真空管道高速飞行列车车地宽带无线通信关键技术的思考

刘 留，裘陈成，李 铮，韩柏涛，刘 叶，周 涛

(北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044)

近几年，中国的高速铁路技术发展迅猛，中国高速铁路建设取得的进展吸引了全世界的目光，随着高速铁路“走出去”战略的启动，中国实现了高速铁路领域从“追赶者”到“领导者”的飞跃，有力地推进了“一带一路”倡议的发展，也为“中国梦”的实现开辟了重要通道，为保持我国高速铁路技术的领先地位，研究高速铁路宽带无线通信系统以及关键技术具有重要的意义与价值。

截至2017年，中国高速铁路已扩展覆盖到29个省级行政区，已形成世界上最庞大的高铁网络，其总长度超过25 000 km，约占全球商业服务高速铁路的2/3，中国“四纵四横”高速铁路网络也已基本建成。中国已全面掌握了高速铁路关键核心技术，此外，中国还搭建了世界上水平最高的高速铁路技术平台，在高速铁路领域，中国正引领着世界发展的潮流趋势。当轮轨高速铁路在中国快速发展的同时，下一代超高速高速铁路技术——真空管道高速飞行列车也逐步进入人们的视野。在2018全国两会期间，中国工程院院士卢春房提出，中国将要研发真空管道高速飞行列车[1]。

目前国外正在研究超级高速铁路(以下简称超级高铁)并取得一定进展的公司主要有两家，一家是由埃隆·马斯克发起成立的Hyperloop One公司，2017年该公司完成了在真空环境中对超级高铁的首次全面测试；另一家HTT公司(Hyperloop Transportation Technologies)则已在2018年与贵州铜仁签署协议，将在铜仁建设中国第一条商业真空管道超级高铁线路[2]，同时HTT已在美国、阿联酋、法国等国家签署了超级高铁建设协议。国内方面，西南交通大学表示已经开发出世界上第一套用于载人高温超导磁悬浮列车技术演示的实验性环型管道试验线，中航科工集团在2017年宣布研究“高速飞行列车”，是世界上除HTT、Hyperloop One外第三家公开表示研究时速超过1 000 km真空交通的公司[3]。

约束轮轨高速发展的主要有轮轨阻力、空气阻力以及噪声三大因素，机械摩擦和黏着力对高速列车的安全行驶有极其重要的影响，此外，稠密大气中气动阻力与速度的二次方成正比，实际测量数据表明，当列车运行时速超过400 km时，列车牵引动力中气动阻力占用比例将超过80%，同时随着列车速度的持续加快，列车运行引起的噪声将随速度的7次乃至8次方急速上升，无论是对运行线路周边环境还是车厢内部乘客，这都是难以接受的。受限于上述因素，现行轮轨交通的临界速度为600 km/h，因此运行于真空管道内的高速飞行列车是高速铁路未来的重要发展方向。高速飞行列车，是一种在地上或地下建立密闭管道，通过抽取空气令管道内部达到或接近万米高空(民航飞机飞行高度)的低压环境，令磁悬浮列车在真空管道内以低机械摩擦、低气动阻力、低噪声模式超高速度(超过1 000 km/h)行驶的未来运输技术。届时，旅客乘坐高铁的时间将大幅缩短[4-5]。

相比轮轨高速铁路，真空管中运行的高速飞行列车车地间传输的控制与通信数据更具特点。一方面，高速飞行列车运行控制、牵引控制、在途监测、在途语音通信数据需要更为快速准确地传输至路旁网络，实现地面控制中心对高速飞行列车运行实时动态跟踪和控制，需要满足“低延时高可靠”的传输要求；另一方面，随着未来5G的商用化，以旅客为主体的宽带移动数据业务信息需要在车地之间传输，这类数据具有“大容量高移动”的特点，但由于传统的轮轨/磁悬浮高速铁路无线通信系统设计并不支持时速超过1 000 km，因此无法支撑高速飞行列车车地通信的需求。

1 高速飞行列车车地无线通信特点

由于真空管系统本身的特殊性，以下一些特殊问题在开展高速飞行列车车地无线通信研究时值得重点考虑：

(1) 高速飞行列车运行环境特殊并且单一。轮轨高速铁路运行场景包括高架桥、郊区、山区、隧道等较为开阔环境，高速飞行列车则基本完全运行在金属狭长空间内(金属管道可能利用现有高速铁路高架桥架空，埋入地下或者潜入水底)，电磁信号在此受限密闭空间中，耦合传播特性与传统轮轨/高速铁路运行环境下的无线自由波截然不同[6]。高速飞行列车如果采用传统的无线自由波接入(无论是直接覆盖或车载中继站Mobile Relay的接入方式，见图2)，则真空管外侧基站和车厢内部乘客之间的无线链路需要经历两次重大穿透衰落——金属管道腔体和车厢体，这会导致接收端信号信噪比急剧下降。因此，传统的无线接入方式并不能适用高速飞行列车特殊的运行方式。

(2) 无线自由波/非接触耦合的传播环境特殊。无论采用无线自由波还是漏波系统，全封闭金属管道内部的传播耦合特征都将非常特殊。如果采用无线自由波，真空管道狭长受限环境内的电波传播可以近似为金属波导的传播模型。从波导理论的角度，可采用“模式”来分析隧道内的传播信号，信号经过长距离传播后，高阶模式逐渐衰减消失，只剩下低阶模式。模式数量的减少造成MIMO信道矩阵传输子空间的减少，从而造成MIMO信道容量的降低，产生锁孔效应。从多径传播的角度看，在锁孔效应发生时，接收信号仍然有大量来自隧道壁的1次或2次反射多径，只是这些多径分量经历的衰落相似，并不能提供较多独立信道子空间，造成MIMO信道容量降低[7]。

如果采用漏波系统进行车地通信，漏波系统产生的电波覆盖特性不同于传统的高速铁路隧道运行环境(水泥、岩土等)下的电波覆盖特性，原因主要有3个方面：一是漏波结构本身的近场辐射特性受金属管道的影响较大，辐射功率密度的空间分布有较大改变；二是漏波结构的辐射波遇到金属管道壁时，会以近似全反射的形式在金属管道内传递，其边界条件完全不同于传统隧道环境；三是金属管道的横截面形状和尺寸也与传统隧道不同，使得金属管道内的模式分布具有不同的特点。

(3) 真空管道内部无线环境的独立与无线频段使用的自由。由于真空管道金属材质的隔离，管道内部频谱空间和外界(除车内用户、WiFi等)相对隔离。因此，如果采用特别的Backhaul作为车地通信回传链路，为该链路选择频段/带宽时，或者为安全类数据传输(如现行的CBTC的频段和WiFi共用频段，容易受到干扰)选择频段时，可以采用更适合传输的频段和带宽以保证通信的安全可靠性。同时，高速飞行列车车地通信系统在真空管内部可以更为自由地选用频分复用技术提高传输容量。此外，如果选用漏波系统进行接入覆盖，由于金属车体穿透损耗的隔离，频段和带宽的选择约束将更低，可以避免用户信号对安全类数据传输的干扰。

(4) 绝对的频繁切换与群切换。和轮轨/磁悬浮高速铁路相同，由于列车上乘客地理位置的集中性，聚集的乘客仅能通过车载中继站和地面通信。并且，当列车穿越覆盖小区边缘时，将发生用户的群切换而出现“信令风暴”，这种情况增加了网络切换的负荷。

(5) 高速飞行列车运行的规律性和状态信息的准确可预知性。运行在真空管道内的高速飞行列车与小区内的公众移动通信用户不同，后者的运动是随机的，而高速飞行列车利用车载列车速度位置监测系统，可以实时获取其运行状态信息，从而为高速飞行列车宽带接入通信系统提供先验信息。并且，高速飞行列车宽带接入系统容量是可预知的，根据载客容量等信息可以预先获得无线接入的容量，为通信设计提供先验知识。

2 高速飞行列车车地通信需求分析

真空管道高速飞行列车采用磁悬浮技术，列车与地面之间必然选择采用无线通信方式。高速飞行列车与现有磁悬浮列车的最大区别就在于低压密闭的运行环境。本文根据上海磁悬浮列车38 G车地无线通信系统[8]，结合高速飞行列车特殊的运行场景，对高速飞行列车车地无线通信需求进行了具体分析。

对于高速飞行列车，在列车运行控制方面，要求控制中心、地面设备和列车之间进行实时的双向数据传输，涉及列车运行调度、自动控制、安全监测、诊断维护等信息，这类信息具有较高的实时性和安全性需求，因此需要满足“低延时高可靠”的传输要求；另一方面，需要提供面向乘客的移动电话、移动电视、互联网业务等非安全数据宽带业务，这类信息的传输需要满足“大容量高移动”的传输要求。

2.1 面向列车控制的安全类数据业务需求

高速飞行列车交通系统是一个高度自动化、智能化、信息化的平台，该系统具有超高的运行速度。为了保证在真空管道中以极高速度穿梭的列车安全性以及高效地管理和控制不同运行状态的列车，需要高速飞行列车在运行过程中与地面进行实时数据交互。因此，高速飞行列车无线通信系统设计为高冗余、高可靠的结构。

车地无线电通信系统必须满足运行控制系统、牵引控制系统、运行语音通信、诊断系统等传输要求。高速飞行列车面向列车控制的安全类数据业务量及可靠性需求[9-10]，见图1。

图1 高速飞行列车无线通信需求

2.1.1 列车运行控制系统通信

与磁悬浮列车系统相同，列车运行控制系统是高速飞行列车安全防护和自动控制的核心部分，同时也是整个高速飞行列车系统安全运行的有力保障，参考传统轮轨高速铁路和磁悬浮列车运行控制系统，高速飞行列车运行控制系统架构可以分为三级：地面中央控制中心、地面分区运行控制系统和车载运行控制系统，三者紧密相连，利用通信网共同构成车地全域的移动分布式系统。中央运行控制系统通过运行控制核心网实现与分区运行控制系统的通信，分区运行控制系统通过车地无线通信系统实现与列车的信息交换。

2.1.2 牵引控制系统通信

地面的牵引控制系统直接通过车地无线电系统获取磁极相角信息，为牵引控制系统提供磁浮列车当前的速度和位置信息；同时，牵引控制系统与分区控制系统通过以太网交换信息，获取中央运行控制中心的运行指挥命令(如加速、制动、停车等)。牵引控制系统基于既定的控制算法，结合列车当前运行状态，根据地面运行中央控制中心的要求，以直线同步电机为控制对象，自动控制高速飞行列车牵引力的大小，完成列车从启动加速到恒定速度的控制过程，实现列车减速、停车等多种运行操作，令高速飞行列车按照既定的速度曲线高速、安全、舒适地运行。上海磁悬浮运营速度为430 km/h，高速飞行列车运行速度超过1 000 km/h，为确保对牵引力的实时控制，上海磁浮列车牵引控制系统要求无线通信系统的传输延迟应不大于5 ms[10]，根据传输延迟与速度的反比关系，高速飞行列车牵引控制系统无线通信系统的传输延迟应不大于1 ms。

2.1.3 运行语音通信

运行语音用于各部门间进行通话及业务联系，列车工作人员与内部及外部进行公务电话联络，为列车工作人员提供语音、数据、传真等通信业务，并作为专用电话系统的应急通信手段。

2.1.4 安全监控及检测

为便于及时了解车地无线通信系统的运行状态，方便对其进行维护维修，要求车地无线通信系统具有在线诊断功能，可以对地面无线电控制设备、车载无线电控制设备、地面基站、车载移动基站、光纤网设备等进行最小可替换单元的状态诊断、信息收集和显示。主要包括设备故障诊断与监控、列车状态监控、安防业务、真空管道环境监测等。

2.2 面向乘客的非安全类数据业务需求

真空管道载客数相对传统轮轨高速铁路数量较少，每个车厢乘客一般在10人左右(参考Hyperloop One与迪拜RTA合作项目的中长远距离胶囊高速铁路乘客容量)。由于高速飞行列车运行速度极快，所以每趟列车的单次运行时间不会超过1 h，在列车运行期间，旅客能够通过无线终端实现与外界的信息互联，而不至于成为“信息孤岛”。面向乘客的非安全数据业务需求主要包括互联网、旅客在途语音数据、高清视频、在线办公、云数据业务等。

以未来5G用户传输速率为参考，5G用户体验速率(真实网络环境下公众用户可得到的最低传输速率)可达0.1～1 Gbit/s，传输全缓冲业务时，带宽与5%用户频谱效率相乘的结果即为用户体验速率。以Hyperloop One迪拜项目列车为例，假设整列车定员数为15人，5G终端渗透率为80%，则单列车5G终端用户数为12个，用户附着比为70%，用户并发率为10%，因此，单用户平均吞吐量要求为7～70 Mbit/s，整列车乘客吞吐量为84～840 Mbit/s，在列车会车时，需求吞吐量将翻倍。

3 高速飞行列车车地通信架构

3.1 现行轮轨高速铁路车地无线通信架构

现行轮轨高速铁路无线通信接入可采用卫星接入、地面蜂窝、同轴泄漏电缆接入等几种形式[11]，其中，蜂窝接入主要是三种方式，见图2(a)～图2(c)[12]。

(1) 移动终端直接与蜂窝基站连接(Direct Link)：这种方式对基站和用户终端软硬件配置较少，因此也是最简单的一种方式，不用重新分配频带，见图2(a)。但是，由于列车的高速移动带来了快衰落，为保证数据的传输质量，对终端复杂度提出了较高地要求，此外，由于无线信号受到列车车体的屏蔽影响，产生较大的信号传输损耗，从而导致移动终端功耗较大。

(2) 车载直放站方式：车厢对无线信号的屏蔽作用导致接收端较低的信号电平，利用车载直放站可以提高收发信号的强度，见图2(b)。车载直放站成本低，有利于快速扩展基站覆盖，这是其优势所在，但是直放站也存在如下缺点：直放站对信号仅做放大转发处理，不能增加系统容量；直放站不能根据运行场景的快速变化而实时调整信号放大倍数；当车窗或车门打开时，接收端会收到两个信号，引入了非反射多径。

(3) 车载中继站(Mobile Relay)：为了克服上述车体穿透损耗和车载直放站的问题，提出车载中继站两跳结构，见图2(c)，所谓两跳结构，是指将多个接入点安装在各个车厢内，车载中继设备首先对这些接入点的通信数据进行聚合，然后与地面之间采用特定的无线传输通道进行通信，两跳是指回程链路和接入链路，其中回程链路(Backhaul Link)是指基站和车载中继之间的链路，接入链路(Access Link)是指车载中继和用户终端之间的链路[13]。两跳结构成功地避免了信号穿透车体损耗较大的问题。在车载中继站结构中，越区切换操作是由车载中继完成的，由于车载中继汇聚了车内所有的通信数据，因此可以将车载中继当成单个用户，这样就完美避免了群切换的出现，信令风暴问题也可以得到有效解决，同时中继站可以采用更为复杂的信号处理算法来保证传输的可靠性。

(a)高速铁路直接覆盖Direct Link

(b)高速铁路车载直放站Repeater

(c)高速铁路车载中继站

(d)真空管车载中继站

(e)真空管车载直放站

(f)真空管漏波透镜图2 轮轨高速铁路和高速飞行列车的几种无线接入方式

3.2 无线耦合及新型漏波系统

参考高速铁路无线覆盖的几种方式，同时考虑高速飞行列车无线接入的特殊性，由于真空管道的隔离，真空管外侧基站无法使用基于直接链路(Direct Link)和车载直放站的无线自由波方式对高速飞行列车实施无线覆盖，因此，采用漏波系统对真空管列车进行覆盖可能是目前较为合适可行的一种方式。采用漏波系统进行耦合传输，如果将漏波结构安装在真空管道顶部(图2)，通过特殊的波导开口设计，漏波覆盖场在金属腔体内部以柱面波的方式扩散辐射，见图3。图中，在列车运动时，其运动方向和漏波场辐射方向的切向夹角为0°，径向夹角为90°，此时电波传播不存在Doppler效应。简单说明这一现象，若移动台的移动速度为v，则所接收载波发生的多普勒频移为[14]

( 1 )

式中：fd，n为第n条路径上平面波的多普勒频移；fm为最大多普勒频移；λ为波长；c为光速，c=3×108m/s；fc为载波频率。列车在高速运行时，安装在车顶处的天线与漏泄电磁波的入射角总是90°，根据式( 1 )可得fd，n=0，因此理论上可以完全消除多普勒频移。

图3 漏波系统覆盖结构

为验证多普勒消除的可能性，本文对漏泄波导上方的接收信号相位分布进行仿真，见图3。接收天线位于波导上方40 cm处，从右向左移动，在各个位置采集接收信号相位数据。波导全长7 m，因为靠近波导两端处的场不太稳定，所以采集数据的范围取波导中间段，从1～4 m，共3 m的范围，每隔10 cm采一次数据，共31个数据点。天线接收信号的相位分布见图4，由图4可见，相位分布均匀，波动较小，有效抑制了多普勒效应。后期可以通过减小漏泄率，获得更加平坦的相位分布，进一步抑制多普勒效应。

图4 漏泄波导上方相位分布

并且，漏波覆盖场在金属腔体内部以平面波的方式分布均匀且覆盖范围有限(由于车载天线和漏波系统距离较近，漏波系统辐射信号较强，因此电波反射或散射对系统的多径效应可能相对较弱)，此时传统轮轨高速铁路车地通信的时变频率选择性衰落信道可能转化为良态的静止信道(无频率选择性衰落和时间选择性衰落，即无多径和Doppler效应)。因此，无线传输中甚至可以不使用OFDM、LDPC等复杂的调制编码技术，而通过简化通信方式节约传输开销，真空管车地传输可以采用更为高效地空口无线接入方式。

漏波系统已在轨道交通专用无线通信中发挥重要的作用，近年来也被广泛用于轨道交通公众无线通信系统。漏波系统沿车体运行方向铺设，具有与电波覆盖高度融合的特点，其结构与辐射特性对电波覆盖起着决定性作用，使传统天线方式存在的“电波独自传播很长距离”的情况不再出现。因此，相比自由空间“电波传播”的概念，“电波覆盖”概念更适用于真空管道内的漏波系统。在高速飞行列车运行环境下采用漏波系统提供电波覆盖，具有如下优点：一是可以有效解决传统分布式天线系统带来的大衰落问题和多普勒效应问题，使管道内的电波覆盖具有良好的平坦度，这对保障通信的可靠性、安全性具有重要意义。二是漏波结构可以与真空管道的金属管壁实现一体化设计与加工，不仅能够提高漏波系统的工作稳定性，而且能降低其生产与铺设的成本。三是可以很好地解决真空管道在地面、地下和海底架设时无线覆盖方式的统一性问题。四是可以在车载中继站与漏波系统间构建无线通信链路，而如果车厢的部分结构采用透波材料，也可以不采用中继站，直接在漏波系统与车厢内用户终端之间实现链路构建，从而为高速飞行列车面向用户的无线通信接入提供了多种选择方案。

高速飞行列车拟采用的高频段、宽带通信对漏波系统提出了较高的要求。传统漏波系统(包括漏泄同轴电缆、漏泄矩形波导等)主要应用于低频段，极化单一、传输损耗随频率增大而增大等是目前存在的主要问题。为了满足高速飞行列车运行环境下的高速率数据传输要求，以及面向用户终端的极化多样性要求，需要设计具有高频、宽带特性的新型漏波系统，并使其具有传输损耗低、多极化、场强分布平稳等特性。

此外，传统的漏波系统结构设计很少考虑环境适应性问题。而在真空管道内部，全封闭金属管道对漏波系统的辐射特性有较大影响，其边界条件完全不同于传统隧道环境，这使得对真空管道内电波覆盖的分析具有一定的独特性和复杂性。因此，设计应用于真空管道的漏波系统时，需要综合考虑漏波结构与管道环境融合后的辐射特性变化，使其能够在管道内具有良好的电波覆盖均匀度。

3.3 高速飞行列车车地无线通信架构

(1) 漏波系统+车载中继站：和高铁车载中继站相同(图2(d))，真空管车载中继通过车厢外部天线与接入网相耦合建立无线链路，安全业务和非安全业务数据通过车载中继站和地面建立无线连接。高速飞行列车车载中继站最为主要的问题是解决不同QoS(对应安全业务和非安全业务数据)的无线资源分配问题。

车载中继站为了保障传输的可靠性，因此结构相对复杂，且随着真空管内电波传播信道条件的改善，车载中继站架构的优势就不突出了。此外，构建车载中继站也存在一些问题：车地无线链路需要特别建立(物理层、链路层等)，包括地面的安全类和非安全类数据业务和需求业务的汇聚、车载中继站数据业务的分发等，这样增加车地通信系统的复杂性，影响车地数据传输的鲁棒性；并且，车载汇聚中继转发必然增加车地通信的传输时延，影响安全类数据的时间敏感性。此外，无论对于轮轨高速铁路、普速铁路还是地铁等轨道交通通信系统，已有比较成熟的车地传输解决方案，如LTE-R、GSM-R、基于802.11的CBTC系统等，如能继承和融合已有的解决方案，则可简化系统设计，加速高速飞行列车车地通信产业化。

(2) 漏波系统直接覆盖：采用漏波系统直接覆盖车厢，针对安全类和非安全类数据的车地传输可以认为是“一外一里”，即安全类的数据传输，仅需覆盖到车厢外部即可(“一外”)，无线耦合后的信号经过有线电缆方式连接到车厢内部相应的控制部分；对于非安全类数据业务(乘客用户数据)，需要覆盖到车厢内部(“一里”)，建立由漏波系统到用户的无线链路。“一外”的覆盖，采用传统漏波覆盖方式就可以解决，针对“一里”问题，真空管漏波系统直接覆盖分为两种架构：

① 漏波系统+直放站(简称“漏波直放系统”) 与轮轨高铁的车载直放站相同，高速飞行列车漏波直放系统可以较为方便地提高收发信号的强度。在信号转发放大方面更具优势，真空管漏波直放系统由于所构建的车地耦合信道为良态的静止信道，在稳定覆盖距离上信号强度相对稳定，因此，直放站对信号放大倍数的跟踪调整较为容易。此外，由于车地漏波系统覆盖范围有限，车窗或车门开启也不会引入非反射多径。

② 漏波+电磁波折射透镜(简称“漏波透镜系统”) 车载直放站的作用是消除由于车地穿透损耗对“一里”用户信号的影响，事实上，如果在车厢顶部开天窗，并且安装具有特殊折射功能的电磁透镜，则在适当增加漏波发射功率时可以实现漏波系统对车内“一里”用户的直接覆盖。由于漏波系统的辐射波在车顶位置为垂直方向入射，在电磁透镜设计时，可以考虑选用具有特定等效折射率分布的透镜，对入射波进行波束调控，在车内实现更加均匀的场覆盖。

传统漏波结构形成的发散波束近似为柱面波(真空管道横截平面内)，因此列车车体外部区域也有场分布，在管道内壁和列车壳体的反射作用下产生的回波对漏波系统造成干扰，同时由于进入车体的功率不多，也造成了较大的功率浪费。针对这一问题提出一种漏波近场汇聚技术，通过多漏波系统波束赋形结构可实现漏波近场汇聚，即将多个漏波结构组成一定阵列，通过波束赋形，使这些漏波结构形成的近场分布汇聚于一个“焦点”，这个“焦点”沿列车运行方向无线延伸构成“焦点线”，且沿线场强均匀不变，此时列车车体外场强可以认为很弱或为无场，为解决回波干扰问题，同时为有效提升功率利用率提供了一种可能方案。此外，漏波近场汇聚可与“漏波透镜系统”相结合，令“焦点线”在列车顶部开口透镜上，电磁波穿过具有一定波束调控特性的电磁透镜后发散覆盖到车内，可使车厢内电场覆盖更均匀。

4 C-RAN和免切换移动蜂窝技术

4.1 C-RAN实现移动蜂窝技术

高速飞行列车免切换移动蜂窝技术可以通过基于云(Cloud)的集中式(Centralized)无线接入网实现[15]。与其他蜂窝架构不同，C-RAN最大的特征在于大规模集中部署，即将基站间共有的、可以通用的基带处理资源集中到一个基带处理池(通常利用大型的计算机群实现)中，允许成千上万的RRU连接到集中式基带池，基带池对这些资源实行集中控制。这种方式的好处在于避免了用户的基带处理和资源只能由用户端某些固定的资源单独完成，而基带处理池根据当前的资源使用情况灵活地为用户分配处理资源，可大幅提高利用资源的灵活性及效率[16]。

高速飞行列车的C-RAN系统架构见图5。C-RAN的分布式基站由BBU与RRU组成，RRU只负责数字-模拟变换后的射频收发功能，BBU实际上是一个巨大的计算资源群，RRU不属于任何固定的BBU，所有数字基带处理功能都是集中式的，BBU形成的虚拟基带池模糊了小区的概念[17]，在每个RRU上发送或接收信号的处理可以在BBU基带池中的虚拟基带处理单元中完成，而这个虚拟基带的处理能力是由实时虚拟技术分配基带池中的部分处理能力构成的，由于引入了实时云计算，使物理资源能够在全局范围内得到最佳利用，整体分配和调度无线资源，而且可以有效解决“潮汐效应”带来的资源浪费问题，降低网络成本，并可以通过协作式处理技术提升部分网络边缘用户性能。在这种架构中，基带处理单元进行集中式部署，形成基带处理单元资源池，并通过光纤与远端漏波系统单元相连接，中心节点可以根据高速飞行列车的准确位置控制漏波系统的开启和关闭，并且准确控制小区物理数据流的切换。与传统分布式网络相比，采用实时虚拟技术的云架构，特别是真空管道条带分布的拓扑结构，可以完全实现真实物理资源使用的全局优化。

图5 高速飞行列车C-RAN系统架构

4.2 移动小区

高速飞行列车极快的速度也导致频繁的越区切换，针对这一问题，传统轮轨高速铁路无线通信可以通过扩大小区覆盖范围来减少切换次数，然而，在小区边界仍然发生切换导致的性能退化。传统轮轨无线通信接入方案都是基于固定小区或固定段，也就是说，在固定小区(或固定段)中，每次列车穿越相邻小区交界处时，首先需要断开与“旧基站”的无线链路，然后建立与“新基站”的无线链路。随着列车速度的大幅增加，这种越区切换过程将趋于极其频繁，不可避免地导致通信性能下降。此外，由于真空管道狭小的密闭空间存在波导现象，可能导致固定小区恒定覆盖无法实现。

为了保证用户的无缝移动性和服务质量，最基本的要求是用户通过切换区域的时间比切换处理时长，否则无法完成切换过程，这导致用户的QoS下降甚至掉线。在高速移动的情况下，由于用户终端驻留时间比小区选择过程时长要短，所以也容易出现网络问题，比如断网和小区选择失败。考虑到高速铁路沿线狭长类型的网络覆盖特点以及可能存在的复杂地理环境，工业界使用光纤射频拉远的方式(BBU+RRU)将六边形小区转化为带状小区[18]，大幅降低了越区切换的次数，但是高速飞行列车的超高时速可能将小区带状化的增益吞没，光纤射频拉远的技术仍然没有从根本上解决切换带来的系统性能下降。

因此，基于固定小区(固定段)的无线接入方案不适合速度超过1 000 km/h的高速飞行列车。现假设基站(BS)跟随用户设备(UE)的运动方向、速度而运动，则BS与UE之间建立的通信链路就相当于固定通信链路，无论UE的速度多快，都能实现高速率传输。基于上述思想可以总结出物理移动基站方案[19-20]，然而事实上，在列车速度极高的情况下，物理移动基站是不可实现的。因此移动基站可以用移动小区(移动频率)[21]来代替，移动小区(移动频率)概念可以实现类似移动基站的效果。

C-RAN技术可以支持移动小区概念的实现。高速飞行列车运行轨迹是固定的，利用相应传感器可以精确测得管道内列车的时速、位置，云处理端实时获取列车的当前位置、移动方向和速度信息，根据这些信息，云处理端部署列车通过光传输网络接入的下一个RAU，使系统中无需发生切换。云处理端与RAU之间通过光纤环路连接，云处理端内部通过一种基本的光交换结构来实现光开关的切换，见图6(a)。光纤采用密集波分复用技术DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)实现单条管线内多路信号的同时传输，每个RAU与一个固定光波波长匹配，每个RAU安装光分插复用器OADM(Optical Add-Drop Multiplexer)实现与固定波长的匹配。利用RoF技术，打破原本RF频率与光载波波长之间的对应关系，并将RF信号调制到不同的光载波，可以实现切换时不需要改变射频信号的调制载波频率，小区移动基本原理见图6(b)。

T1时刻：列车处于RAUi-1覆盖范围内，频率为fi的RF信号被调制到光载波λi-1上，被RAUi-1接收处理还原后辐射给列车车顶天线。

T2时刻：列车运行到下一个RAU服务区，当列车处于RAUi-1与RAUi服务重叠区适当位置时(云处理端基于快速越区切换算法[22]，根据列车的实时位置、速度等信息计算得到)，仍将无线传输数据调至为射频信号fi，而运载射频信号的光载波则发生了变化，即fi将被调制到光载波λi上，被RAUi接收，解调为无线信号fi，辐射至RAUi覆盖区，同时关闭RAUi-1的辐射开关，保证只有覆盖列车的RAU处于辐射激活状态。

(a)云处理端和RAU内部

(b)小区移动基本原理图6 移动小区切换原理

上述方法中，相当于云处理端光信号切换过程代替传统的越区切换过程，由于光信号切换时延为5×10-6～10 ms之间，远小于传统切换时延(0.1～1 s)，完全能满足高速飞行列车的频繁切换要求。列车在移动过程中与不同的RAU进行通信，但列车天线始终以相同的频率与RAU通信而不需要进行变频操作，若忽略上述光信号切换延迟，可以等效于小区(频率)跟随列车同步移动，移动小区概念由此得来。

5 结束语

中国的高速铁路技术正引领世界，但随着“一带一路”倡议和高速铁路“走出去”战略实施的不断深入，面对日本505 km/h超导磁悬浮交通工程和美国“超级高铁”等高速轨道运输技术的挑战，真空(或低压)管道式磁悬浮地面交通是达到超高速的唯一途径。为保持我国高速铁路技术的继续引领，应积极在基本科学问题上开展前瞻性研究，充分发挥中国原创技术的优势，加快1 000 km/h及以上真空管道超高速铁路运输关键技术的研究和工程论证，抢占制高点，引领发展超高速真空管道的未来轨道交通技术，有助于我国在轨道交通技术领域的继续领先。