对高铁宽带移动通信系统架构演进的思考

方旭明

摘要：探讨控制面与用户面分离的高铁移动通信系统网络架构设计，以及相关的频谱融合和干扰协调问题。认为有别于公众移动通信系统，高铁移动通信技术包括两个重要的技术指标：传输性能和可靠性能，目前正是开展高铁高可靠和大容量移动通信系统研究的最佳时期。相关研究表明，对于未来高铁移动通信系统的高性能传输需求，需要更多地在物理层之上设计有效的解决方案。

关键词：高铁； 宽带移动通信；5G； 架构； 频谱融合； 干扰协调

随着中国装备制造业的快速崛起，近年来高铁发展水平开始举世瞩目。尤其从“十一五”开始，中国已成为世界上一次建成里程最长、运营速度最快的高铁国家。按照《综合交通网中长期发展规划》，到2020年，中国高铁总规模将达到1.8万公里，将占世界高铁总里程的一半以上。高铁技术正逐渐成为中国走向世界的一个国家品牌。与此同时，另一个引以为傲的国家品牌是移动通信技术。如何保证并持续提升中国高铁的整体技术实力，并借着移动通信技术向第5代移动通信（5G）演进的契机，使中国高铁移动通信技术也跃上一个新的台阶，这是我们从国家战略上必须思考和提前布局的问题。

客观地说，目前世界范围内的高铁移动通信水平与公网移动通信水平相比还有较大的差距，特别是旅客在高铁上移动互联网的服务体验是影响高铁形象的一个严重问题。主要性能指标如带宽、接通率、掉话率、切换失败率等在高速移动场景下大大恶化，其主要原因在于高移动性对移动通信带来了以下问题：

·大多普勒频移扩展、大时延扩展和角度扩展

·信道快速时变、信道估计和信道预测困难

·隧道、山区、U型槽等环境非常复杂

·高速切换、频繁切换和群切换等

值得庆幸的是，以提升移动通信服务质量（QoS）为目标的5G关键技术的研究已经展开，一些新的技术，如基于云的无线接入网络和新型协作网络架构，控制面/用户面（C/U面）分离的网络架构，通过毫米波、载波聚合或动态频谱分配的频谱融合技术均可能成为潜在的解决上述问题的手段。

此外，对于未来移动通信系统，无论是公用系统还是专用系统，带宽资源需求与频谱资源供给之间的矛盾日益扩大，如何在许可证频谱之外寻求更广阔的频谱资源？一个自然而然的思路就是利用认知无线电技术，在现有的非许可证频谱中寻求支持，合理地利用微波和毫米波频段的非许可证频段。

因此，考虑下一代移动通信技术的普适性，同时考虑未来高铁移动通信的需求和特点，需要开展基于5G关键技术的高铁移动通信系统关键技术研究。我们相信，开展上述问题研究符合国家的科技发展战略和重大需求，也符合通信产业发展的需要，有利于下一代移动通信网络和高铁相关的关键技术的突破。

1 高铁宽带移动通信现状

及发展动态

1.1 与非许可证频段融合的移动通信

研究现状

目前，传播特性良好的低频段已十分拥挤，为了满足未来移动通信系统中用户的海量带宽需求，运营商需要向拥有较宽连续频谱的高频频段甚至毫米波频段扩展。本研究提出聚合利用许可证频段与非许可证频段、毫米波频段的频谱融合技术。有别于传统的频谱聚合技术，这里聚合的成员频谱数量多、跨度大。因此，我们将其定义为频谱融合。

近年来，频谱聚合得到了学术界的高度关注与重视，并取得了一些研究成果。文献[1]概述了频谱聚合的发展现状、关键技术、技术挑战及发展趋势。文献[2]从认知理论出发，研究了一种基于用户带宽需求的频谱聚合策略，可以有效避免频谱碎片的产生，同时减小终端复杂度，但文章中只研究了许可证频段的频谱聚合。文献[3]指出频谱聚合时需要考虑成员载波的带宽限制，但其仅分析了相近带宽聚合，没有分析载波之间的频谱距离。从现有研究现状看，现有研究成果主要还停留在许可证频段的频谱聚合，并且聚合的成员频谱跨度小，频谱特性差异较小，成员频谱数量和成员频谱带宽种类有限。对于聚合分布在许可证频段和非许可证频段的跨度更大、数量更多的成员频谱，会存在比传统频谱聚合技术中的衰耗差异更大、覆盖更不均匀、上下业务更不对称及切换频繁等一系列问题。

1.2 C/U分离的移动通信系统架构

研究现状

随着安全列车视频实时监控、旅客移动互联网等业务需求的出现，未来高铁移动通信系统需要支持更大容量的传输。在移动网络的发展初期，高铁移动通信系统的主要业务形式是数据量较小的语音业务，通过同构网小区分裂技术便可以满足网络的容量需求，因此耦合的控制面与用户面架构并没有引起太多关注[4]。然而随着移动用户的不断增加及数据业务的兴起，小区分裂导致的严重小区间干扰及较高的建网成本限制了同构网的发展。在异构网中，覆盖范围较小的低功率节点分布在宏基站的覆盖范围内，采用小区间干扰协调技术后，这种网络结构可以带来更大的传输容量[5]。然而，用户在异构网中移动时会导致频繁的切换甚至重新接入，这不但影响了用户体验，也增加了网络的信令开销，这就是耦合的控制面与用户面架构在异构网中暴露的缺陷。根据文献[6]，尽管现有的LTE/SAE系统架构已经在核心网中分离了控制面与用户面，然而在物理传输过程中这两个平面仍然是耦合的。文献[7-9]初步研究了高铁移动通信网络中控制面与用户面分离的基本架构和切换问题。

1.3 基于频谱融合的移动通信系统

架构研究现状

目前关于下一代云无线接入架构的研究都是针对公众移动通信场景，缺乏基于高铁移动通信场景的。然而上述问题也同样存在于高铁专用移动通信系统中，为了保障行车安全，列车之间存在发车时间间隔，即在某一时刻某一线路上的列车数目很少，这导致高铁专网基站的利用率很低。此外，对于基站间相互独立的网络架构，高速移动意味着频繁的越区切换，降低了无线传输的可靠性，严重威胁行车安全。因此，需要充分利用高铁移动通信系统的特殊性，研究基于该场景的云无线接入架构，并将铁路沿线的基带处理单元集中在一起，实现全局控制，这不但可以提高基站利用率、增强频谱融合灵活性，还可以通过灵活的资源配置实现群小区构造，降低切换流程复杂度，提高列控、列调信息的传输可靠性。目前，在这一领域还没有看到有显示度的成果。

1.4 高铁不同频段融合系统的干扰

协调技术研究现状

最近，如何有效利用非许可证频段提高移动系统容量成为业界特别关注的一个问题。在非许可证频段的使用问题中，最重要的就是要解决占用非许可证频段的系统与其他使用非许可证频段系统之间干扰影响的问题。由于非许可证频段上干扰的发生在空域和频域上具有随机性，文献[10]提出了一种新的空间-频段上的干扰分析模型，文中假设在任何区域内以及任何频段上单位面积和单位频段上的干扰强度λ/Hz/m2服从泊松过程，为非许可证频段上的干扰分析提供了合理的数学模型。但是文中只涉及到干扰强度的检测，并没有分析干扰强度和非许可证频段接入与退出的关系。文献[11]使用认知无线电技术对可用非许可证频段进行感知与检测，并对系统接收端与发送端的作用进行了分析与研究，但是文献中提出的非许可证频段资源感知方法和流程在现有的通信系统中并不适用，需要进一步改进。因为非许可证频段为非授权特性，当通信系统使用该频段时，随时有可能由于被干扰而造成通信中断。文献[12-13]通过马尔科夫链定量分析了两个系统共用一个非许可证频段时因为相互干扰而造成的通信中断的概率，但是文中并没有针对干扰协调提出具体有效的解决方案。文献[14-15]采用一种新的帧结构，通过周期性地在每一个无线帧内的前几个子帧进行频谱感应，随后在后面的子帧上根据频谱感应结果进行非许可证频段上的数据传输，避免非许可证频段上干扰的发生。但是文中的方案只适用于次用户占用其他系统许可证频段的场景。

2 高铁宽带移动通信研究

方向和思路

2.1非许可证频段与许可证频段的

融合

未来移动通信系统将面临用户的海量带宽需求，带宽是个永恒的问题。高铁运行线路有一定的特殊性，即很多地段非许可证频段均空闲，但与传统认知无线电不同的是，这里合理使用非许可证频段不存在主从用户，所以不存在频谱的避让问题。因此，从扩大系统频谱和降低频谱使用成本考虑，在使用许可证频段的高铁公网或高铁专网移动通信系统中融合非许可证频段是非常有意义的。但是具有较大频谱间隔并包含毫米波段的多段频谱融合利用在理论和技术上还存在许多挑战。建议相关人员可以分析高频非许可证频段在高速移动场景下的信道特性和适用条件，研究解决高频偏、高衰耗、高频切换、车体穿透损耗等关键技术问题，使融合非许可证频段与许可证频段的频谱能适应高铁场景，解决未来高铁无线通信系统中用户的海量带宽需求。

对于高铁场景下非许可证频段与许可证频段的融合，其主要问题是非许可证频段与许可证频段不连续，及各段频谱存在信道特性不一、传播损耗差异大、容量不等、多普勒频移相差很大等问题，要在这些谱段上传输一个完整的信息流，需要解决如何将信息流在有一定频率间隔的频段上进行高效的调度分发以及如何将从各个频段上接收到的信息流进行可靠汇聚，从而达到连续谱传输的效果。由于融合频段的总频谱宽度和跨度较大，建议相关人员可以对各谱段在物理层进行独立的编码调制，并在链路层进行信息流的高效调度和可靠汇聚。具体建议包括：

（1）针对高铁场景非许可证频段与许可证频段融合信道的估计进行研究，即根据高铁场景下位置和速度可先验获取等特点，估计不同频段在给定位置的信道特征、多普勒频偏、本地频谱政策、频谱利用状态等。

（2）针对非许可证频段与许可证频段信道特性的差异，设计速率适配机制。对于非许可证频段与许可证频段的跨频段融合，如果各成员频谱分配相同的功率，由于高频成员频谱的信道衰减大于低频成员频谱，高频成员频谱的覆盖范围则会小于低频的，以至于小区不同位置的用户可以调度的成员频谱数目不同。因此，需要在融合环境下，研究适当的功率适配机制，使得融合后的各成员频谱具有近似的覆盖范围。

（3）针对需融合的频段宽度和跨度较大的情况，设计高效可靠的调度和汇聚策略，即研究如何将信息流在有一定频率间隔的频段上进行高效的调度分发以及如何将从各个频段上接收到的信息流进行可靠的汇聚，从而达到连续谱传输的效果。

（4）研究高铁场景非许可证频段与许可证频段融合的自适应控制机制。即针对非许可证频段与许可证频段的跨频段融合具有传输特性和成员频谱可用状态动态变化的特点，设计合理的自适应控制机制，适应各成员谱段的动态特性，并进行自适应调度及功率和速率适配，从而充分利用可能的分集增益来提高各成员频谱融合传输的容量和可靠性。

2.2 C/U面分离的高铁移动通信系统

架构

考虑到在异构网日趋密集化的现状下，耦合的控制面与用户面架构已暴露出的问题，未来高铁5G系统在提高网络传输容量进行不同频段融合时，应考虑将重要的控制面甚至列控与列调用户面信息与传统意义上的用户面信息解耦设计，合理利用GSM-R系统中的现有带宽，均衡不同频段的差异，对系统频段弹性设计。为此，必须研究高铁移动场景下基于分离的控制面与用户面架构。具体研究包括：

（1）控制面与用户面解耦架构的研究，即基于现有在功能上控制面与用户面已分离的LTE/SAE架构，再进一步研究如何在物理传输上彻底分离控制面与用户面。

（2）基于解耦架构的频谱融合研究，即通过解耦的控制面与用户面架构将拥有较宽连续频谱的高频频段与GSM-R遗留的、拥有良好传输特性的低频频段融合。由于控制面信息甚至列控、列调用户面信息对传输可靠性要求较高，可以由拥有良好传输特性的宏小区有限低频频带来承载；旅客业务的用户面对传输容量需求较高，可以由拥有较宽连续频谱的小小区高频频段承载，即将控制面与用户面根据各自的需求放置在拥有不同特性的频段传输，并在频域上分离两个平面，均衡不同频段的差异。

（3）解耦架构对信息传输可靠性影响的研究。在解耦架构中，列控、列调信息及旅客业务的控制面信息仍由原有的、传输特性良好的低频频段承载，因此保持着原有的传输可靠性。但由于旅客业务的用户面数据被转移到了高频频段，需要联合考虑旅客业务的控制面及用户面的频谱传输特性来分析解耦架构对旅客业务传输可靠性的影响。

（4）新型帧结构的设计，即研究解耦架构下的信道映射及物理帧结构。在解耦架构中，由于控制面与用户面在物理上就被分离到了不同的小区基站，因此两个平面在信道映射过程中是完全分离的，在无线传输过程中两个平面也将占用帧结构的不同资源位置。

2.3与现有LTE/LTE-A系统兼容

对比公众移动通信场景，高铁移动通信系统存在很多特殊性，这给5G无线通信技术如云无线接入架构的实施和应用带来一些优势。基于此，我们需要研究基于频谱融合的与现有LTE/LTE-A系统兼容的网络架构，具体包括：

（1）高铁场景下云无线接入架构的研究。通过将全部铁路沿线基站的基带处理单元（BBU）集中到统一的BBU池，实现对资源的全局控制和分配，这样不但可以提高处理资源的利用率、增强频谱融合的灵活性，还可以简化远端射频单元（RRU）的结构和功能，降低网络升级及演进成本。此外，我们可以考虑在回传网段采用技术日渐成熟的毫米波实现频谱融合，节约光纤，增强布网灵活性。

（2）基于云接入架构的群小区构造方法研究。云无线接入架构集中了全部的处理资源，可以实现灵活的资源配置，当列车需要从服务RRU切换到目标RRU时，通过将目标RRU的处理资源配置到当前服务RRU的BBU中，即将两个RRU构造为一个群小区，就可以避免复杂的切换流程，降低切换耗时，提高列控信息的无线传输可靠性。

（3）切换信令及流程的设计，基于（1）和（2）研究云无线接入网络架构下的群小区构造方法，并设计相应的切换信令流程。

2.4多频段干扰协调

我们需要研究评估公网系统和高铁专网系统在占用非许可证频段之后对现有非许可证频段的系统的干扰影响，以及非许可证频段的公网系统和高铁专网系统的干扰影响，还需要研究非许可证频段感知方法、适用条件、退出机制等等，以及在使用两类不同频段时的干扰协调方法。

由于非许可证频段为无需授权的公共频段，所以接入非许可证频段后的高铁专网系统与其他使用该非许可证频段系统之间存在干扰问题，这直接会影响在非许可证频段上进行通信传输的可靠性。干扰协调方案主要包括3个方面：接入及退出机制、可用非许可证频段资源感知方法，以及非许可证频段资源分配方案。这三者之间相辅相成，缺一不可。只有制订了合理的非许可证频段接入及退出机制，才能保证接入可用非许可证频段进行通信时不会受到其他系统的干扰，同时在已接入的非许可证频段上受到其他系统的强干扰时，及时退出该频段以保证通信的可靠性；只有采用更加有效的可用非许可证频段资源感知方法，才能使下一代高铁移动通信系统正确地感应到可用的非许可证频段；相应地，设计更加合理的非许可证频段资源分配方案，才能使有限的非许可证频段得到高效的使用，为系统带来更高的吞吐率。具体包括：

（1）接入及退出机制。通过频谱感应技术对非许可证频段上信道进行干扰强度检测，假设信道是系统进行频谱分配的最小单位（如在长期演进系统中，信道为子载波间隔，宽度为15 kHz）。接入及退出机制的制订中需要设定合理的干扰门限，干扰门限是在保证该信道通信质量的条件下所能容忍的最大的干扰能量限度。若检测到还未接入的非许可证频段信道上干扰强度小于干扰门限，则该信道为可接入信道；若检测到已接入的非许可证频段信道上干扰强度高于干扰门限，则该信道已不能进行有效通信，系统应退出该信道。

（2）可用非许可证频段资源感知方法。在实际的通信系统中，频谱感知只能在接收端进行，接收端通过频谱感应检测到可接入非许可证频段资源，并反馈给发送端。发送端根据接收端的反馈指示，在相应的非许可证频段信道上进行信息的发送。具体过程如图1所示。

在接收端，系统通过频谱感知检测非许可证频段信道上的干扰强度。并根据自身的接入及退出机制，将不同非许可证频段信道上的干扰强度与干扰门限相对比，选择出可利用的非许可证频段信道。随后，通过反馈信道将可利用的非许可证频段信道发送给发送端，同时需要将各个可利用非许可证信道的干扰强度发送给发送端，作为发送端进行非许可证频段资源管理与分配的指标依据。发送端接收到接收端发送的反馈信息后，通过自身的非许可证频段资源分配方案选择非许可证信道对接收端进行数据发送。由于非许可证频段上干扰的发生在时域以及频域上都具有随机性，所以系统需要周期性地对非许可证频段上的无线环境进行感应以及评估。但是在实际通信中，上行的接收端为基站，发送端为移动台；而下行的接收端为移动台，发送端为基站。由于手持移动台功能上的限制，上行和下行可用非许可证频段资源感知的过程不同。

（3）非许可证频段资源分配方案。小区内不同位置的移动台会受到不同频段、不同强度的干扰，所以不同位置上的移动台频谱感应到可利用非许可证频段也会不同。一个移动台可能会感应到一个或多个可用非许可证频段信道。当拥有多个可用非许可证频段信道时，其中部分非许可证频段信道对于其他移动台一样可用，在这种情况下，基站只有合理地分配和管理这些非许可证频段的信道，才能有效提升系统容量。

3结束语

文章探讨了高铁5G系统研究中的前瞻问题，特别从架构及相关的频谱融合和干扰协调等方面探讨了其中涉及的关键技术问题及解决思路。对于未来高铁移动通信系统干扰消除和提升系统可靠性，如果采用控制面与用户面分离的架构，再辅之于物理层上的多点协作传输等技术，应该比单纯在物理层上抗干扰处理更加有效。以上研究思路和经验可以为相关领域的研究人员提供参考。

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