高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展

吴 轲



高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展

吴 轲

广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630

随着经济的快速发展，科学技术也在逐渐进步，国家对于高速铁路的重视程度也越来越高。高速铁路自从其诞生之时就伴随着车地移动通信的承载需求，其中一部分业务承载需求来源于高速列车的列车控制与列车调度，这是高速列车不可或缺的重要组成部分，而另一部分业务则来源于车上的旅客，这是满足旅客服务质量需求的重要标志之一。在移动互联网时代，上网需求已经成为人们生活的重要组成部分。基于此，主要从高速铁路的移动通信系统入手，研究其关键技术的演变和发展，再从高速铁路移动通信技术的发展角度出发，分析了通信系统当中最关键的技术GSM-R，并凭借着对该技术的深入了解，从而进一步阐述了高速铁路移动通信技术的未来发展历程。期待通过研究和探讨，高速铁路的相关部门可以在通信技术作进一步的发展和延伸。

高速铁路；移动通信系统；关键技术；演进与发展

移动通信的发展成为高速铁路的工作内容之一。高速铁路的整体运营需要有移动通信系统的鼎力支持，才能不断提高高速铁路的服务质量。而通过利用移动通信系统来增加高速铁路的服务质量，成为高速铁路工作的重点。

1 高速铁路移动通信发展现状

1.1 国外高速铁路移动通信技术现状

国际高速铁路移动通信发展比国内较早，具有先进性。国外先进的高速轮轨交通系统，很多地方都正在或即将发展高速列车无线通信系统，在提供列车控制列车调度业务承载以外，还能向旅客提供必要的通信服务和互联网接入服务。比如，国际高速铁路不仅能够实现移动通信控制列车运营之外，还已经具备了面向旅客的无线网络服务的功能，充分实现了互联网连接。还有很多国家可以通过利用周围环境中的无线网络来支持列车使用，在执行的过程中，利用科学技术手段减少环境中的信号磨损，从而形成完善的网络服务。一旦没有良好的无线环境支持无线网络的服务，还可以提高使用卫星覆盖技术来执行。当卫星技术可以协助无线网络覆盖之后，就可以充分满足旅客与列车的各种需求，保证数据的全面性和传递的完整性。当下，日本通过使用泄露方式的电缆网络传递将无线网络进行良好的覆盖，从而充分做到列车运营顺畅的交流工作。[1]

1.2 我国高速铁路移动通信发展现状

我国高速铁路移动通信技术主要应用在重载线路，因为重载铁路的路线需要有高端的技术支持，才能保证车地两方顺畅的沟通，从而提高运行的安全性和便利性。大陆GSM—R建设初期最具代表性的是青藏线（高原）、大秦线（重载）、胶济线，之后又建立武广、郑西、京沪、沪宁、沪杭、哈大等客运专线，北同蒲线、云岗支线、迁曹线等重载线路。

台湾台北到高雄的高速铁路选择WiMaX系统建立旅客车地蜂窝无线通信网络，移动通信技术应用处于一个比较非主流的地位，在使用的过程中又不断出现应用的弊端性，因此有极大的可能会被新的改革方式所取而代之。而新型的网络支持提高使用新的移动通讯技术，可以避免在未来的工作中出现落后的情况，减少因运营失误带来的危险性。[2]

2 高速铁路专用的移动通信系统发展

2.1 专用移动通信系统的发展

高速铁路的专用移动通信系统是在当代社会环境之下应运而生的，其中Global Systerm for Mobile Communications-Railway 作为专业的应用程序是毋庸置疑，GSM—R具有其不可否认的划时代的价值和作用，铁路系统通过引入成熟的、长期商用的、且标准化的GSM技术来提高了铁路运营管理效率，并减少建设、运营的成本，其对漫游的支持（如切换功能）可以自动控制在整个运行过程中的列车，使铁路系统使用统一的语音、数据传输平台成为可能，可以供给高速铁路长久使用。专业的高速铁路专用移动通信系统是经历了长期得检验、测试和试用的。完善专用移动通信系统，就是建立数据平台的中流砥柱力量。[3]

但GSM—R毕竟是基于二十世纪八九十年代的技术进行发展的，时至今日，无线通信已取得革命性的进展和突破，GSM—R的各种缺点及问题也是不可避免地暴露出来，GSM-R 已经落后于当下的发展环境和人们需求。将无线网络支持的通信理念不断的拓展，以此来实现对现代科技的改革和创新，才能够成功改善历史遗留数据的狭隘状况，将原本的低效率的数据传导工作进行升级和转化，实现网络传递操作的重大目标。列车在运营的过程中的业务多样性已经不能被传统网络服务所满足，因此进行一系列智能操作的影像一体化职能推广，才能够进一步促使旅客使用这项链接。推广和执行新的网络移动通信服务，终将完全取代传统的GSM-R系统。

2.2 专用移动通信系统的关键技术

Global Systerm for Mobile Communications- Railway 将列车的管理工作操控在良好的执行状态，保证高速铁路工作正常、顺畅地运营，确保工作内容能够完成影像及声音效果的双重监督环境之中。关键技术的革新还能够保证旅客应用链接的融入，从而进一步提升高速铁路的服务质量和水平。在高速铁路的专用移动通信系统之中，仍然存在一些问题，就是考虑到信息传递的安全性和保密性，将列车与地面的联络工作进行细致、准确的分工，保证列车调度一直处于的工作良好状态。由于传统的网络服务很难维持列车调控工作的长期顺畅运行，因此，提升专业技术应用势在必行的一项重大任务。综合铁路运输行业各部门的专业意见和专业理论，规划行业的未来，推动网线网络的发展，从而实现移动通信技术的改革和创新，提升高速铁路的服务质量和服务水平，为经济快速发展奠定良好的社会根基。以下几个关键性的技术需要被深入推展至高速铁路专用移动通讯系统。

2.2.1 要建立一个完善的无线网络支持平台

这个平台要拥有良好的信息传递渠道，能够实现对环境的无差别传递和无差异对待。因为高速铁路可能经过的许多非常复杂道路环境杂，充斥着各种导致信号网络中断或不良的因素，因此保证信号的稳定和传递的顺畅就成为最非常重要的工作内容和工作要求。

2.2.2 高速铁路无线传播信道建模

对无线信道进行准确认知是通信系统设计的基础。高速铁路设置的线路经过城市、郊区、农村、山区等不同地域，其间还要经过高架桥、开阔平原、U型槽、隧道等地形地貌，并且高速铁路无线传播信道具有明显的多普勒频移与扩展以及快时变特性。因此国内外学者在研究适合高速移动的信道建模方法和建立各种地形地貌的信道模型方面都做了各种的工作和许多的尝试。

2.2.3 移动性管理

移动性管理包括空闲状态下的位置更新和连接状态下的高速铁路场景切换，研究主要集中在切换方面的稳定性和及时性。

2.2.4 干扰抑制和抗干扰技术

高速铁路移动通信系统面临信道快时变所导致的子载波间干扰又面临与运营商所部署网络的网间干扰。对于ICI，现有研究主要集中于编码自消除、均衡与迭代判决反馈消除、快时变信道估计等方面。而对网间干扰得问题，现有研究少之又少，因此有必要开展相关研究。

2.2.5 多天线和智能天线技术

高速铁路移动通信系统需要像公众移动通信系统一样使用多天线和智能天线技术才能满足铁路高数据速率业务和旅客宽带接入服务需求。目前，在高速铁路场景中，对多天线和智能天线技术的研究和应用已经获得了一定进展，但仍需深入研究高速铁路环境下如何克服信道估计误差、处理CSI反馈延迟、提升多天线和智能天线性能的方法。

3 高速铁路移动通信技术的未来发展

除了对有的GSM-R 技术进行研究和开发，笔者也要对国内高速铁路的未来发展深入的探讨。国内的研究机构可以从GSM-R 到LTE-R的技术演变入手，开展对新型的符合国内高速铁路发展需求的技术研究。国家对于高速铁路的无线信道建设上一定要重视其存在的环境。建立5G的无线信道建模要考虑环境信道的建设问题。对于5G高速铁路无线信道的建设来说，由于受多径数量与列车位置的双向影响，更需要注意寻找多径数量较少的场景，从而保证通信环境的优化和提升，减少开普勒频移。

在建设信道时，LOS 特性的作用不仅可以帮助减少开普勒频移对信道的影响，还能够推动高速铁路移动通信技术的革新的基础上，开展对用户面的分离技术革新，保证扩大无线通信系统的频率容量。为了减少对于越区的切换，研究者特别注意铁路场景以及高频覆盖范围，使研究中用户面分离技术的控制更加得心应手。国家还开展了一系列对于分布式天线技术的研究，利用该技术的影响来确保越区的切换次数降低，减少列车在高速运行的状态下信号中断现象的发生。

4 结论

总而言之，在引领世界高速铁路技术的同时，我们要从国家的发展战略出发，及时布局未来5～10年高速铁路宽带移动通信的前瞻性的技术研究，应对宽带移动通信系统传输性能、可靠性和安全性等方面带来的挑战和问题，尤其是结合高速移动场景的宽带移动通信的空口传输体制、高速移动下抗干扰与干扰协调、高速移动下高可靠信息传输技术，以及下一代高速铁路车载无线接入技术，确立和有效解决其中的科学问题与关键技术问题，进一步推动高速铁路下一代移动通信系统的平滑演进，这无疑对于进一步推进和保持我国高速铁路成套技术的领先地位具有非常重要而非凡的意义。

[1]李丹，庄宏成.高速铁路4G及TD-LTE移动通信关键问题研究综述[J].计算机应用研究，2015（5）：1297-1302.

[2]刘婷婷，方华丽.浅谈4G移动通信系统的关键技术与发展[J].科技信息，2016（9）：298.

[3]刘立海.国家GSM-R系统向铁路下一代移动通信系统演进的思考[J].中国铁路，2016（5）：42-45.

The evolution of high-speed railway mobile communication system key technology and development

Wu Ke

Guangdong Telecom Planning & Design Institute Co.，Ltd.，Guangdong Guangzhou 510630

With the rapid development of economy，science and technology has also been gradually progress，national emphasis for high speed railway is becoming more and more high.High speed railway car since its birth occurs in load-bearing requirements of mobile communication，one part of business load demand from the high-speed train train control and train scheduling，it is an indispensable important part of high-speed trains，while another part of the business is derived from the passengers on the bus，which is one of the important marks for passenger service quality requirements.We are in the mobile Internet era，Internet has become an important part of people's life demand.This article mainly from the high-speed railway mobile communication system，this paper studies the evolution and development of key technologies，and then from the perspective of the development of high-speed railway mobile communication technology，the communication system are analyzed the key technology of GSM - R，and relying on the deep understanding of this technology，thus further expounds the future of the high-speed railway mobile communication technology development.To discuss，and through the author's research of high-speed railway departments can do further development and extension in communications.

high speed railway；Mobile；communication；system；The key technology；Evolution；and development

TN929.5

A

1009-6434（2016）11-0035-03