高速铁路通信的基本问题与一些延伸

2024-7-31 10:33| 发布者: 精神分裂病人| 查看: 4976| 评论: 0

摘要: 大家在乘坐高铁时，肯定会有这样的问题：“为什么高铁列车上信号不好”，“为什么高铁上信号时好时坏”。今天小编尝试就这些相关问题简单探讨一下。本文分三个部分：高铁列车通信的基本问题、高铁隧道场景下的问题、 ...

大家在乘坐高铁时，肯定会有这样的问题：“为什么高铁列车上信号不好”，“为什么高铁上信号时好时坏”。今天小编尝试就这些相关问题简单探讨一下。本文分三个部分：高铁列车通信的基本问题、高铁隧道场景下的问题、一种基于光载无线通信的新方法。水平有限，学力不逮，恳请指正。
01
高铁通信基本问题

谈到高铁通信，如果各位有空，可以搜一搜相关文献，这些文献基本上都会提到以下三个方面的问题——多普勒频移问题、信号的穿透损耗问题、越区切换频繁问题。它们也是高速铁路通信问题研究的重要切入点。

1.多普勒(Doppler)频移

物体间的相对运动会造成信号的收发频率不一致，也就是会出现频移。速度越快，频移问题越明显。列车在高速移动(200Km/h以上)的场景下，接收机对信号的正确接收与解调就变成了大问题。另外，若是LTE，则由于其采用的正交频分复用（OFDM）这种调制体制对频移相当之敏感，问题会更严重。

这一问题的基本解决/优化思路：

①合理设置基站站址，降低多普勒频移影响。

②在射频单位进行频偏矫正/问题，也就是基带信号的处理问题。

2.信号的穿透损耗

列车车体多采用不锈钢、合金等金属全封闭式的结构，而无论是GSM-R还是LTE-R，均为传统的车内用户直接与车外基站直接通信的架构，使得外部无线信号在车体中的穿透损耗较大，令信号的覆盖成为问题。

这一问题的基本解决/优化思路：移动中继技术。简而言之，就是另设置“中间转发”性质的设备，让整个通信的过程分为两个部分——外部基站与中继设备之间，以及中继设备与用户之间。由中继设备转发来自基站和车内用户的信号。

3.越区切换频繁

这一问题是研究的热门方向。基本原理是这样的：

在高速铁路的列车运行中，为保持车地之间通信的连续新，需将通信链路从一个基站小区信道转换到另一个基站小区信道。但随着列车运行速度增加，通过两个小区之间的重叠覆盖范围时间会相应减少，当其无法满足切换的所需的时间开销时，越区切换就失败了。

实际上，我们日常生活中也是这样。想象一下，一个喜欢唱、跳、rap和篮球的少年正一边走路一边埋着头上B站。他从成都市的天府广场出发，沿着人民南路一直走到了市区的最南端，他很愉快，因为这一路上网络都很好，使用体验极佳。

如上图所示，阴影区是两个小区覆盖范围的重叠区，用户端与不同基站的连接即在这个区域中完成切换。由于图中这个少年走得够慢，重叠区域够大，有足够的时间在重叠区中平滑地完成当前基站到下一基站的切换，所以他的使用体验很好。

但是，在高速铁路场景下，列车速度太快，会在短时间内通过多个小区覆盖范围，导致频繁的越区切换，整个可用性和可靠性降低，易使得切换失败。

这里还可以引申出一个乒乓效应的问题，简单来理解就是用户在基站间来回切换，一般而言解决思路是采用“迟滞”手段——在“请求切换”和“实施切换”之间设置信号强度差。这个就不多展开了。

那么，应对这个问题，一般的解决/优化思路：

①“小区合并”：一个基站处理单元(BBU)连接多个射频拉远单元(RRU)，在逻辑上将多个小区设为同一小区，这样就使“小区切换”变为“小区协作”，提高网络性能、增大覆盖距离、减少切换次数。

②切换算法优化：一般而言是对切换流程中涉及到的切换参数进行优化，有效地预防乒乓效应和无线链路的连接中断，提高切换成功率。目前对切换算法的研究与优化有相当多的成果。

以上就是分三个方面对题主问题的浅易回答。当然，这三个方面还与诸如基站天线的信号入射角度、天线高度之类的因素相关，这里也不多谈了。
02
高铁隧道场景的问题

下面再说说我的感受和一些延展内容。我从上海回成都，坐的是D95x车次的动车组（这个车次的卧代二等座太痛苦了，坐着和站着一样累，主要是背没法靠，卧铺改的座位太坑了。发誓坐飞机甚至K字头，也不坐这个车次了，结果下次，嗯，真香）从长三角到华中一带时，一路上信号都还行，但是从恩施那一段开始直到成都，信号都差得不得了，特别是过隧道时。

其实这个也不奇怪，因为这一段基本都是山地丘陵的地形，整段线上有很多穿山的隧道。我一边赞叹基建狂魔的伟业，一边咒骂差得要死的信号。

实际上，我谈个人的感受不是（就是）为了抱怨，而是为了引出高速铁路中隧道场景下无线通信的问题。为什么要谈一谈这个呢？因为我国是个多山多丘陵的国家，常常需要挖隧道来修建铁路线，因此隧道场景下的通信问题极具研究价值。

文末的主要参考文献[3]中指出：

高铁在运行过程中会遇到多种场景，如开阔场景、路堑、高架桥、隧道以及车站场景。作为一种典型的高铁场景，隧道场景在整个高铁运输过程中占据了很大的比例，并且吸引了越来越多学者的研究兴趣。由于隧道环境独特的传播特性，如狭长、有限的隧道空间、粗糙的内部墙壁等，隧道场景中信号的传播特性在很大程度上不同于其他的高铁场景。此外，隧道长度几百米到几千米不等，且形状各有不同，如圆形、拱形或矩形等.由于隧道的长度、尺寸、形状及产生的波导效应等均会对传播信道产生一定影响，因此目前隧道场景的信道建模仍是一个极具挑战性的课题。同其他高铁场景相比，隧道内的无线信号会遇到更多的反射、衍射和散射等，并且接收端的信号会由于高铁的高速移动而产生严重衰落。

目前有两种基本方案来解决隧道内的无线覆盖问题：

①漏泄电缆：顾名思义，漏泄，即缆上存在槽孔，以供向外辐射电磁波；当然，感应外部电磁波也可以办到，是双向的一个过程。漏泄电缆无须专门规划便能提供高质量的信号覆盖，但从成本上讲，其费用比较昂贵，从工程上讲，其维保相对困难。

②分布式天线：这种方案的优点是覆盖范围更广，信道容量更高，后期维保更简单。相比漏泄电缆而言，优点虽然明显，但也有其缺点。北京交通大学相关研究团队的研究成果[2]指出：

在隧道中进行了2.4 GHz频段的电波传播的实地实车测量，以实测数据论证了采用分布式天线实现隧道内无线覆盖的可行性.研究成果首次揭示了列车等大型用户在隧道中运行时电波传播特有的“近阴影”效应，即当列车距离发射台非常近时，接收信号反倒会遭受非常强(高达约30 dB)的衰减.其本质是当列车和发射台之间的距离小于列车长度时，电波传播的第一菲涅尔区，尤其是第一菲涅尔区60%的区域会被列车自身阻挡.“近阴影”现象揭示了现行列车通信系统接收天线在设计上存在的缺陷，对于使用便捷的分布式天线代替昂贵的漏泄电缆实现隧道内无线覆盖具有重要理论意义。

就这样，对高速铁路隧道场景下的信道测量与建模工作就很重要了。
03
一种基于光载无线通信的新方法

随着铁路列车速度的不断加快，通信技术在铁路上的运用与演进将始终是铁路运输的热门问题。最后，我还想介绍一下日本情報通信研究機構(NICT)于去年(2018)给出的超高速列车运行状况下通信问题的解决办法。我觉得还挺有意思。

在这个研究成果的所在文章[4]中，他们提出了一种用宽带条件下的交换式WDM光纤无线系统（by a switched WDM fiber-wireless system in the W-Band）实现高速无切换的高速列车通信方案（high-speed,handover-free communication for high-speed trains）。实验证明，在小区切换时间小于4μs的情况下，可以实现20Gb/s以上的信号传输（More than 20Gb/s signals transmission with a cell switching time less than 4μs is experimentally demonstrated）。

他们的成果提炼总结下来，就是利用了光载无线通信（Radio-over-Fiber, RoF）技术，将无线信号叠加在光纤上（用无线信号调制光信号），配合一种特有的切换基站覆盖小区的方式，实现列车高速运动中的信息高速稳定传输。其中用到了一种「光・ミリ波変換器」（光-毫米波变换器），用于在天线处利用该基站所设置的光波频率与一个基准光波频率比较，转换得到对应毫米波的频率，最终实现毫米波的大容量无线通信。

与一般的基站覆盖小区切换不同，关于如何实现无缝切换，文章阐明了如下机制：

当列车驶入当前基站1的覆盖范围时，在控制器控制下，激光器（Laser）会发射当前基站1和下一基站2的光波，并且传输相同的的信息；而当列车驶入下一基站2时，激光器便会停止发射基站1的光波，转为发射再下一基站3的光波。原文用了一句话总结：By this scheme，the cell doesn't switch to the next one，but to the cell after the next one.

很有意思吧？

NICT号称这种方案“以实现时速500km下连接也不会中断的网络为目标……有望实现高速铁路列车移动中的无缝大容量通信（時速500ｋｍでも接続が切れないネットワークの実現に目途……高速鉄道移動中のシームレス大容量通信に期待）”。

不过单就我浅薄的知识看来，这种方案依然有它的不足。该方案的小区切换，与既有的传统切换相比，严重依赖对列车移动方向和速度的预判。虽说铁路中列车移动方向已知，结合列车实时速度，可以较为容易的预测列车位置信息，并基于此来实现信号的分配和覆盖，但考虑到文中要求基站在其覆盖区域中排列成一条直线，对于地形复杂（山区、丘陵等）的地段，似乎就没有那么有效了。

话虽如此，光载无线通信(RoF)依然是一种值得发掘的技术——提高无线带宽、简化基站结构、利于灵活组网、降低多径衰落、防电磁干扰等等。不仅仅是铁路或其他轨道交通领域可以考虑应用，在智能交通领域（特指道路交通）、无线宽带通信等等领域也有广阔的应用前景。

欢迎指正。

主要参考：

[1]詹强.高速铁路LTE切换技术的研究[J].信息通信,2018,11：204-205.

[2]钟章队,艾渤等.高速铁路场景无线信道理论与方法研究[J].北京交通大学学报,2016,40(4):65-69.

[3]刘玉,Ammar GHAZAL 等.高铁隧道无线通信系统中的信道测量与建模综述[J].中国科学：信息科学,2017,47(10):1316-1333.

[4]Pham Tien Dat,Atsushi Kanno,Keizo Inagaki, etc.High-Speed and Handover-Free Communications for High-Speed Trains Using Switched WDM Fiber-Wireless System[C].Proc.Optical Fibre Communication 2018,PDP Th4D.2.

(内容来源：知乎·铁道知识局、SLimon)

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