田 愷

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著中國(guó)高鐵“走出去”戰(zhàn)略的啟動(dòng)，中國(guó)實(shí)現(xiàn)了高速鐵路領(lǐng)域從“追趕者”到“領(lǐng)導(dǎo)者”的飛躍，有力地推進(jìn)了“一帶一路”倡議的發(fā)展，也為“中國(guó)夢(mèng)”的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了重要通道。隨著輪軌高速鐵路快速發(fā)展，下一代超高速鐵路技術(shù)——超高速磁懸浮鐵路也開(kāi)始進(jìn)入人們的視野[1-3]。中共中央國(guó)務(wù)院《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》[4]中指出:“瞄準(zhǔn)新一代信息技術(shù)、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿，加強(qiáng)對(duì)可能引發(fā)交通產(chǎn)業(yè)變革的前瞻性、顛覆性研究。合理統(tǒng)籌安排時(shí)速600 km級(jí)高速磁懸浮系統(tǒng)、時(shí)速400 km級(jí)高速輪軌(含可變軌距)客運(yùn)列車系統(tǒng)、低真空管(隧)道高速列車等技術(shù)儲(chǔ)備研發(fā)”。為了保持我國(guó)鐵路技術(shù)的領(lǐng)先地位，研究超高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)以及關(guān)鍵技術(shù)具有重要的意義與價(jià)值。

2 現(xiàn)有高鐵移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展情況

(1)GSM-R技術(shù)

目前，我國(guó)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)普遍采用GSM-R技術(shù)，該技術(shù)是基于第二代(2G)GSM數(shù)字通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的。2000年底原鐵道部正式確定將GSM-R作為我國(guó)鐵路專用通信的發(fā)展方向。目前公網(wǎng)2G業(yè)務(wù)已經(jīng)逐步退出歷史舞臺(tái)，2G產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)開(kāi)始逐步收縮。預(yù)計(jì)2025年以后，既有GSM-R設(shè)備全面進(jìn)入大修期，GSM-R產(chǎn)品將逐步被淘汰[5]。

(2)LTE-R技術(shù)

2014年4月，國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)提出鐵路下一代行動(dòng)通訊發(fā)展規(guī)劃，并與3GPP合作展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化工作。根據(jù)UIC提出的LTE-R發(fā)展步驟，于2014年9月開(kāi)始進(jìn)行Release 12工作。我國(guó)于2010年開(kāi)始研究LTE-R鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，2012年國(guó)內(nèi)第一條LTE-R系統(tǒng)在朔黃鐵路建成[6]，2019年京沈鐵路也完成了LTE-R系統(tǒng)試驗(yàn)。目前，LTE-R在技術(shù)層面已經(jīng)成熟，但由于鐵路行業(yè)的特殊性以及頻率分配問(wèn)題，離大規(guī)模部署還需要一些時(shí)間。

(3)5G技術(shù)

在全世界范圍內(nèi)4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的部署方興未艾之時(shí)，5G移動(dòng)通信技術(shù)的研發(fā)己拉開(kāi)帷幕，成為學(xué)術(shù)界和信息產(chǎn)業(yè)屆熱門的課題之一[7]。2013年2月，由國(guó)家科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合組織成立了IMT-2020(5G)推進(jìn)組，成員包括中國(guó)主要的電信運(yùn)營(yíng)商、制造商、高校以及研究機(jī)構(gòu)[8]。國(guó)家“863”計(jì)劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動(dòng)了5G重大項(xiàng)目一期和二期研發(fā)計(jì)劃，主要包括體系架構(gòu)、無(wú)線傳輸與組網(wǎng)、新型天線與射頻、新頻譜開(kāi)發(fā)與利用等。2019年6月6日，工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電發(fā)放5G商用牌照，中國(guó)正式進(jìn)入5G商用元年。

(4)EUHT技術(shù)

為了適應(yīng)高速軌道交通通信特點(diǎn)，我國(guó)自主研發(fā)了超高速移動(dòng)通信技術(shù)(EUHT)。該技術(shù)具備“高速度、高帶寬、高穩(wěn)定性、低延時(shí)、低成本、低功耗”的優(yōu)點(diǎn)，旨在解決“移動(dòng)寬帶”和“寬帶移動(dòng)”一體化的難題。目前，EUHT高速列車移動(dòng)通信系統(tǒng)在莞惠城際鐵路試驗(yàn)段、廣州地鐵6號(hào)線和京津城際高鐵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

3 超高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)特征分析

(1)高速移動(dòng)特性

高速移動(dòng)是超高速磁懸浮鐵路移動(dòng)通信的主要特征。既有高速鐵路采用GSM-R技術(shù)用于350 km/h以下的移動(dòng)通信，上海磁懸浮采用38G無(wú)線電的方式用于支持430 km/h的移動(dòng)通信，5G(IMT-2020)可支持移動(dòng)速度為500 km/h。目前尚未有430 km/h以上的軌道交通運(yùn)行場(chǎng)合支持超高速移動(dòng)通信的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)理論研究也相對(duì)滯后。高速移動(dòng)會(huì)帶來(lái)三個(gè)問(wèn)題:較大的多普勒頻移、無(wú)線信道的快速變化和頻繁的小區(qū)切換。

(2)高可靠、低時(shí)延特性

超高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)必須首先保證列車行駛的安全性，在信道急速劣化的情況下，應(yīng)優(yōu)先保證面向列車控制的安全數(shù)據(jù)傳輸，采用低時(shí)延、小帶寬、高可靠的無(wú)線通信方式，暫不考慮面向乘客的非安全類大帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

(3)列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可預(yù)知性

與汽車、飛機(jī)等其他交通工具不同，超高速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，為超高速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(wèn)題；并且超高速列車寬帶接入系統(tǒng)容量是可預(yù)知的，根據(jù)列控傳輸信息量可預(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)。

(4)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，除了對(duì)行車控制和乘客安全的電磁干擾以外，可以暫時(shí)不考慮頻譜資源限制，可以選擇最適合的頻帶和帶寬。

(5)全封閉金屬管道

低真空管道超級(jí)高鐵管道與現(xiàn)有隧道有很大不同?，F(xiàn)有隧道環(huán)境為水泥、巖石，低真空管道壁若采用金屬管壁，電磁波的覆蓋特性會(huì)有很大不同，金屬管道的橫截面形狀和尺寸對(duì)電波模式分布影響很大。

4 超高速鐵路移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)多普勒頻移

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以恒定的速率沿某一方向移動(dòng)時(shí)，由于接收者與發(fā)射者之間存在相對(duì)速度的原因，會(huì)造成相位和頻率的變化，通常將這種變化稱為多普勒頻移。高速移動(dòng)會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，即較大的多普勒頻移和無(wú)線信道的快速變化。

表1為不同載波頻率下最大多普勒頻移隨行車速度下的變化規(guī)律。按照既有鐵路移動(dòng)通信頻段的劃分以及考慮到未來(lái)LTE和5G的應(yīng)用前景，所計(jì)算的載波頻率分別為 450 MHz、900 MHz、1 800 MHz、3 300 MHz和 6 GHz，行車速度分別為 350 km/h、600 km/h、1 000 km/h。多普勒頻移的取值與移動(dòng)速度、載波頻率成正比。

表1 不同載波頻率下最大多普勒頻移隨車速變化規(guī)律

在正交頻分多路復(fù)用系統(tǒng)(OFDM)中(LTE、5G、EUHT)，真正對(duì)移動(dòng)通信性能有影響的是用子載波間隔歸一化后的多普勒頻移(多普勒頻移/子載波間隔)。歸一化多普勒頻移越大，系統(tǒng)性能越差，一般認(rèn)為歸一化多普勒頻移需要小于0.1。表2中列出了LTE、5G、EUHT歸一化多普勒頻移，其中滿足小于0.1指標(biāo)的歸一化多普勒頻移由灰色標(biāo)出。

表2 歸一化多普勒頻移

以LTE系統(tǒng)為例，LTE在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮在較高頻段(比如6 GHz)使用，因此采用了較窄的15 kHz子載波間隔，假定載波頻率為1 800 MHz，600 km/h的移動(dòng)速度會(huì)帶來(lái)1 kHz的多普勒頻移，歸一化多普勒頻偏為0.066 7，可以有效抵抗高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻偏，但是行車速度達(dá)到1 000 km/h以后，歸一化多普勒頻偏為0.111 1，系統(tǒng)性能會(huì)快速惡化。

按照3 GPP的建議，在低時(shí)延高可靠(URLLC)的場(chǎng)景下，建議5G載波頻率不應(yīng)超過(guò)6 GHz，子載波間隔(6 GHz以下)應(yīng)為15 kHz、30 kHz、60 kHz可選。15 kHz的歸一化多普勒頻偏與LTE相同，所以表2中分別計(jì)算了子載波頻率為30 kHz、60 kHz的歸一化多普勒頻移。子載波間隔越大，抵抗高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻偏的能力越強(qiáng)。

EUHT系統(tǒng)的子載波頻率為78.125 kHz，考慮最惡劣的情況:假定使用6 GHz頻譜，1 000 k時(shí)速會(huì)帶來(lái)5.6 kHz的多普勒頻移，歸一化多普勒頻偏為0.07，因此EUHT可以有效抵抗高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移。

(2)小區(qū)切換

高速行駛會(huì)給基站小區(qū)覆蓋范圍帶來(lái)很大的影響，行駛速度越高，列車通過(guò)小區(qū)的時(shí)間也越短。以基站覆蓋半徑為2 500 m為例，1 000 km/h的列車通過(guò)小區(qū)的時(shí)間只有9 s(見(jiàn)表3)，而GSM-R相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中定義小區(qū)重疊區(qū)覆蓋范圍要保證小區(qū)兩次切換時(shí)間(通常定義為10 s)，顯然基于GSM-R的小區(qū)硬切換方式不適合用于高速行駛的列車通信。

表3 小區(qū)切換時(shí)間對(duì)重疊區(qū)的影響(基站覆蓋半徑2 500 m)

保證兩次切換的情況下，假設(shè)LTE-R小區(qū)切換時(shí)間降至2 s以下，1 000 km/h時(shí)小區(qū)重疊區(qū)已經(jīng)降至555 m，為既有350 km/h GSM-R重疊區(qū)的一半，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有列車控制通信已經(jīng)成為可能。

保證兩次切換的情況下，假設(shè)5G小區(qū)切換時(shí)間降至毫秒級(jí)(50 ms)以下，1 000 km/h時(shí)重疊區(qū)會(huì)降至14 m，基本可以忽略重疊區(qū)對(duì)基站設(shè)置的影響。

5 超級(jí)高鐵移動(dòng)通信方案建議

按照綱要的規(guī)劃安排，本文按照600 km級(jí)無(wú)管道高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)和1 000 km級(jí)以上的低真空管(隧)道超高速磁懸浮鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行分析討論。

5.1 無(wú)線空口建議

(1)600 km級(jí)無(wú)管道高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)

可采用移動(dòng)蜂窩方式進(jìn)行車地通信，理論上LTE、5G、EUHT均可以支持。應(yīng)選擇大子載波間隔用于降低多普勒頻移；對(duì)多徑衰落應(yīng)進(jìn)行深入分析，采用合適抗快衰落技術(shù)。

(2)低真空管(隧)道超高速磁懸浮鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)有高鐵隧道覆蓋經(jīng)驗(yàn)，采用漏纜技術(shù)可以避免多徑干擾。列車在高速前進(jìn)中，安裝在列車頂上的天線與漏纜的電波入射角總是90°，多普勒頻移為0，因此多普勒頻移問(wèn)題得到解決。更重要的是，漏纜輻射口至車頂天線為最短直射路徑，多徑波也最少，因此快速衰落現(xiàn)象也不明顯。從通信角度看，超級(jí)高鐵(600 km/h以上)宜全程采用封閉金屬管道，降低通信干擾，并全程采用漏纜敷設(shè)。

另一方面，由于固有市場(chǎng)的使用現(xiàn)狀和漏泄電纜傳輸結(jié)構(gòu)限制，現(xiàn)有漏泄電纜技術(shù)不適用于載波頻率在2.5 GHz以上的移動(dòng)通信；如果采用高載波頻率技術(shù)，需要針對(duì)載波頻率設(shè)計(jì)漏纜結(jié)構(gòu)，或者采用漏泄波導(dǎo)。

5.2 接入網(wǎng)架構(gòu)建議

LTE、5G、EUHT接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可適用于1 000 km/h的高速列車通信?？珊侠磉x用5G接入網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，進(jìn)一步降低通信網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

超級(jí)高鐵以其快速、安全、節(jié)能環(huán)保、高效的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外已展開(kāi)大量研究，理論已基本成熟，正在工程化應(yīng)用的探索過(guò)程中。低真空磁懸浮列車安全、高效地運(yùn)行離不開(kāi)移動(dòng)通信系統(tǒng)的支持。建議600 km級(jí)無(wú)管道高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)采用移動(dòng)蜂窩方式進(jìn)行車地通信，理論上LTE、5G、EUHT均可以支持，但應(yīng)選擇大子載波間隔用于降低多普勒頻移；對(duì)多徑衰落進(jìn)行深入分析，采用合適抗快衰落技術(shù)。建議低真空管(隧)道高速磁懸浮鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)全程采用封閉金屬管道，降低通信干擾，并全程采用漏纜敷設(shè)，漏泄電纜應(yīng)敷設(shè)在管道內(nèi)，垂直于列車天線；載波頻率在2.5 GHz以上的移動(dòng)通信宜重新設(shè)計(jì)漏泄電纜結(jié)構(gòu)或者采用漏泄波導(dǎo)。進(jìn)行低真空管道超高速磁懸浮鐵路的研究，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)略性和前瞻性，可為國(guó)家發(fā)展低真空管道超高速磁浮鐵路技術(shù)路線選擇提供支撐和咨詢建議，具有很強(qiáng)的工程科技戰(zhàn)略意義和價(jià)值。