高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展分析

贺明华

（湖南高速铁路职业技术学院，衡阳 421002）

就国内高铁移动通信技术应用而言，目前该项技术应用还处于不断完善与发展的阶段。高铁线路对于技术的要求较高，强调要通过对高端技术的合理运用，为地方运行便利性、安全性提供保障，确保车地两方沟通顺利程度。为对关键技术展开科学运用，做好技术研究与发展推动，研究人员开始着重对移动通信系统关键技术演进展开了分析。从国家角度而言，技术演进主要分为国际以及国内两部分。

1 关键技术演进

1.1 国际部分

发达国家高铁相关技术研究较早，与国内相比，其移动通信技术发展水平相对较高，整体移动通信服务较为完善，服务体系完善程度较为理想。在国家实际需要以及国家文化等内容推动下，发达国家乘客服务、技术发展始终保持着持续性强化的状态，已经实现了无线网络大规模覆盖目标，列车内通信障碍得到了妥善处理。其中以GSM-R 技术最具代表性，该项技术最早应用在北欧、南欧等国家，经过多年发展，技术除在欧洲得到应用外，在印度和中国也有着广泛运用。

1.2 国内部分

国内高铁所使用移动通信技术最早以GSM-R 技术为主，该项技术最早应用于大秦线以及青藏线等线路，之后开始在高铁线路、重载线路中得到运用。在国内经济持续增加的环境中，技术应用以及相关技术得到切实优化，技术整体运用变得更加成熟。但随着民众以及高铁运输对于技术应用要求的不断提高，技术运用已经无法满足现代相关要求，在此背景下，多样化通信技术开始出现，新型通信系统网络建设也已经如火如荼展开，整体技术发展前景较为理想。

2 关键技术发展

2.1 5G 技术

5G 是最新兴起高水平技术，是今后高铁移动通信主要研究技术之一。由于高铁移动通信技术研究与应用，有着明显的前瞻性要求，所以在实施关键技术研究时，很需要从LTE-R 技术起，对技术今后发展展开深层次解读，或者以5G 技术为基础，展开移动通信技术研究，在此选择后者，以5G 技术为切入点，对关键技术今后发展展开简单剖析。

2.1.1 无线信道建模

通过对高铁通信环境的分析可以发现，整体运行环境有着明显的多径数量少、散射环境简单以及LOS 特性突出等方面的特征。整体环境信道多径数量和列车位置有着密切关联，如果列车位于基站较近或较远区域，多径数量总数相对较低，但如果位于其他区域，则其多径数量就会出处于较多的状态，但即便是在多径数量较多场景中，和公网相比，其多径数量仍然有限。信道非相干性问题较为明显，需要通过对其他各种技术的运用，对非相干性实施克服，以求获得最佳MIMO 增益。在5G 系统不断向毫米波频段实施扩展过程中，铁路环境中的信道多径数量会出现明显较少的趋势，其LOS 特性会更加突出，会直接引发各种新的问题。因此，研究人员需要做好新信道特性研究，要重点对大规模MIMO 环境中波束赋形以及天线阵设计等问题展开研究，以求研究出更加适合我国高铁的自适应技术及其应用方案。

2.1.2 分布式云与网络架构

网络中基站资源使用率相对较低，其使用和基站位置、时间段有着密切关联。在高铁环境中，此种关联会变得更加密切。为避免发生碰撞问题，列车发车存在着一定的时间间隔，即便是在同一条线路上，在同一时刻所运行的列车数量也相对有限，线路上基站多处于空间状态，因此会造成大量资源浪费问题。为妥善解决这一问题，可将浪费资源以无线方式接入到网络架构之中，通过对基站间可通用、共有基带的运用，对资源展开集中处理，确保多余资源可以集中到一个基带处理池之中，从而对资源展开集中控制。用户基带处理不再限制于固定资源，基带处理池可按照资源具体使用情况，为用户提供相应处理资源，资源利用率会得到显著提升，资源使用灵活性也会变得更加理想。

从网络拓扑层面而言，传统分布式网络和云架构有诸多相似点，均是运用光纤拉远等技术对射频拉远单元实施控制的，可通过对一个基带处理单元的运用，对多个单元展开同时控制。但两者也有一些差异，在云架构之中，射频拉远单元和基带处理单元连接关系并不固定，射频拉远单元并不属于固定的基带处理单元试题，实施信号接收与发送处理时，均是在虚拟基带处理单元中展开的。将实时虚拟技术输入到基带处理池内部分处理器之中，便可形成此种虚拟基带处理单元能力。和传统分布式网络相比，以虚拟技术为基础的云架构更加适合今后高铁移动通信网络，会通过对物理资源的运用，达到全局优化的目标。

2.1.3 户面、控制面分离技术运用

运用控制面、户面分离技术实施容量拓展时，可通过开发更宽连续频谱高频频段的方式，对铁路无线通信系统宽带实施延展。但因为高频频段路径损耗相对较大，且存在着覆盖范围有限的问题，将其运用高铁环境中，需要频繁切换越区。为保证系统容量扩展质量，达到良好的移动性效果，研究人员提出构建用户面、控制面分离异构无线通信网络架构结构。

服务基站在接入用户时，存在着两个连接平面，即用户面以及控制面。控制面主要负责承载接入网络和用户间控制信令，而用户面以业务数据传输功能为主。为保证控制面移动性，需要保证控制面整体覆盖范围，确保可以省去频繁切换操作，以为用户移动性功能实现提供可靠保障。在架构内，用户控制面会被保留在低频频段之中，而这一频段有着明显的信号覆盖范围大以及传输性能优等特点。因为要对建设成本实施控制，所以该频段可以运用LTE-R 或GSM—R 遗留频段，以便减少不必要的成本支出。同时需要将用户面移动到更宽频谱高频频段之中，进而达到切实拓展系统容量的目标。

以往在网络架构内，会按照传输可靠性指标对中断概率展开衡量，但在此种构架内，用户面以及控制面会被分配到多个网络节点之中，且控制面会传输可靠性所产生的影响会更加明显，会被保留在低频频段，以防造成不利影响。在此结构内中断概率并不适用，需要重新展开新指标建设，以便用标准对系统传输性能展开判断，以便更好地对用户面中断概率展开运用。指标的运用，可实现对用户面以及控制面的有效区分，控制面与传输可靠性有着密切关联，更加符合高铁业务传输需要。

除分离架构外，还可通过对其他方式的运用，达到高频频段融合目标。例如，可在不对原有网络部署实施改动的基础上，展开大发射功率高频基站建设，从而达到弥补路径损耗，拓展覆盖范围的目标，确保原有基站分流业务覆盖范围可以得到切实拓展，进而实现对系统容量的切实拓展。同时此种方式的运用，还可达到良好的无线回传效果，可妥善解决网络密集化所造成的有限回传布网难度较大问题。就传输特性层面来看，低频频段和高频频段之间传输特征并不相同，所以在对高频频段实施宽带延伸时，应加大对频段应有优势挖掘力度，从而达到强化系统性能的目标。

2.2 旅客无线网络接入系统

向旅客提供无线网络服务，可在保证旅客乘坐体验的同时，为系统运营创造出更大的收益。由于旅客收集设备多数无法处理复杂程度较高的信号，即便可以实施处理，也需要大功率作为支持，普通手机无法达到这一功能，所以在实施网络接入系统建设时，需要做好移动数据传输链路处理，应重新对车地间宽度数据和移动数据传输连接方式展开构建，并做好列车内WIFI 等系统建设，保证列车内移动网络使用稳定性、无障碍性。

3 结束语

虽然我国高速铁路建设以及移动通信技术起步时间相对较晚，在部分技术研究方面与发达国家相比还存在一定差距，但经过多年发展，我国在高铁方面取得成绩已经得到了显著性进步。在进行移动通信关键技术研究与改进时，有关部门需要从我国国情着手，对关键技术演进展开全面研究，确定今后技术发展主要方向，并以此为导向，对技术发展展开深层次解析，以对各种通信技术应用问题展开科学应对，确保各项挑战与冲击可以得到妥善化解，从而实现对高铁行业发展的有效带动，为广大乘客创造出更加优质的高铁乘坐体验。