國鐵路各鐵路局及鐵路分局主要車站的VSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，并經(jīng)過地球站和鐵路地面數(shù)據(jù)通信網(wǎng)相連接，為鐵路運輸管理信息系統(tǒng)、鐵路調(diào)度信息系統(tǒng)和客票發(fā)售系統(tǒng)提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

1992年9月, 中國鐵道部、中國交通部和國際海事衛(wèi)星組織合作，利用GPS接收機和海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)，傳輸鏈路建成列車位置報告系統(tǒng)；利用海事衛(wèi)星-M站建成列車衛(wèi)星移動電話通信系統(tǒng)，進行了列車衛(wèi)星移動通信和衛(wèi)星列車定位的試驗。

三、鐵路衛(wèi)星通信面臨的挑戰(zhàn)與技術(shù)需求

1．面臨的問題與挑戰(zhàn)

（1）移動性問題

所有的移動應(yīng)用，包括天空、海上和陸地移動都面臨類似的挑戰(zhàn)，那就是物理視距(LoS)障礙導(dǎo)致的信號干擾，其中陸地移動可能會面臨最極端的和不可預(yù)知的障礙物。

鐵路和公路交通面臨的挑戰(zhàn)包括：建筑物、樹木、隧道等結(jié)構(gòu)所帶來的視距(LoS)堵塞；跨國和跨服務(wù)提供商界限；惡劣的物理環(huán)境，如高溫、振動、電磁干擾等。

在高速列車上衛(wèi)星通信會面臨額外的挑戰(zhàn)：更大的多普勒頻移；覆蓋波束內(nèi)部移動中信號的幅度變化；跨衛(wèi)星信號波束覆蓋區(qū)；天線尺寸限制，見圖3。

圖3 鐵路衛(wèi)星面臨的移動性問題

（2）同步時鐘問題

在固定的衛(wèi)星裝置中，調(diào)制解調(diào)器或路由器從衛(wèi)星接收到同步信號進而完成鎖定，這被用于合成本地時鐘。它有兩個目的，一是確保傳輸中心頻率是正確的，二是完成時間同步。在時分多址(TDMA)系統(tǒng)中，這種同步是至關(guān)重要的，否則不同的調(diào)制解調(diào)器可能導(dǎo)致時間基準不一致而且會相互干擾。

在鐵路移動應(yīng)用中，由于高速運動及大量障礙物的影響，并不總能保證衛(wèi)星信號的正常接收。如果衛(wèi)星信號發(fā)生中斷超過幾秒鐘，就要求再生的本地時鐘必須要來自另一個源。在短暫的中斷（通常小于30s）中，調(diào)制解調(diào)器的內(nèi)部時鐘可以以“慣輪（free-wheel）”或“飛輪(fly-wheel)”來縮小差距。然而，這種靠慣性滑行的方式在長時間內(nèi)是不夠充分準確的。在缺乏外部參考時鐘的情況下，調(diào)制解調(diào)器必須關(guān)閉發(fā)射機以防止干擾影響其他使用相同鏈路的終端。

（3）越區(qū)切換問題

當(dāng)火車跨越衛(wèi)星波束的覆蓋范圍時，接收信號電平可能會發(fā)生變化，特別是波束的邊緣。大氣環(huán)境變化也可能導(dǎo)致接收和傳輸信號衰減。為了保持高質(zhì)量的服務(wù)，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和集線器必須通過動態(tài)改變使用的調(diào)制方式或編碼格式，并通過改變在路線方向的衛(wèi)星的發(fā)射功率來抵抗這些不穩(wěn)定因素。

運動速度是面臨的另一個挑戰(zhàn)。調(diào)制解調(diào)器必須考慮信號的多普勒頻移。多普勒頻移會引起符號采樣的變化，導(dǎo)致接收信號惡化，增加了調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制復(fù)雜度。因此，已知火車的速度和方向是至關(guān)重要的，這樣才能正確地計算出多普勒頻移大小。些情況下，列車可以從一個衛(wèi)星覆蓋區(qū)越過到一個衛(wèi)星的覆蓋區(qū)，或者在使用點波束進行工的新高吞吐量（HTS）衛(wèi)星的情況下，火車從個點波束到另一個不停移動。在這兩種情況下，星系統(tǒng)必須能夠無縫從一個波束通信切換到另個波束。

在一些需要提供無縫越區(qū)切換的場景，比如火車經(jīng)過車站，或者是穿過有建筑物阻擋，或地下區(qū)域時。為了能在這些區(qū)域中提供無縫通接入，這對于衛(wèi)星通信而言也是一個挑戰(zhàn)。 下展示的是在經(jīng)過車站時，衛(wèi)星通信通過與蜂窩網(wǎng)絡(luò)，wifi等結(jié)合來應(yīng)對挑戰(zhàn)的方案，見圖4。

圖4 越區(qū)切換問題的應(yīng)對方案

2． 技術(shù)方案需求

為了更好的應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，相應(yīng)的解決方案應(yīng)該達到如下的要求：

1）全面支持IPv6，以面向未來的網(wǎng)絡(luò)，并適應(yīng)無上限數(shù)量的用戶設(shè)備接入；

2）自適應(yīng)編碼和調(diào)制（ACM），以滿足當(dāng)列車通過不同形狀輪廓的衛(wèi)星覆蓋區(qū)時，下行衛(wèi)星信道能夠不斷進行針對性優(yōu)化；

3）TDMA信道傳播，以克服離軸發(fā)射問題，并允許使用非常小的天線，以減輕相鄰衛(wèi)星干擾；

4）實現(xiàn)多普勒補償以對抗頻移；

5）IP穩(wěn)態(tài)維持以確保IP會話，即使期間有長時間的聯(lián)系中斷，比如當(dāng)火車穿過隧道；

6）抗震底盤承受高的熱度、濕度、灰塵和振動的環(huán)境；

7）自動波束切換，以確定位置，并定時命令天線切換到一個新的衛(wèi)星。

四、衛(wèi)星-鐵路互聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)

列車上組建的基本衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施包括一個穩(wěn)定的VSAT天線、GPS接收機以及衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)/路由器系統(tǒng)，見圖5。

圖5 列車上組建的衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施

因為網(wǎng)絡(luò)流量共享一個單一的傳輸路徑，所以對相關(guān)的服務(wù)進行區(qū)分非常重要。一個好的衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)提供虛擬局域網(wǎng)（VLAN），質(zhì)量服務(wù)保證（QoS）和規(guī)則導(dǎo)向的雙向路由的相關(guān)支持。這使得最高優(yōu)先級的流量，如火車遠程信息處理和語音流量，優(yōu)先于低優(yōu)先級的流量，如乘客上網(wǎng)等等。

在一些情況下，列車很可能需要頻繁增減車廂，因此在火車上使用有線局域網(wǎng)（LAN）基礎(chǔ)設(shè)施存在一定的困難。一個wifi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可能更適合實現(xiàn)車載LAN / 無線局域網(wǎng)（WLAN），特別是對于較短的列車。然而，由于列車的固有線性性質(zhì)，可能需要進行車輛間布線，尤其是對更長的列車，來解決WLAN的瓶頸。企業(yè)級無線網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)支持多個VLAN，服務(wù)集標識符（SSID）和同時多頻段技術(shù)，從而為設(shè)備提供分離的數(shù)據(jù)和連接，以及其他必要的功能來實現(xiàn)這種架構(gòu)的分離，見圖6。

鐵路衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常采用具有低輪廓天線的車載終端，具有以下的特點：完全獨立的穩(wěn)定系統(tǒng)；兩軸可調(diào)極化方向；完全自動獲取和追蹤模式的能力；持續(xù)性的微波追蹤和慣性穩(wěn)定的結(jié)合；射頻信號中斷之后的快速重新獲取；可防電磁干擾；可遠程電腦監(jiān)控；同時使用了SR40 IP調(diào)制器，單平臺實現(xiàn)CDMA擴展頻譜和SCPC的結(jié)合。

圖6 wifi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在車載LAN / WLAN上的應(yīng)用

五、結(jié)束語

鐵路衛(wèi)星通信可以為鐵路運輸管理、運輸指揮、鐵路工程等提供專用通信服務(wù)，也可對公眾開放服務(wù)，如國內(nèi)/國際旅客列車移動電話通信、旅客列車移動電視接收、旅客列車移動圖像/電話通信、全路漫游尋呼等。本文對國內(nèi)外鐵路衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方案進行了簡單的介紹，以期引起衛(wèi)星業(yè)界對鐵路衛(wèi)星通信這一市場的關(guān)注。

參考文獻

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