高速铁路移动通信系统性能分析

　　引言

　　近年来，我国高速铁路快速发展，为地区经济发展和改善人们的交通出行条件做出了突出的贡献。高速铁路的正常运行离不开移动通信系统的支持，通过移动通信系统，实现高速铁路和运营部门之间的数据通信。同时随着各种现代化移动通信技术越来越成熟，移动通信相关的产品在高速铁路中的应用越来越普遍。

　　一、移动通信系统在高速铁路中应用情况的发展

　　高速铁路移动通信系统有两种无线覆盖方式，分别为双层蜂窝网络架构和蜂窝/信息站混合架构覆盖。双层蜂窝网络架构中，其中一层为主用网络提供通信链路，另一层为备份网络（该层网络具有更低的切换门限）；对于蜂窝/信息站混合覆盖架构而言，蜂窝网络的基站与信息站通过有线方式与骨干网络的内容服务器相连，蜂窝网络用来给接入用户提供无缝的无线覆盖，用来接收用户的服务请求，而信息站则在用户信道状态良好时，用来给用户发送请求的业务，但是其却没有无缝覆盖保证。对于两种网络架构而言，高速铁路系统在铁路沿线均釆用链状覆盖的拓扑结构。当列车从一个基站向相邻基站行驶时，平均接收信噪比呈周期性变化，当移动台从目标基站接收到信噪比高于从当前基站接收到的信噪比加上切换阈值时，将发生越区切换，移动台将连接至目标基站。

　　二、当前高速铁路移动通信系统性能

　　我国的通信行业已经发展的较为迅速，人们更加注重的是系统的性能，通过对高速铁路移动通信系统性能的研究，来计算整个移动网络对通信的承载情况。移动网络的发展史还是在近期开始的，它的根基不是很稳，发展的速度也不够快，所以在发展的过程中总是遇到瓶颈，所以不得不通过理论研究的方式来对移动通信的各种指标进行测定，例如传输速度等指标，对这些指标进行研究后可以更快的发现通信系统性能上的不足。发现性能上的不足后，才可以针对这些不足进行改进，使通信系统有大幅度的进步。移动通信系统的性能之一是传输干扰性能，这个性能更大的作用是判断分析通信系统对铁路的可靠安全性。下面主要是针对传输干扰的性能进行分析。铁路通信中断是造成通信系统传输干扰的最直接原因，一般产生中断的原因和种类很多：一是，信道变化速度快，衰落速度也快，计算机是需要进行解码的，但是由于信道的衰落速度、变化都很快，衰落后会造成代码接收机的工作无法正常进行，也就是所谓的无法进行解码工作，这个问题一旦发生，就会直接对铁路上的移动通信系统造成影响，导致传输错误信息；二是，目前的移动通信系统普遍采用的就是切换的技术手段，所以，在两种信号进行切换的时候极容易发生通信中断的问题。

　　三、高速铁路移动通信系统的关键应用技术

　　（一）高速铁路移动信息业务传输

　　最近十年间，铁路旅客无线因特网接入业务吸引了越来越多人的关注。为了给铁路旅客提供宽带因特网接入服务，学术界和工业界研究了多种不同的接入网络架构。一种分层的两跳网络架构被工业界和学术界广泛接受。第一跳链路是由轨边设备（如基站、信息站或者转发站）到安装在机车顶部的中继器（或者大功率天线）。第二跳链路部署在车厢内部的无线局域网络。基于这种网络架构，提出了一些旅客因特网接入的资源分配算法，但是如何同时传输列控与监测业务以及旅客信息业务暂时还没有解决。与旅客信息业务相比，列车控制与监测业务对于高速铁路的安全性具有不可替代的作用，尤其是移动授权信息的传输，其传输的可靠性以及安全性必须得到保障。

　　（二）可分级调制

　　当多路信号通过不同的信号同时传输至多个用户时，相比分时传输方式，采用叠加编码的传输方式可以达到更高的广播信道容量域。但是执行某些叠加编码方案需要对现有的收发信机的硬件结构进行升级，同时解调算法也相对复杂，因此叠加编码并没有被移动通信系统广泛的釆用。叠加编码促使另一种新的调制技术--可分级调制产生，该调制技术可以提供比特级的差分业务。可分级调制是基于传统的多进制正交幅度调制M-QAM设计而成的，从传统M-QAM星座图中选出一部分星座点表示不同的符号位置，来构成可分级调制的星座图。当选择的星座点聚合到一张星座图后，星座点间的最小欧几里德距离是不同的，该距离取决于相邻的两个点是否属于不同的簇。通过以上方法，可分级调制的符号可以被映射成不同层的具有不同误码率性能的多个比特。由于可分级调制可以通过提供的叠加增益提高广播信道的容量，因此可分级调制可以应用在多种场景。在文献中，应用可分级调制可以支持无线网络中可分级视频流的传输。该场景下，具有较高信道质量的用户可以获得更好的体验质量QoE，其他的用户依然可以无中断的平稳回放具有较低分辨率（质量）视频。

　　（三）控制面和用户面分离

　　一般情况下，服务基站和接入用户之间会存在两个平面的连接，也就是控制面和用户面，在这之中，控制面是承载用户与接入网的控制指令的，而用户面则是处理业务数据传输功能的。当控制面的覆盖范围能够满足移动范围时，用户整体的移动性就都得到了保障。所以，在此结构中，用户的控制面会被保留于低频频段，因为次频段具备优质的传输性能，并且覆盖的范围也非常广泛。可是如果要考慮成本问题，这一频段也可以采取利用LTE-R遗留频段的方法已达到目的，但同时真正的用户面就应被搬离出去。应将数据的承载者放置在高频段处，以此扩大系统的容量。

　　（四）高速铁路旅客无线网络接入系统

　　（1）通过无线车顶汇聚设备将移动、联通、电信等多家电信运营商网络的带宽聚合，提供一到多个外网连接出口，改善和弥补运营商不同网络性能之间的差异，成倍增加旅客上网带宽的能力，提高车地通信连接的鲁棒性，提升旅客乘坐舒适度。（2）车内建设基于802.11的车厢无线局域网，俗称车厢WiFi，一般车厢覆盖采用802.11g/n/ac标准，车厢之间的连接采用不同频率或信道的802.11a/n/ac标准。通过车内内置海量内容服务器吸引消化车内旅客免费WiFi宽带上网业务，通过与互联网内容提供商的协作，在没有地面信号覆盖或地面信号覆盖较差的区段提供离线的车内免费WiFi网络多媒体内容，如电影、小说、游戏、应用下载等，同时提供新型的广告和电子商务，为旅客改善服务体验，同时给客运管理部门带来新的经济收入机会。（3）通过给车站和车上提供全程WiFi服务，提高高速铁路对飞机、长途汽车等交通方式的竞争能力。（4）为了保持车内用户对标准公网的持续和兼容接入能力，也可以通过车厢局域网连接具有标准3G/4G/5G空口特征的Femto基站设备。

　　四、高速铁路上的移动通信系统的不足及改进

　　传输干扰是通信系统性能研究中我们需要考虑的最重要的一个问题，也是我国目前在研究性能的过程中的短板。通信系统的性能还有很重要的一个研究方向，就是对旅客信息的业务开展，我国目前在这个方面还没有进行性能影响的研究，因为我们还没有研究出合理的方式来进行模型处理，高速铁路上的移动通信系统具有周期性短这個特征，它很容易在一段时间后，产生系统漏洞，需要及时进行维护。信道衰落是整个系统性能中受影响最大的一点，但是高速铁路是基本固定的，这也给高速铁路上的通信系统的优化带来了一定的便利性。目前铁路上的信息通信业务与铁路上列车的控制系统是两个完全分开的、不同的系统。未来首先需要做的就是将这两个系统进行简单的整合，减少工作人员的工作量，并且在很大程度上减少系统的建设成本，更利于对系统性能进行研究分析。针对整个移动通信系统上的传输性能的不足，对整个性能的分析可以采取很多办法，例如采用概率计算的方式，对铁路传输干扰性能进行多方面的分析，分析内容包括信道的衰落过程，通信传输的移动速度以及列车对信道的控制对性能产生的影响，之后再采用一个名为信息传输的碰撞率的指标来进行传输干扰这个性能的影响分析切换，制作出一个合理的模型来进行研究，利用分析与实际测试相互配合的方式来进行影响因素的性能计算与预估，将列车的信息传输精准控制。将铁路传输信号中断的现象进行有效遏制，由此对铁路的移动通信系统的性能进行改进。

　　结束语

　　总之，在引领世界高速铁路技术的同时，我们要从国家发展战略出发，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的诸多挑战，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，推动高速铁路下一代移动通信系统的平滑演进，这无疑对于保持我国高速铁路成套技术的领先地位具有非常重要的意义。

　　参考文献：

　　[1]梁寅明，潘峮，袁超，余立，徐瑨，李男，张欣.TDD-LTE移动通信系统高速铁路场景共存研究[J].广东通信技术，2011（2）：45-49.

　　[2]方旭明，崔亚平，闫莉，宋昊.高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展[J].电子与信息学报，2015（1）.

　　[3]史昊一.高速铁路移动通信系统切换关键技术的研究[D].北京交通大学，2012.

　　来源：环球市场 2017年8期

　　作者：段永峰 裴非