高速列车宽带无线上网方案比较及电气安装要求

郑仕群

（中国海诚工程科技股份有限公司，上海200031）

目前移动运营商通常通过高速铁路沿线的基站来实现高速列车覆盖。这种方式适合语音通话业务，但难以满足宽带无线上网的需求。为了能提供和办公室类似的无线上网体验，需要考虑对高铁列车进行电气改造。本文比较了3种不同的高铁列车宽带无线上网方案的优缺点，并针对性地分析了各方案对布线设计的要求。

1 方案1：车外语音、车内无线局域网

随着无线局域网技术的发展，其终端成本越来越便宜，数据传输速率越来越高。IEEE 802.11g和IEEE 802.11nWIFI设备已能提供54～150Mb／s的无线上网速率，在办公场所里已十分普及。近年来，3大移动运营商也大力部署无线城市，进一步推动了WIFI终端的发展。WIFI已经成为笔记本的标准配置，很多新兴的平板电脑和智能手机都支持通过WIFI宽带无线上网。这在商务人群中普及率很高。

既然高速列车直接通过移动通信网络上网速率受限，可以考虑在高速列车内部署无线局域网来提供宽带无线上网业务。图1描述了方案1的架构。乘客在高速列车里的语音业务由车外的移动基站提供，数据业务通过车内部署的无线局域网提供。高速列车车厢通常长25m左右，一个设置在两节车厢结合部的接入点（AP）能很好地实现两节车厢的覆盖。由于通常双屏蔽超五类双绞线可靠传输距离为100m，所以每隔4节车厢需要设置一个交换机。高速列车通常有8到16节车厢，所以需要依情况设置2到4个交换机节点。高速列车上无法象办公室那样通过固定网络接口接入互联网，但可以利用车载无线调制解调器通过移动运营商的蜂窝网络接入互联网。所以要在高速列车上某处，如车头安装车载无线调制解调器，并通过路由器和交换机连接。这样就构成了一个完整的车内无线局域网系统。

图1 车外语音，车内无线局域网方案示意图

车内无线局域网布线需要遵循机车布线规范［2］。无线局域网线路属于第1级电路。为了防止车内不同电路之间的干扰，方案1采用双屏蔽超5类双绞线。它能传输最高100MHz的信号，但不会对周围其他线路产生干扰。由于每条线直径只有5mm左右，而本系统同时最多只有3根线并行，因此布线时如果不能占用单独的线槽，可以和其他信号线共用线槽，降低布线难度和成本。每个接入点只需要电源接口和以太网接口，而交换机、路由器和无线调制解调器需要放在弱电箱内。市场上此类产品型号很多，尺寸较小，易于安放设置，价格比较低廉。注意无线调制解调器的天线需要安放在靠近车体表面无屏蔽的位置，以提高和高速列车外移动基站的通信信号质量。天线通过射频电缆和无线调制解调器连接。

2 方案2：直放站配合无线局域网

车外语音加车内无线局域网的方案可以很好地解决高速列车宽带无线上网的问题，但是并不能提供完善的用户体验。直接用车外基站提供语音业务，虽然可以在多数时间提供清晰的语音服务，但由于高速列车无线传播环境恶劣，仍然偶尔会出现杂音、掉话、丢失寻呼等问题。此外，并不是所有用户都能通过无线局域网上网。一些低速手机应用需要在移动通信网络中使用，它们对速率要求不高，但是需要有稳定的连接。

可以采用直放站配合无线局域网的方案来提供比较完善的高速列车用户上网体验（图2）。该方案采用了和方案1同样的车内无线局域网系统来提供宽带无线上网。此外还并行部署了一套车载多模移动通信直放站系统来辅助语音通话和低速数据业务。这套系统的核心是一台车载多模移动通信直放站。它作为高速列车外基站和高速列车内终端之间的中继，一方面接收基站信号，放大后发给终端；另一方面接收终端发给基站的信号，通过合适的信道发送给基站。由于直放站没有体积、功耗等方面的限制，所以可以使用比手机更高级的信号处理算法，还可以使用多根天线和基站通信，从而大大提高移动通信质量。在部署了车载多模移动通信直放站的高速列车里，用户手机感受的是和办公室类似的移动通信信号强度，在语音和低速数据业务下没有太大体验差别。

图2 直放站配合无线局域网方案示意图

直放站通过馈线网络和天线向用户终端发送和接收无线信号。这样可以保证到用户终端的无线传输环境。同样考虑在两节车厢结合部安装偶极天线来实现这两节车厢的覆盖。各个天线通过馈线和射频合、分路器逐级汇合到直放站射频接口处。射频合、分路器对下行信号会带来3dB的衰减。假设最坏情况下，直放站安装在车头，车体有16节车厢。于是车尾天线需要经过7级射频合、分路器和约400m的馈线，信号损耗较大。可以在射频合、分路器接口处加射频放大器来抵消衰减。但是这样会大大提高成本和安装维护难度，而且难以兼顾多个无线通信频段。所以本方案采用无源射频合、分路器。根据高铁列车车厢无线传播环境进行无线链路计算可以得到，需要采用5／4英寸馈线（1 800 MHz衰减约为4dB／100m）［3］。另外，直放站射频口需要安装防雷器，其射频衰减应小于0.5dB。

布线上馈线和射频合、分路器需要安装在有良好接地的线槽内，每条馈线都应用接地件和截面积为10 mm2的接地线接地，并且接地点应接近直放站一端。馈线弯曲半径应小于设备技术要求，这在高速列车应该能够满足。馈线属于第1级电缆，和周围其他电缆应相距3cm以上。

3 方案3微蜂窝RRU拉远

随着蜂窝移动通信技术的发展，移动通信网络能够提供的数据传输速率越来越高。目前3.5GHSPA已经可以提供最大14Mb／s的下行速率，不久以后4G LTE将提供最大150Mb／s的下行速率。这在高速移动的高速列车上是很难实现的。如果用户希望在高速列车上通过蜂窝移动网络宽带无线上网，从而实现车上车下一致的体验，那么可以采用微蜂窝RRU（远端射频模块）拉远的方案（图3）。

图3 微蜂窝RRU拉远方案示意图

微蜂窝RRU拉远方案将整列高速列车布置为一个移动通信微蜂窝。其核心是一台移动通信微蜂窝基站。为了有效地实现高速列车无线信号覆盖，将远端射频模块和天线设置在靠近用户的位置，通过光纤和微蜂窝内的基带处理单元相连。发射功率设置要考虑车外移动基站信号的干扰。用光纤而不是馈线连接的原因是光纤传输可靠且损耗小。微蜂窝基站需要专用链路和核心网连接。这通常采用卫星接入，也可以使用专用的接入模块。从性能的角度考虑，本方案采用卫星接入的方式。

布局上把微蜂窝基站布置在车头处，在两节车厢的结合部放置一台远端射频模块和天线。远端射频模块需要放置在专门的弱电箱中。考虑高速列车有16节车厢，由于每个远端射频模块需要通过光纤直接和微蜂窝基站相连，所以采用8芯多模光缆。光缆在线槽中铺设，采用中心束管式带铠结构，型号GYXTW［4］。注意弯曲光缆时不能超过最小的弯曲半径，铺设光缆的牵拉力不应超过最大铺设张力，需要考虑高速列车拐弯的场景。远端射频模块的供电为直流－48V，由微蜂窝基站远端供电。采用2.5mm2电线。某些型号的光缆将供电线放在同一个铠里，方便铺设。

如果还需要同时给用户提供无线局域网宽带上网方式，可以类似方案1部署一套并行的车内无线局域网系统。在车头路由器端，可以不用无线调制解调器，直接和微蜂窝基站相连。

4 3种方案比较和总结

综上所述，这3种方案都能解决目前高速列车无法宽带无线上网的问题。它们由于实现方法不同，从而在性能、用户体验、成本等方面有所差别，在布线的要求和难度上也不一样（表1）。车外语音加车内无线局域网的方案最简单，可选设备类型多样，成本低，布线很简单。但其用户的综合体验一般。直放站配合无线局域网的方案弥补了方案1在语音和低速数据通信上的不足，提升了整体的用户体验。由于增加了馈线、天线、直放站等设备，成本大大提高，布线的要求也相应提高。微蜂窝RRU拉远的方案是性能上最优的方案，可以提供车上车下一致的用户体验，还可以配合无线局域网向用户提供不同的选择。但这种改造方案成本比较高，而且光纤布线也比双屏蔽超五类双绞线复杂得多。具体工程实施时可以根据不同的用户需求选择不同的改造方案。

表1 3种高速列车宽带无线上网方案的比较

［1］王化深，胡景森，常 凯，等.准高速铁路无线机车信号的传播特性［J］.北京交通大学学报，2009，33（3）：17－21.

［2］中华人民共和国铁道部.TB／T 1508－1993，机车电气屏柜技术条件［S］.

［3］中华人民共和国信息产业部.YD－T＿1092－2004，通信电缆—无线通信用50Ω泡沫聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆［S］.

［4］中华人民共和国信息产业部.GB／T12357.4－2004，通信用多模光纤［S］.

［5］法国标准化协会.NF F 61－010，铁路车辆—布线和设备机械固定的一般规定［S］.