铁路卫星通信的发展现状与技术挑战

● 文|北京大学信息科学技术学院 卫星与无线通信实验室 吕婷婷 李帅 程宇新 吴建军

铁路卫星通信的发展现状与技术挑战

● 文|北京大学信息科学技术学院 卫星与无线通信实验室 吕婷婷 李帅 程宇新 吴建军

一、引言

铁路卫星通信属于陆地卫星移动通信（LMS）的一种特殊形式，在数据、图像以及音频传输方面具有独特的优势，有望成为铁路数据通信网的重要一环。与其他陆地通信手段相比，铁路卫星通信具有地理上不受限制、通信距离远和分配灵活等优势，并且卫星波束覆盖范围较大，其通信链路也可以延伸到相对偏远的沿路地区。尽管遇到地面移动通信3G/4G的强有力挑战和竞争，但铁路卫星通信由于其覆盖范围广的独特优势，仍具有一定的生存空间，尤其在如青藏铁路等的一些偏远地区。随着时代的发展，一向处于落后状态的铁路通信系统，在采用了卫星通信设备以后，有可能因此发生巨大变化。

铁路卫星数据通信网拓扑结构为星状网，电话通信拓扑结构为网状网。网络管理系统可以动态分配卫星转发器带宽，动态分配卫星转发器信道，动态配置网络节点和节点的信道容量。铁路卫星通信网是铁路专用网，它是具有一个独立网络管理的卫星通信系统，又是铁路通信网的一个重要组成部分。它为铁路运输管理、运输指挥、铁路工程等提供专用通信服务，也为广大铁路职工提供公务通信服务，还对公众开放服务，如国内/国际旅客列车移动电话通信、旅客列车移动电视接收、旅客列车移动图像/电话通信、全路漫游寻呼等。

图1 国外投入商用的铁路卫星通信系统

二、铁路卫星通信发展现状

1．国外铁路卫星通信发展现状

国外一些地区已经部署铁路卫星通信系统并已投入商用，例如俄罗斯、非洲、欧亚等地，见图1。

Hughes 公司成功实现了基于铁路交通的微小卫星通信地球站(VSAT)的安装应用，目前主要在印度和俄罗斯进行部署。在俄罗斯的铁路卫星项目中，通过VSAT实现的宽带连接已部署应用在从莫斯科到纳兹兰的长达1900km的铁路上，见图2。

通过在火车顶部安装一个低剖面，三轴固定天线，并且与HX200 卫星路由联合运用，在这段长1900 km的铁路旅程中，网络能够维持稳定持续接入。乘客能够通过网络接入进而浏览网页，并维持安全加密的HTTPS 连接，甚至在发生信号干扰时，也能够维持网络接入。

图2 Hughes 公司的微小卫星通信地球站

2． 我国铁路卫星通信的发展历程

我国铁路卫星通信网发展有4个阶段。第一阶段主要是规划铁路卫星通信网并建立试验性铁路卫星通信系统；第二阶段是建设铁路卫星固定业务通信网阶段；第三阶段是铁路卫星通信网的开发应用阶段，开发应用的内容可包括星上资源的有效利用、网络资源的有效配置、通信业务的最佳配置与动态管理等。目前我国铁路卫星通信网还处于试验性阶段，并没有投入到商用。

20世纪80年代初期，中国铁道部开始探讨卫星通信在铁路的应用，组织北方交通大学、铁道科学研究院通信信号研究设计院于1988年5月共同完成了“卫星通信在铁路上发展的研究”，为发展铁路卫星通信提供了决策依据。同期，参与中国广播卫星公司1987年建立并运营的国内第一个VSAT（甚小孔径终端）卫星数据通信网，铁道部分别在北京、乌鲁木齐、兰州和柳州设立了卫星小数据站，为铁道部电子中心和3个铁路局电子中心之间提供卫星数据通信业务。1990年分别在广州和海口设立了卫星小电话站，利用VSAT卫星电话系统提供两地的卫星电话业务。1993年底，铁道部购买亚洲卫星2号Ku频段1/4 转发器作为空间段，并于1995年,开始建设联结铁道部和各铁路局及铁路分局间的VSAT卫星通信网。该卫星网经过固定地球站和可搬移地球站与铁路地面通信网相连接，提供话音、数据、会议电视等通信服务。1997年开始建设联结全国铁路各铁路局及铁路分局主要车站的VSAT卫星数据通信网，并经过地球站和铁路地面数据通信网相连接，为铁路运输管理信息系统、铁路调度信息系统和客票发售系统提供卫星数据通信服务。

1992年9月, 中国铁道部、中国交通部和国际海事卫星组织合作，利用GPS接收机和海事卫星数据，传输链路建成列车位置报告系统；利用海事卫星-M站建成列车卫星移动电话通信系统，进行了列车卫星移动通信和卫星列车定位的试验。

三、铁路卫星通信面临的挑战与技术需求

1．面临的问题与挑战

（1）移动性问题

所有的移动应用，包括天空、海上和陆地移动都面临类似的挑战，那就是物理视距(LoS)障碍导致的信号干扰，其中陆地移动可能会面临最极端的和不可预知的障碍物。

铁路和公路交通面临的挑战包括：建筑物、树木、隧道等结构所带来的视距(LoS)堵塞；跨国和跨服务提供商界限；恶劣的物理环境，如高温、振动、电磁干扰等。

在高速列车上卫星通信会面临额外的挑战：更大的多普勒频移；覆盖波束内部移动中信号的幅度变化；跨卫星信号波束覆盖区；天线尺寸限制，见图3。

图3 铁路卫星面临的移动性问题

（2）同步时钟问题

在固定的卫星装置中，调制解调器或路由器从卫星接收到同步信号进而完成锁定，这被用于合成本地时钟。它有两个目的，一是确保传输中心频率是正确的，二是完成时间同步。在时分多址(TDMA)系统中，这种同步是至关重要的，否则不同的调制解调器可能导致时间基准不一致而且会相互干扰。

在铁路移动应用中，由于高速运动及大量障碍物的影响，并不总能保证卫星信号的正常接收。如果卫星信号发生中断超过几秒钟，就要求再生的本地时钟必须要来自另一个源。在短暂的中断（通常小于30s）中，调制解调器的内部时钟可以以“惯轮（free-wheel）”或“飞轮(fly-wheel)”来缩小差距。然而，这种靠惯性滑行的方式在长时间内是不够充分准确的。在缺乏外部参考时钟的情况下，调制解调器必须关闭发射机以防止干扰影响其他使用相同链路的终端。

（3）越区切换问题

当火车跨越卫星波束的覆盖范围时，接收信号电平可能会发生变化，特别是波束的边缘。大气环境变化也可能导致接收和传输信号衰减。为了保持高质量的服务，卫星调制解调器和集线器必须通过动态改变使用的调制方式或编码格式，并通过改变在路线方向的卫星的发射功率来抵抗这些不稳定因素。

运动速度是面临的另一个挑战。调制解调器必须考虑信号的多普勒频移。多普勒频移会引起符号采样的变化，导致接收信号恶化，增加了调制解调器的调制复杂度。因此，已知火车的速度和方向是至关重要的，这样才能正确地计算出多普勒频移大小。些情况下，列车可以从一个卫星覆盖区越过到一个卫星的覆盖区，或者在使用点波束进行工的新高吞吐量（HTS）卫星的情况下，火车从个点波束到另一个不停移动。在这两种情况下，星系统必须能够无缝从一个波束通信切换到另个波束。

在一些需要提供无缝越区切换的场景，比如火车经过车站，或者是穿过有建筑物阻挡，或地下区域时。为了能在这些区域中提供无缝通接入，这对于卫星通信而言也是一个挑战。 下展示的是在经过车站时，卫星通信通过与蜂窝网络，wifi等结合来应对挑战的方案，见图4。

图4 越区切换问题的应对方案

2． 技术方案需求

为了更好的应对这些挑战，相应的解决方案应该达到如下的要求：

1）全面支持IPv6，以面向未来的网络，并适应无上限数量的用户设备接入；

2）自适应编码和调制（ACM），以满足当列车通过不同形状轮廓的卫星覆盖区时，下行卫星信道能够不断进行针对性优化；

3）TDMA信道传播，以克服离轴发射问题，并允许使用非常小的天线，以减轻相邻卫星干扰；

4）实现多普勒补偿以对抗频移；

5）IP稳态维持以确保IP会话，即使期间有长时间的联系中断，比如当火车穿过隧道；

6）抗震底盘承受高的热度、湿度、灰尘和振动的环境；

7）自动波束切换，以确定位置，并定时命令天线切换到一个新的卫星。

四、卫星-铁路互联系统实现

列车上组建的基本卫星基础设施包括一个稳定的VSAT天线、GPS接收机以及卫星网关/路由器系统，见图5。

图5 列车上组建的卫星基础设施

因为网络流量共享一个单一的传输路径，所以对相关的服务进行区分非常重要。一个好的卫星系统应提供虚拟局域网（VLAN），质量服务保证（QoS）和规则导向的双向路由的相关支持。这使得最高优先级的流量，如火车远程信息处理和语音流量，优先于低优先级的流量，如乘客上网等等。

在一些情况下，列车很可能需要频繁增减车厢，因此在火车上使用有线局域网（LAN）基础设施存在一定的困难。一个wifi网状网络可能更适合实现车载LAN / 无线局域网（WLAN），特别是对于较短的列车。然而，由于列车的固有线性性质，可能需要进行车辆间布线，尤其是对更长的列车，来解决WLAN的瓶颈。企业级无线网系统应支持多个VLAN，服务集标识符（SSID）和同时多频段技术，从而为设备提供分离的数据和连接，以及其他必要的功能来实现这种架构的分离，见图6。

铁路卫星通信系统通常采用具有低轮廓天线的车载终端，具有以下的特点：完全独立的稳定系统；两轴可调极化方向；完全自动获取和追踪模式的能力；持续性的微波追踪和惯性稳定的结合；射频信号中断之后的快速重新获取；可防电磁干扰；可远程电脑监控；同时使用了SR40 IP调制器，单平台实现CDMA扩展频谱和SCPC的结合。

图6 wifi网状网络在车载LAN / WLAN上的应用

五、结束语

铁路卫星通信可以为铁路运输管理、运输指挥、铁路工程等提供专用通信服务，也可对公众开放服务，如国内/国际旅客列车移动电话通信、旅客列车移动电视接收、旅客列车移动图像/电话通信、全路漫游寻呼等。本文对国内外铁路卫星通信的发展现状、技术挑战以及相应的解决方案进行了简单的介绍，以期引起卫星业界对铁路卫星通信这一市场的关注。

参考文献

[1] “SATCOM For Railways” SatMagazine.com : July 2014.

[2] “Communications on the Move (COTM) for Railways” hughes.com: July 2014.

[3] “BROADBAND TO TRAINS VIA SATELLITE”indracompany.com.