段永峰 裴 非

奧維通信股份有限公司

高速鐵路移動通信系統(tǒng)性能分析

段永峰 裴 非

奧維通信股份有限公司

現(xiàn)階段，面向旅客信息服務的高速鐵路移動通信系統(tǒng)并沒有一個統(tǒng)一的行業(yè)標準，并且用戶的體驗質量也并沒有得到充分的保障。盡管面向列車控制的系統(tǒng)的高速鐵路移動通信系統(tǒng)具有通用行業(yè)標準，但無法向旅客提供滿意的服務。因此，在高速移動移動環(huán)境下，確保列車控制系統(tǒng)業(yè)務可靠性，提高旅客體驗質量成為了高速鐵路移動通信系統(tǒng)設計的目標。為此，需要對其性能進行分析，同時結合高速鐵路列車控制需求進行研究，從而達到改善高速鐵路移動通信系統(tǒng)性能的目的。

高速鐵路；移動通信系統(tǒng)；性能

引言

近年來，我國高速鐵路快速發(fā)展，為地區(qū)經濟發(fā)展和改善人們的交通出行條件做出了突出的貢獻。高速鐵路的正常運行離不開移動通信系統(tǒng)的支持，通過移動通信系統(tǒng)，實現(xiàn)高速鐵路和運營部門之間的數(shù)據通信。同時隨著各種現(xiàn)代化移動通信技術越來越成熟，移動通信相關的產品在高速鐵路中的應用越來越普遍。

一、移動通信系統(tǒng)在高速鐵路中應用情況的發(fā)展

高速鐵路移動通信系統(tǒng)有兩種無線覆蓋方式，分別為雙層蜂窩網絡架構和蜂窩/信息站混合架構覆蓋。雙層蜂窩網絡架構中，其中一層為主用網絡提供通信鏈路，另一層為備份網絡(該層網絡具有更低的切換門限)；對于蜂窩/信息站混合覆蓋架構而言，蜂窩網絡的基站與信息站通過有線方式與骨干網絡的內容服務器相連，蜂窩網絡用來給接入用戶提供無縫的無線覆蓋，用來接收用戶的服務請求，而信息站則在用戶信道狀態(tài)良好時，用來給用戶發(fā)送請求的業(yè)務，但是其卻沒有無縫覆蓋保證。對于兩種網絡架構而言，高速鐵路系統(tǒng)在鐵路沿線均釆用鏈狀覆蓋的拓撲結構。當列車從一個基站向相鄰基站行駛時，平均接收信噪比呈周期性變化，當移動臺從目標基站接收到信噪比高于從當前基站接收到的信噪比加上切換閾值時，將發(fā)生越區(qū)切換，移動臺將連接至目標基站。

二、當前高速鐵路移動通信系統(tǒng)性能

我國的通信行業(yè)已經發(fā)展的較為迅速，人們更加注重的是系統(tǒng)的性能，通過對高速鐵路移動通信系統(tǒng)性能的研究，來計算整個移動網絡對通信的承載情況。移動網絡的發(fā)展史還是在近期開始的，它的根基不是很穩(wěn)，發(fā)展的速度也不夠快，所以在發(fā)展的過程中總是遇到瓶頸，所以不得不通過理論研究的方式來對移動通信的各種指標進行測定，例如傳輸速度等指標，對這些指標進行研究后可以更快的發(fā)現(xiàn)通信系統(tǒng)性能上的不足。發(fā)現(xiàn)性能上的不足后，才可以針對這些不足進行改進，使通信系統(tǒng)有大幅度的進步。移動通信系統(tǒng)的性能之一是傳輸干擾性能，這個性能更大的作用是判斷分析通信系統(tǒng)對鐵路的可靠安全性。下面主要是針對傳輸干擾的性能進行分析。鐵路通信中斷是造成通信系統(tǒng)傳輸干擾的最直接原因，一般產生中斷的原因和種類很多：一是，信道變化速度快，衰落速度也快，計算機是需要進行解碼的，但是由于信道的衰落速度、變化都很快，衰落后會造成代碼接收機的工作無法正常進行，也就是所謂的無法進行解碼工作，這個問題一旦發(fā)生，就會直接對鐵路上的移動通信系統(tǒng)造成影響，導致傳輸錯誤信息；二是，目前的移動通信系統(tǒng)普遍采用的就是切換的技術手段，所以，在兩種信號進行切換的時候極容易發(fā)生通信中斷的問題。

三、高速鐵路移動通信系統(tǒng)的關鍵應用技術

(一)高速鐵路移動信息業(yè)務傳輸

最近十年間，鐵路旅客無線因特網接入業(yè)務吸引了越來越多人的關注。為了給鐵路旅客提供寬帶因特網接入服務，學術界和工業(yè)界研究了多種不同的接入網絡架構。一種分層的兩跳網絡架構被工業(yè)界和學術界廣泛接受。第一跳鏈路是由軌邊設備(如基站、信息站或者轉發(fā)站)到安裝在機車頂部的中繼器(或者大功率天線)。第二跳鏈路部署在車廂內部的無線局域網絡?；谶@種網絡架構，提出了一些旅客因特網接入的資源分配算法，但是如何同時傳輸列控與監(jiān)測業(yè)務以及旅客信息業(yè)務暫時還沒有解決。與旅客信息業(yè)務相比，列車控制與監(jiān)測業(yè)務對于高速鐵路的安全性具有不可替代的作用，尤其是移動授權信息的傳輸，其傳輸?shù)目煽啃砸约鞍踩员仨毜玫奖Ｕ稀?/p>

(二)可分級調制

當多路信號通過不同的信號同時傳輸至多個用戶時，相比分時傳輸方式，采用疊加編碼的傳輸方式可以達到更高的廣播信道容量域。但是執(zhí)行某些疊加編碼方案需要對現(xiàn)有的收發(fā)信機的硬件結構進行升級，同時解調算法也相對復雜，因此疊加編碼并沒有被移動通信系統(tǒng)廣泛的釆用。疊加編碼促使另一種新的調制技術--可分級調制產生，該調制技術可以提供比特級的差分業(yè)務。可分級調制是基于傳統(tǒng)的多進制正交幅度調制M-QAM設計而成的，從傳統(tǒng)M-QAM星座圖中選出一部分星座點表示不同的符號位置，來構成可分級調制的星座圖。當選擇的星座點聚合到一張星座圖后，星座點間的最小歐幾里德距離是不同的，該距離取決于相鄰的兩個點是否屬于不同的簇。通過以上方法，可分級調制的符號可以被映射成不同層的具有不同誤碼率性能的多個比特。由于可分級調制可以通過提供的疊加增益提高廣播信道的容量，因此可分級調制可以應用在多種場景。在文獻中，應用可分級調制可以支持無線網絡中可分級視頻流的傳輸。該場景下，具有較高信道質量的用戶可以獲得更好的體驗質量QoE，其他的用戶依然可以無中斷的平穩(wěn)回放具有較低分辨率(質量)視頻。

(三)控制面和用戶面分離

一般情況下，服務基站和接入用戶之間會存在兩個平面的連接，也就是控制面和用戶面，在這之中，控制面是承載用戶與接入網的控制指令的，而用戶面則是處理業(yè)務數(shù)據傳輸功能的。當控制面的覆蓋范圍能夠滿足移動范圍時，用戶整體的移動性就都得到了保障。所以，在此結構中，用戶的控制面會被保留于低頻頻段，因為次頻段具備優(yōu)質的傳輸性能，并且覆蓋的范圍也非常廣泛?？墒侨绻紤]成本問題，這一頻段也可以采取利用LTE-R遺留頻段的方法已達到目的，但同時真正的用戶面就應被搬離出去。應將數(shù)據的承載者放置在高頻段處，以此擴大系統(tǒng)的容量。

(四)高速鐵路旅客無線網絡接入系統(tǒng)

(1)通過無線車頂匯聚設備將移動、聯(lián)通、電信等多家電信運營商網絡的帶寬聚合，提供一到多個外網連接出口，改善和彌補運營商不同網絡性能之間的差異，成倍增加旅客上網帶寬的能力，提高車地通信連接的魯棒性，提升旅客乘坐舒適度。(2)車內建設基于802.11的車廂無線局域網，俗稱車廂WiFi，一般車廂覆蓋采用802.11g/n/ac標準，車廂之間的連接采用不同頻率或信道的802.11a/n/ ac標準。通過車內內置海量內容服務器吸引消化車內旅客免費WiFi寬帶上網業(yè)務，通過與互聯(lián)網內容提供商的協(xié)作，在沒有地面信號覆蓋或地面信號覆蓋較差的區(qū)段提供離線的車內免費WiFi網絡多媒體內容，如電影、小說、游戲、應用下載等，同時提供新型的廣告和電子商務，為旅客改善服務體驗，同時給客運管理部門帶來新的經濟收入機會。(3)通過給車站和車上提供全程WiFi服務，提高高速鐵路對飛機、長途汽車等交通方式的競爭能力。(4)為了保持車內用戶對標準公網的持續(xù)和兼容接入能力，也可以通過車廂局域網連接具有標準3G/4G/5G空口特征的Femto基站設備。

四、高速鐵路上的移動通信系統(tǒng)的不足及改進

傳輸干擾是通信系統(tǒng)性能研究中我們需要考慮的最重要的一個問題，也是我國目前在研究性能的過程中的短板。通信系統(tǒng)的性能還有很重要的一個研究方向，就是對旅客信息的業(yè)務開展，我國目前在這個方面還沒有進行性能影響的研究，因為我們還沒有研究出合理的方式來進行模型處理，高速鐵路上的移動通信系統(tǒng)具有周期性短這個特征，它很容易在一段時間后，產生系統(tǒng)漏洞，需要及時進行維護。信道衰落是整個系統(tǒng)性能中受影響最大的一點，但是高速鐵路是基本固定的，這也給高速鐵路上的通信系統(tǒng)的優(yōu)化帶來了一定的便利性。目前鐵路上的信息通信業(yè)務與鐵路上列車的控制系統(tǒng)是兩個完全分開的、不同的系統(tǒng)。未來首先需要做的就是將這兩個系統(tǒng)進行簡單的整合，減少工作人員的工作量，并且在很大程度上減少系統(tǒng)的建設成本，更利于對系統(tǒng)性能進行研究分析。針對整個移動通信系統(tǒng)上的傳輸性能的不足，對整個性能的分析可以采取很多辦法，例如采用概率計算的方式，對鐵路傳輸干擾性能進行多方面的分析，分析內容包括信道的衰落過程，通信傳輸?shù)囊苿铀俣纫约傲熊噷π诺赖目刂茖π阅墚a生的影響，之后再采用一個名為信息傳輸?shù)呐鲎猜实闹笜藖磉M行傳輸干擾這個性能的影響分析切換，制作出一個合理的模型來進行研究，利用分析與實際測試相互配合的方式來進行影響因素的性能計算與預估，將列車的信息傳輸精準控制。將鐵路傳輸信號中斷的現(xiàn)象進行有效遏制，由此對鐵路的移動通信系統(tǒng)的性能進行改進。

結束語

總之，在引領世界高速鐵路技術的同時，我們要從國家發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，及時布局未來5～10年高速鐵路寬帶移動通信的前瞻性技術研究，應對寬帶移動通信系統(tǒng)傳輸性能、可靠性和安全性等方面的諸多挑戰(zhàn)，尤其是結合高速移動場景的寬帶移動通信的空口傳輸體制、高速移動下抗干擾與干擾協(xié)調、高速移動下高可靠信息傳輸技術，以及下一代高速鐵路車載無線接入技術，確立和有效解決其中的科學問題與關鍵技術問題，推動高速鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的平滑演進，這無疑對于保持我國高速鐵路成套技術的領先地位具有非常重要的意義。

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