高速铁路通信难题的研究*

王 庆 黄会玲

(1中国电信股份有限公司黄石传输局,湖北黄石 435003;2湖北师范学院物电学院,湖北黄石 435002)

0 引言

铁路是我国最主要也是最重要的交通手段,通过对铁路实现电气化改造,铁路的最高时速一次次被刷新,即将开通的京沪高铁最高时速甚至可达500 km/h。未来,高铁网络将覆盖全国所有的重要城市,高速公路和高速铁路也将成为无线通信需求汇聚的重要场所。乘客在体验高速铁路带来便利生活的同时,也期待享受到无处不在的通信服务。但是在列车提速的同时也给列车通信带来了一定的影响。对于移动通信系统而言,当移动终端速度达到350 km/h以后,则需要考虑一些新的技术问题。首先,列车的高速运行使得多普勒频移效应明显;第二,切换和小区重选问题,一些微蜂窝体制和切换速度较慢的系统已经不适合这样高速的移动载体了;第三,高速列车强度的加大使得电波的穿透损耗也进一步增加,因此,高速移动条件下铁路通信的安全性、可靠性、稳定性和无缝覆盖等技术问题变得尤为突出。高速铁路的无线覆盖尤其是 3G覆盖对网络、基站以及用户终端提出了更为苛刻的要求,经技术人员测试,高铁部分区域存在覆盖空洞、切换掉话、PDSN(Packet Data Serving Node)间无法切换等网络问题,影响了用户的业务体验。

1 高速下无线通信面临的问题

1.1 信号覆盖问题

高速铁路的移动通信覆盖是一个世界性难题。高速公路、铁路一般位于郊区,相对于城市而言更为空旷,有利于无线信号的传播,但是高速列车的封闭性强,对无线信号的覆盖造成了一定的影响。高速铁路的电力接触网与地面及列车车厢顶部的距离都非常近,而电压却高达几万伏,这种高电压产生的强大电磁场对通信的无线电信号造成了干扰,另外,列车车厢本身对无线传输信号就具有一定的屏蔽作用,会造成信号更大的穿透损耗,穿透损耗一般具有以下几个特点:

1)列车车厢穿透损耗的增加幅度会随着掠射角的减小而增大。

2)当掠射角在 10°以内,列车穿透损耗增加幅度明显加快。

3)穿透损耗的程度还与位置有关,并且车厢内不同位置损耗值的差距比较大。

4)CRH(CHINA RAILWAY HIGHSPEED)动车车厢整体穿透损耗平均值在25 dB左右[1]。因此在高速运动的情况下要求具有更强功率的覆盖信号。

不同的通信技术对重叠覆盖区的计算还稍有区别,比如GSM(Global System for Mobile Communications)是硬切换,但是WCDMA(Wideband CDMA)采用的却是软切换,因此WCDMA相邻小区的连接是先于本小区断开的,重叠覆盖区的计算也与 GSM有所不同。一个基站的覆盖距离是可以计算的,而且重叠覆盖区直接决定了站间距。在实际网络建设中,由于站址选择的限制,通常各个运营商,各种通信系统在高铁沿线都需要共站,实际的站间距是从理论计算各种技术所需要站间距的最小值[2]。

1.2 速度问题

传统的微蜂窝体制和切换速度较慢的系统不再适合高速移动载体的需求。终端高速运动时,从基站发向终端的信号和从终端发向基站的信号都会产生多普勒频移。所谓多普勒频移(Doppler shift)是指当发射源与接收体之间存在相对运动时,会导致接收体接收的发射源发射信息频率与发射源发射信息频率不相同,接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。多普勒频移也被叫做多普勒扩展,它代表了信道的衰落速率。对接收信号的影响可看作发射信号频率的多普勒扩展或频谱展宽而不是看作一频偏。如果当作频偏来理解进行频偏试验,那么不管是GSM、TD -SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)、CDMA 800、CDMA 2000、WCDMA等,得出的结果都会相同,即频偏越大,所传数据误码率越高,而频偏的大小是和载波的大小以及运动速度成正比的,因此,速度越快所造成的频偏也就越大,信号的畸变也就越严重,会导致列车行驶过程中无线传输信号的杂音比较大,而当列车运行方向与电磁波传播方向一致时,多普勒频移最为明显。

多普勒频移被限制在 ±fm内,通常它比载波频率 fc低得多。从移动台前面来的波遭到正的多普勒频移;反之从移动台后面来的波有负的多普勒频移。接收到信号各个多径分量被不同的多普勒频率所偏移。多普勒频偏会影响对无线链路的解调性能,接收信号频率会偏离基站侧中心频点。

1.3 切换问题

但凡移动通信,都牵涉到越区切换,列车互联网络无线传输系统也不例外。由于列车无线调度电话的使用,每个火车站都有无线电信号的发射铁塔,而且每个火车站都有通信机房。因此,铁路无线通信的小区制是以各站站场为中心、半径为 4～7 km的圆形小蜂窝,小区切换带的设置主要和列车运行速度、小区重选与小区切换时间有关。2个相邻小区之间必须保证足够的重叠覆盖区域,以满足终端在高速移动过程中,对切换的时间要求[3]。列车运行的速度越快,用户在通信过程中切换、重选所需要覆盖的区域也就越大。对于现网基站所使用的各种覆盖方式而言,覆盖区域过大,切换关系过于复杂,切换重叠覆盖区域过短,都容易出现针尖效应以及切换不及时等问题。针尖效应主要表现为在较强目标小区信号的短时间作用下,原小区信号经历短暂快速下降,又上升的情况,产生于天线电波传播的死区,往往出现在街道拐弯的地方或者 2条街道交界的地方。

此外,高速运动状态下的用户几乎同时通过LAC(location area code位置区)和RAC (router area code路由区),位置更新信令量大,系统压力大,并且,由于通常情况下高速公路及高速铁路都是呈超长线状分布的,与周边的环境之间形成的互相干扰问题也就更为严重,给保障通信质量带来了更大的难度。

2 解决方案

要提高高速运动下无线通信的通信质量,可以从改善通信设备入手,也可以通过优化切换算法来保证通信的稳定性。另外,专门为铁路设计的专网GSM-R(即专业无线数字通信系统)也为铁路的无线通信提供了良好的网络保障。

2.1 优化通信设备

要消除由于高速运动而产生的上下行频偏,可以通过增强设备能力,使基站和终端采用更复杂的消除频谱的算法来实现,采用这种方法,还能使基站扩大小区的覆盖范围,减少切换的次数。高速公路和高速铁路附近的用户量少,所以可以针对高速运行的特点来对沿线的基站进行专门的设计与建设,但终端必须是通用的,因为终端处于高速运动下的情况毕竟是少数,为了适应高速运动下通信质量的需求而专门改进终端设备成本太高。目前主流系统设备厂家生产的基站都可以支持频偏补偿,具体实现方法是基站根据接收到的上行信号的频偏,调整收信机接收频率,抵消多普勒效应导致的上行频率偏移;同时相应对下行发信频率置相同的偏移量,保证手机的正常通信。

除此以外,还可以让车辆配备标准化的信号转发设备,车载转发设备可以起到直接放大通信信号的作用,同时,还可以起到信号处理的作用,消除由于高速运动而产生的信号频率畸变,降低对终端设备能力的要求。

2.2 优化切换算法

现在常用的优化切换算法一般都是采用超级小区的方法,在相邻小区设置足够的重叠覆盖区域,以满足终端在高速移动过程中对切换时间的要求,而且重叠区域距离应保持在切换距离的 2倍以上,以适应信号在小区间的双向切换[4]。同时,还可采用独立 RRU级联、小区合并、光纤直放站级联的技术来减少小区的数量,从而达到减少切换次数的目的。高速铁路运行初期通常预留一定的提速能力,车速应按远期运行车速考虑。由于地形、隧道、桥梁等原因各段铁路运行速度并不相同,应分段考虑。

另外,要改善高速运动下的切换状态,设置“超级小区”是一个办法,即一个 BBU (Bandwidth Based Unit)和多个RRU(Regenerative Repeater Unit)串联,使一个小区的覆盖距离达到数公里,从而保证高速下的信号切换。

2.3 建立专网

除了2G/3G的无线公网覆盖,随着国内多条高速铁路的顺利开通,也使得专网——铁路数字移动通信系统GSM-R应用得越来越广泛。专用通信网(专网)作为公用通信网的一种补充,它是指在一些行业、部门或单位内部,为满足其进行组织管理、安全生产、调度指挥等需要所建设的通信网络。作为专门为铁路设计的专业无线数字通信系统,GSM-R针对铁路通信列车调度、控制、通信,具有支持高速列车的特点,并将铁路移动通信所具有的特色(群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能)加进去,构成了GSM-R用于铁路的全球移动通信系统。通信系统的公网与专网的区别在于以下几点:

1)在组网原则上,高速铁路的公网不单独规划新的站址,覆盖区域参数和大网保持一致,而专网则要规划专门的基站、传输和天线系统,并保证高铁网络拥有独立的参数设置。

2)在覆盖区域上,高铁的公网覆盖铁路和铁路附近区域,而专网则只覆盖高速铁路的带状区域。

3)在业务方面,专网只面向铁路系统的指挥调度等用户。

4)最后专网的GSM-R网络有更强的安全性和冗余性,并且与公网的频点是区分开的。

除了以上所提到的这些方案以外,解决高铁覆盖问题的关键是网络规划时站址、站高、发射功率、天馈的设计。可以采用高功率基站、远端拉远基站(没有馈线损耗)、塔顶放大器以及提升网络覆盖的一些软件功能提高网络的覆盖水平。

3 结论

高速铁路对铁路移动通信系统提出了更高的要求,主要表现在:移动通信系统在网络结构、硬件设备、软件算法方面都要适应列车最高时速达到300～500 km/h时的情况,必须具有快速越区切换的功能,还能够实现无线列控方式。此外,系统应满足双线双方向运行要求和功能寻址的要求,同时满足故障安全原则,能够并充分利用频谱资源,适应各种铁路运输的需要。

[1] 鲁义轩.“高铁热”激发无线通信新问题[J].通信世界周刊,2010(46):16

[2] 浦实,王均宏,李铮.高速铁路环境下无线链路的一体化建模与分析[J].电波科学学报, 2009,24(1):43-49

[3] 鲁义轩.高铁网优:重视邻区优化与切换算法[J].通信世界周刊,2010(46):17

[4] 高超,毛胜利.基于Mix网络的通信系统安全性能分析[J].黄石理工学院学报,2010,26(2): 24-26