真空管道高速飞行列车综合承载业务需求分析

韩柏涛，刘 留，裘陈成，李 铮，陶 成

(北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044)

截止至2018年底，中国已建成是世界上最大的高速铁路(以下简称高铁)网络，中国高铁总建设里程已超过2.9万km(占全球高速铁路营业里程的60%以上)，并覆盖全国29个省级行政区[1]。当传统高铁在中国快速发展的同时，有“第五种交通工具”之称的真空管道高速飞行列车也渐渐进入人们的视野[2]。轮轨机械摩擦、气动阻力和气动噪声是影响当前高速铁路发展的三个主要瓶颈因素。实测数据显示，当列车速度高于400 km/h，牵引力中气动阻力占用比例将达到80%以上时，将造成极大的能量浪费；同时，列车高速运行引起的气动噪声也随着速度的增大急剧上升(速度的7～8次方)，沿线环境和车内乘客必然无法接受。

上述三个因素极大阻碍了当前高铁的进一步提速，当前高铁的速度上限为600 km/h[3]，表1统计了几个国家高速列车的运行速度、最高速度。此外，日本铁路东海公司在2015年进行的超导磁悬浮高速列车载人试验创造了速度603 km/h的世界高铁最高速度，可见现行轮轨高速铁路速度日益触及临界值，急需发展下一代高速铁路技术。不同于现行轮轨高速铁路，真空管道高速飞行列车运行在无空气阻力的真空环境中，即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接近真空(千分之一标准大气压)，并利用磁浮技术，实现速度超过1 000 km/h的超高速运输(低机械摩擦、低气动阻力、低噪声模式)。届时，旅客乘坐高铁的时间将极大缩短。

表1 各国高速列车运营速度、最大速度 km/h

2013年，特斯拉汽车首席执行官艾伦·马斯克发布“Hyperloop Alpha”白皮书，提出一种“Hyperloop”超级高铁方案，真空管道超高速交通开始引起人们的广泛关注。目前中国、美国、日本等国正加大力度推进真空管道交通的实用化进程。2017年，美国Hyperloop One在拉斯维加斯北部建成第一条Hyperloop测试真空管道[4]。美国超级高铁公司HTT已在美国、法国、阿联酋等国家签署了超级高铁建设协议[5]，并在2018年与贵州铜仁签约，双方将共同建设一条不超过10 km的商业真空管道超级高铁线路[6]。中国航天科工集团公司在第三届中国(国际)商业航天高峰论坛上表示将开展“高速飞行列车”的研究论证。高速飞行列车项目的落地将按照最大运行速度1 000、2 000、4 000 km/h三步走战略逐步实现。2018年，航天科工三院与吉利集团签署项目合作框架协议，双方将共同致力于高速飞行列车的研发[7]。

高速飞行列车车地无线通信技术在保障运输安全、业务调度等方面起到至关重要的作用。与传统轨道交通相比，高速飞行列车运行速度更快(超过1 000 km/h)并且运行在封闭的厚重管道中[8]，为车地无线通信带来了新的挑战，因此对车地之间的通信稳定性、可靠性要求更高。例如，路边基站的无线信号很难穿透管道壁，需要考虑在管道内布设无线通信网络；在狭窄真空管道内，网络侧通信设备与车体间距离常常在数十厘米，属于电磁波近场辐射范围，其无线信道传输特性还需要进一步测试、分析及建模；超高速移动引起极其频繁的越区切换和严重的多普勒效应问题。已有无线通信系统移动性支持不超过500 km/h。综上所述，需要提前对高速飞行列车车地无线接入通信系统开展前瞻性的研究，做好下一次交通革命的技术储备。

1 轮轨交通车地无线通信应用情况

1.1 车地无线通信技术

随着轮轨交通的不断发展，为了确保列车运行安全、改善旅行舒适度以及提供旅行多媒体网络服务，列车需要利用无线技术与地面建立宽带通信链路。目前，应用于轨道交通行业的无线通信网络制式主要有：陆地集群无线电TETRA、全球移动通信系统GSM、无线局域网WLAN、长期演进LTE、38 GHz无线电系统(应用于上海高速磁浮列车[9])等，此外一种具有自主知识产权的无线高速通信技术增强型超高吞吐EUHT(Enhanced Ultra-High Throughput)也将应用于轨道交通。下面阐述了上述无线通信技术在轨道交通领域的应用现状。表2对各无线通信技术的系统关键参数及可承载业务进行了总结对比。

表2 各无线通信技术对比

表2(续)

1.1.1 TETRA技术

数字集群系统TETRA起初主要应用于列车运行语音和列调业务，同时也广泛应用于应急业务，经过发展后可专用于车辆远程控制和维护。在城市轨道交通中，TETRA主要应用于列车运行语音系统和有轨电车车辆自动定位系统。例如，重庆地区的轨道交通系统应用Dimetra数字集群通信系统，为轻轨提供语音通信业务和数据业务[10]。由于TETRA基于第二代移动通信系统，带宽非常有限，因此无法支持大带宽业务(如高清图像和视频信息)。此外，UHF(超高频)频谱现在已过载，进一步限制了TETRA发展。

1.1.2 GSM-R技术

TETRA系统主要应用于城市轨道交通，GSM-R(GSM-Railway)则是专门为干线铁路运输通信设计。GSM-R是基于GSM面向铁路领域的专用无线通信系统，可在车地间传递信号和运行语音信息。GSM-R在铁路通信领域已相当普及(并在不断增长中)，全球已有38个国家将GSM-R应用于铁路运输系统中。但是GSM-R存在以下几点缺陷[11]：一是公共网络对GSM-R产生的干扰日益增强；二是较窄的带宽限制了其系统容量，导致GSM-R无法承载大带宽的数据业务；三是开发周期长，成本高，预计该技术将在2030年过时。相比GSM-R，LTE-R在容量和性能方面更具优势，因此，基于LTE标准的LTE-R将在未来取代GSM-R。全球第一个铁路LTE系统在朔黄重载铁路中得到应用，使用1.8 GHz频段，并已开通运营[12]。中国铁路总公司在北京—沈阳高铁辽宁段全面启动“高速铁路智能关键技术综合试验”，此次综合试验包括了铁路LTE-R宽带移动通信系统试验[13]。

1.1.3 WLAN技术

目前，城市轨道交通车地通信普遍使用WLAN标准制式，例如IEEE 802.11a/b/g/n Wi-Fi。但由于WLAN固有的一些特点，使得这种技术应用于城市轨道交通车地通信存在一些局限性[14]。首先，WLAN使用的是免费开放频段，工作频率为2.4～2.483 5 GHz，很多设备都工作在这一频率段，不可避免会对车地通信造成干扰。第二，WLAN不是为高移动场景而设计的，因此WLAN应用于车地无线通信系统中会带来问题，例如切换和服务质量(QoS)问题。第三，WLAN无法设置优先级，不能确保给优先级较高的业务更大带宽或更低延时，因此WLAN无法满足综合承载多种不同优先级业务的通信需求。有学者认为LTE-M(LTE for Metro)可以代替WLAN应用于城市轨道交通车地通信系统[15]。LTE-M是一种基于TD-LTE(时分长期演进系统)的轨道交通车地通信网络。目前，中国城市轨道交通在遵循3GPP、B-TrunC相关规范的基础上，中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会组织并制定了T/CAMET 04005.1—2018《城市轨道交通车地综合通信系统(LTE-M)设计、工程规范》[16]。郑州地铁1号线PIS(乘客信息服务)车地通信系统采用TD-LTE技术，工作频率为1 795～1 805 MHz[17]。

1.1.4 38 GHz毫米波无线通信技术

上海磁浮列车在车地通信中采用了38 GHz毫米波无线通信技术，工作频率为37.1～38.5 GHz。毫米波波长极短，有利于射频设备获得较强的方向性，增强系统抗干扰能力。此外，毫米波固有带宽大，35 GHz附近可利用带宽可达16 GHz(大气吸收峰以外的“窗口”)。该技术为磁浮列车提供了车地双向通信链路，实时传输列车运行控制数据、牵引PRW(磁轮角)数据、诊断数据及旅客信息数据。磁浮列车车地通信系统的基本性能可以达到在传输带宽16 MHz和时延小于5 ms时列车运行控制数据传输差错率小于10-5 [18]。

1.1.5 EUHT技术

EUHT是一种高移动通信系统，可以满足未来移动通信系统高可靠、低时延、高移动性等需求。EUHT可支持6 GHz以下频段，并具备拓展到毫米波频段的能力。峰值吞吐率可达3.48 Gbit/s，支持500 km/h的移动速度，空口延迟低于1 ms，端到端延迟低于10 ms。EUHT技术已被颁布为多个行业和国家标准，2012年被颁布为工信部通信行业标准，2016年被住建部颁布为行业应用标准。目前EUHT已完成产业研发，并已在轨道交通、高铁开展测试验证和产业化应用[19]。2015年，在广州地铁6号线开展试验，基本验证EUHT技术能满足轨道交通车地通信需求。2017年，EUHT技术在京津城际300 km/h速度的高铁上进行演示，测试过程中实时视频播放流畅，表明EUHT可在300 km/h运行速度下工作。

1.1.6 5G-R

3GPP组织在其已有的4G/LTE标准的基础上，从应用场景、系统性能、网络架构、网络部署等方面给出了下一代移动通信系统5G-NR(New Radio)的标准雏形[20]。5G-NR共定义了三大应用场景，包括增强移动宽带eMBB、大规模物联网mMTC及低时延高可靠连接URLLC。其中，eMBB主要实现0.1～1 Gbit/s的用户体验速率以及数十Gbit每秒峰值速率，URLLC业务KPI主要涵盖用户面时延与可靠性两部分。5G-NR将高铁场景纳入了主要的部署场景。

在移动性方面，文献[21]中明确了5G支持的最高移动速度为500 km/h。在时延方面，5G-NR采用了全新的空口技术，相比LTE有以下优点：一是有更短的子帧结构和更短的传输时间间隔，可快速收发数据；二是调度单位更短，最小为0.125 ms，而LTE时域最小调度单位为一个子帧，固定为1 ms；三是调度更灵活；四是网络协作普遍。因此，在高速列车运行场景下，5G-NR的控制面时延目标为10 ms，用户面为1 ms，移动性中断时间为0 ms，并且支持高速移动情况下的高可靠性(99.999%)连接[22]。

此外，未来5G高铁通信系统可实现控制面/用户面(C/U)分离，即在进行不同频段融合时保留高可靠、具有更优传输特性的低频频端来保证网络的移动性能，同时向高频频段延展带宽来承载巨大的数据业务，保证用户信息的传输带宽。

1.2 车地无线接入方式

无线接入方式是车地无线通信的另一个关键问题，无线宽带接入可为车地通信提供大带宽业务(如实时视频)。目前通信架构普遍在无线接入采用“双链路”方案：第一条链路是列车内用户的接入；第二条链路是列车与主干网的接入。在列车安装TAT(列车接入终端)，TAT通过车顶天线接入通信主干网，并将主干网发送的数据转发给车内用户。地面设备可通过车顶天线(与TAT相连)与列车实现无线接入，目前列车(通过车载中继)与主干网接入的方式主要可以分为三类：卫星接入、基于公共蜂窝网络接入、铁路专用无线接入。

卫星接入和基于公共蜂窝网络的接入方式主要应用于传统铁路和高速铁路。铁路专用无线接入需要在地面部署专用设备实现列车无线接入，主要可分为漏泄电缆接入、基于Wi-Fi或WiMAX(全球互通微波访问)的接入、RoF(光纤无线电)接入等方式。其中漏泄电缆接入、基于Wi-Fi和WiMAX的接入方式主要应用于地铁、轻轨等城市或城际轨道交通。上海磁浮列车采用了RoF接入方式。

1.2.1 卫星接入

卫星接入方式具有覆盖范围大、适合于连接和聚集大量移动终端业务的宽带连接、受速度影响小等特点。2010年12月，SNCF在TGV-East线路上首次推出了车载互联网服务系统[23]，该系统基于一种双向卫星解决方案。需要注意的是，卫星与接收天线之间的任何障碍物(悬链、桥梁、高层建筑)都会对传输信号造成较大衰落。针对这一问题，可采用“gap-filler”解决方案：一是在NLOS区域切换到其他接入技术，如Wi-Fi、WiMAX或蜂窝网络(3G/4G)；二是在非视线区域安装中继天线。此外，卫星接入方式还具有通信时延大、成本高昂、带宽受限等不可忽视的缺点。

1.2.2 基于公共蜂窝网络接入

基于公共蜂窝网络的接入方式是指利用已有公共蜂窝网络为列车提供宽带接入。目前一些基于公共蜂窝网络的接入方案已应用于高速铁路、城市轨道交通。基于WCDMA制式的UMTS网络架构方案在武广高速铁路上投入使用。基于蜂窝网络的接入方案直接利用已有设施，可极大降低成本。但是蜂窝网络的基站通常与铁轨距离较远，而且天线也没有专用于列车运行线路覆盖，因此基于蜂窝网络的接入方式通常不能保证QoS。

1.2.3 铁路专用接入

上述两种接入方式都是基于已有通信设施(卫星和公共蜂窝网络)，铁路专用接入则是利用铁路专用地面设备为列车提供无线接入，这类方案包括漏泄电缆接入、基于Wi-Fi或WiMAX的无线接入和RoF接入。这类无线接入方案可以满足日益增长的宽带需求，但由于需要在长距离的铁路沿线部署专用设备，因此成本费用较高。为了降低成本，需要权衡无线覆盖范围和最小支持带宽以实现系统最优化。同时也需要考虑系统可靠性、安全性和授权频段需求等因素。

(1)漏泄电缆

漏泄电缆可以实现列车宽带接入，文献[24]针对东京到大阪区段新干线高速列车提出一种基于漏泄电缆的通信架构，并进行了相关测试，测试结果显示吞吐量可达768 kbit/s。漏泄电缆方案尤其适合于狭窄密闭空间内的无线通信(如隧道)，因此在城市轨道交通中应用较多。漏泄电缆接入方式在上海轨道交通1号线、2号线和3号线二期等450 MHz专用调度无线通信系统中得到应用。漏泄电缆接入方式需要在沿线铺设漏泄波导，降低成本是该方案实施的关键。此外，漏泄波导系统工作频率是固定的，因此系统可扩展性相对较差。

(2)WiMAX

WiMAX是一种提供“最后一英里”宽带接入的无线通信技术[25]。WiMAX不支持速度超过120 km/h的移动接入，仅能满足城市轨道交通的需求。目前WiMAX技术在铁路通信中应用较少。东京市中心与机场之间速度90 km/h的快速列车采用了一种基于WiMAX的接入方案，WiMAX技术工作频率为2.5 GHz，最大下行带宽可达40 Mbit/s。

(3)Wi-Fi

由于良好的性能和对一定移动性的支持，Wi-Fi技术可以应用于列车与核心网的无线接入。有研究对Wi-Fi提供列车连通性的适用性进行了评估和测试[26]，结果显示，Wi-Fi接入方案主要的缺点是切换机制的管理困难，从而降低了系统的总体吞吐量。针对这一问题，信令供应商在802.11标准之上已经建立了几个专有解决方案。基于Wi-Fi的车-地接入方案广泛应用于城市轨道交通CBTC和宽带业务。

(4)RoF接入

文献[27]提出一种基于RoF(光纤无线电)专用于高速列车场景的接入方案。该接入方案由CSS(控制中心)与若干远端天线单元RAU(射频拉远单元)组成。CSS和等距离设置在轨道旁的RAU通过光纤环相连，并根据切换执行时间，于两者之间预留一段合适的无线覆盖重叠区。“经典”蜂窝网络在高移动情况下会带来频繁切换问题，导致吞吐量显著降低。基于RoF的通信系统有效地解决了这个问题。上海磁浮列车在上海机场和城市中心之间运行(长度约30 km)，速度可达500 km/h。上海磁悬浮列车采用基于RoF的无线接入技术的通信系统[18，28-29]，该系统依赖于光纤链路和沿列车轨道部署的无线电基站。在3.5、5.8 GHz的全双工模式下吞吐量分别可达4、16 Mbit/s。

2 综合承载业务需求分析

尽管高速列车、城市轨道交通、轻轨、磁浮列车等轮轨交通采用了不同的无线通信技术，根据以上几类轨道交通的运行特点，可以认为车地间传输的数据类型基本相同。如图1所示，轨道交通车地通信综合承载业务可以分为以下几类：

图1 车地通信业务分类

(1)列车运行相关数据(安全类数据)，包括：OCS运行控制系统；OVC运行语音通信系统；TOSM列车运行状态监测与诊断系统；用于视频监控的图像传输IMS，包括支持自动驾驶的实时高清视频传输，列车中的CCTV(安全闭路电视监控)；PIS乘客信息服务。

(2)乘客多媒体服务(非安全类数据)：主要为车内乘客提供互联网接入服务，包括信息、娱乐、视频点播、在线游戏等业务。

实际上，高速飞行列车车地通信综合承载业务分类与现行轨道交通也基本相同。但高速飞行列车运行速度极快，不同于传统轮轨高铁的开阔环境，高速飞行列车运行场景为密闭真空管道，对车地无线通信传输实时性和可靠性提出了更高的要求。第一，需要保证对管内与车厢内环境参数(如气压、温度)实时监测以确保车内乘客的安全；第二，超高的运行速度要求安全类数据(如列车位置信息)极低的端到端延时和切换延时；第三，真空管道为密闭环境，为保障行车安全，需要对列车外部及管道沿线实时视频监控，因此对吞吐量要求更高。此外，高速飞行列车在列车长度和载客容量上与传统轨道交通区别较大。各类现行轮轨交通和真空高铁的载客容量见表3，目前已发布的真空高铁车型有三种，分别是Hyperloop One公司的“XP-1”型胶囊高铁、中航科工集团的“T-flight”高速飞行列车和HTT公司的“Quintero One”超级高铁。各类轮轨交通与不同型号真空管道高铁图进行对比见图2。由于真空管道的限制，车厢长度和载客量相比现行轮轨列车都大幅减少。本文基于已有各类型轮轨列车对车地传输性能的要求，考虑高速飞行列车极快的运行速度、特殊的运行场景以及载客容量，对高速飞行列车综合承载业务传输指标分析如下。

表3 载客容量对比

2.1 列车运行相关数据(安全类数据)

2.1.1 列车运行控制系统

列车运行控制系统是保障列车安全、高效运行的关键技术。高速飞行列车采用了磁浮技术，本质上是一种高速磁浮列车，其列车控制系统设计可以参考现行上海高速磁浮列车控制系统(基于CBTC)[30]。高速飞行列车运行在密闭真空管道内，其运行控制系统可实现全过程实时控制列车运行，除了列车发生故障或者管道出现泄漏时才需人工干预，一般情况下无需人工干预列车的运行。

列车运行控制系统是一个复杂的分布式控制系统，见图3。主要由位于控制中心的中央控制系统、与牵引区段对应的分区控制系统及位于列车上的车载控制系统三大部分组成。其中分区运行控制中心与车载运行控制中心通过车地无线通信系统双向传输数据。高速飞行列车将被设计为以自动驾驶为主，运控设备发送的移动授权为行车依据，自动控制列车运行。列车自动运行模式下，列车的正常运行根据预先准备好的时间表进行(包含列车驾驶所需的必要命令)。为了能顺利完成列车移动授权、运行状态控制以及安全防护等信息在车地之间双向稳定传输，车地无线通信系统需要提供透明、可靠且高冗余度的传输通道。地面分区运行控制系统设备需要向列车传输移动授权、临时限速信息、时钟同步状态、运营调整指令等信息；列车运行控制系统需要向地面传输列车移动相关的信息(如列车识别号、列车头/尾部位置、列车速度等信息)。

图3中，每个分区控制系统都对应一个牵引区段，分区控制系统中包含分区计算机、牵引系统等技术设备，这些设备包含用于列车控制、监视和防护所需的全部功能。当列车行驶在某一牵引区段时，牵引系统接收两类信息，分别来自分区计算机和列车。第一类是分区控制系统通过以太网发送给牵引系统的列车运行控制命令信息，主要包括列车运行和监控所需要的数据，包括牵引控制系统的运行状态、速度-位置曲线等。第二类是牵引系统直接通过车地无线通信系统接收来自车载运行控制系统的磁极相角信息，使牵引供电系统完成牵引功率闭环控制。

地面分区运行控制系统与列车间传输的信息编码长度都较短，数据量不大，所以列车控制系统通常对带宽要求不高。高速飞行列车运行控制系统的最小带宽保证1 Mbit/s(包含牵引系统所需的列车定位信息)即可，考虑到同时会有两辆列车运行在单个小区内，则单个小区上下行带宽要求为至少2 Mbit/s。列车运行控制系统与列车的运营安全息息相关，各项业务需求和优先级最高，对于数据传输的可靠性和延时要求极高。当列车以1 000 km/h速度行驶时，需要保证误码率小于10-6，端到端传输延迟不得大于40 ms。但对于分区运行控制系统中的牵引系统而言，实时且精确的列车定位信息是列车实现自动驾驶的基础，同步直线电机控制和列车间隔控制也需要这类定位信息。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不大于5 ms。由于高速飞行列车运行速度是上海磁悬浮列车速度的5倍以上，根据传输延迟要求与速度成反比关系，高速飞行列车牵引控制系统要求列车定位信息端到端传输延迟应不大于1 ms。

2.1.2 运行语音通信系统

运行语音通信支持列车司机与铁路行车调度控制中心之间通话，也支持列车司机、维修作业人员、控制中心以会议模式相互通话(群组呼叫)。系统需要支持列车广播功能，实现控制中心对车内乘客的紧急呼叫和广播；在紧急情况下，车内乘客也可以通过拨动车厢内的紧急呼救按钮，建立与中心防灾调度员的通话。运行语音通信每一路带宽要求为32 kbit/s，考虑单小区内10路通话并发(单呼、组呼和大小三角通信)，故小区内并发通话所需要的总带宽要求为320 kbit/s，考虑一定冗余量，则系统带宽要求为500 kbit/s。运行语音通信系统和列车的安全运行相关，对于传输的可靠性和安全性比一般业务具有更高的要求，因此通道层要求独立、高可靠性及冗余的信道。该业务优先级仅次于列控业务，端到端传输延迟要求不大于40 ms，数据误码率小于10-5。

2.1.3 用于视频监控的图像传输

在传统驾驶模式下，为了使列车司机可以及时获取列车内情况，通常只在列车车厢内设置摄像头。而高速飞行列车具有很高的自动控制和防护特性，由控制中心实现车辆控制及调度。因此为保证车辆的安全运行，列车车头前部、内部以及列车外部的真空管道沿线图像都需要实时传输到控制中心。特别是在飞行列车出现故障或真空管道发生泄漏时，列车需要执行蠕动模式运行、进入待规避线等特定操作，这些操作都需要在视频监控的辅助下由控制中心完成。同时也应该增加车厢内的摄像头数量，以便车门旁的乘客通过紧急电话、紧急手柄和火灾烟雾探测装置将事故现场的视频图像主动推送至CCTV中，提高应急处置效率。

与现行高速列车多节车厢结构不同，高速飞行列车单列车只有一个车厢，整体长度不超过36 m(参考中航科工的“T-flight”型列车)，因此在高速飞行列车乘客车厢可设置2个摄像头。为了对列车外部的真空管道环境实时全面的监控，需要在列车外部设置6个摄像头。视频监控系统从HDTV(高清晰度电视)IP摄像头、位于列车上的HS-SDI(高清串行数字接口)摄像头(用于列车运行)、位于运行轨道旁的HS-SDI摄像头(用于轨旁设备状态监测)实时捕获720 P或1 080 P的高清视频图像。车厢内外8台摄像头捕获视频的帧率为每秒25帧，压缩率为1∶50(使用H.264/MPEG-4压缩算法)。每台摄像头的上行传输速率为2 Mbit/s，因此6台摄像头的上行传输速率达16 Mbit/s(包括乘客应急求助报警所需带宽)。上行业务占据了视频监控服务的大部分带宽，下行业务主要是为了实现控制中心对CCTV的控制，占用带宽较少，需要500 kbit/s。可见，该业务的信息主要是视频信息，数据量较大，要求大带宽、高质量的实时数据通道，减少重传，降低时延。车地通信网络信息传输时延应小于150 ms，数据误码率应小于10-3。

2.1.4 运行状态监测与诊断系统

列车运行状态监测业务是指列车运行状态实时监测系统通过一定数量传感器采集列车关键参数并传递至地面监测中心分析处理。这些参数包括电流、电压、气压和轴温等基本参数，还有列车悬浮架、涡流制动、车载发电与供电等系统的关键参数。同时，系统记录并存储设备运行过程中的故障信息，如时间、位置、相关参数的当前值及其变化。这些数据需要由车地无线通信系统发送给地面系统进一步的分析和处理，为列车检修提供信息和数据，缩短检修时间，节约维修成本。列车运行状态监测业务主要包括五个环节：信息采集、信息传输、信息显示、信息处理分析和信息发布。系统需要将监测数据从列车实时传输至地面设备，故主要是上行业务。考虑其他应用信息的传输预留，上行业务带宽应不小于1 Mbit/s。该业务要求低速可靠传输，传输优先级仅次于列控数据，端到端传输延时要求小于50 ms，数据误码率小于10-3。

2.1.5 乘客信息服务系统

PIS系统以计算机系统为核心，依托多媒体网络技术，以车载显示终端为媒介向乘客提供语音、数据和视频信息。提供的信息包括出行须知、天气预报、政府公告、时间、出行参考等实时动态的便民信息。同时，系统也向乘客传递换乘时间、列车当前时速、列车时刻表等列车运行相关信息。系统主要是下行业务，需要从控制中心传输高清数字视频和大量文字信息到运行列车上。列车运行过程中，需要保证视频播放无卡顿，文字传输不中断。PIS系统一般采用广播的形式向小区内所有在线列车下发一路高清数字视频信息，多媒体直播视频编码格式一般为MPEG-4，带宽为2 Mbit/s，若单小区在线列车为2列并为其他信息考虑带宽预留，下行业务带宽需求为至少8 Mbit/s。乘客信息服务主要是为乘客提供多媒体信息服务，传输优先级最低，并且对信息传输延时要求不高，端到端数据延时要求不大于300 ms。但为了保证下发的直播视频流畅播放，对传输误码率有较高要求，数据误码率需要控制在10-6以内。

2.2 乘客多媒体服务(非安全类数据)

随着公共互联网的发展，无线通信已深深融入人们的生活，人们对于通信速率的要求也越来越高，列车上用户的移动性多媒体服务需求也在不断增长。因此铁路运输系统有必要通过利用新技术改善现有互联网接入服务使旅行更加舒适和愉快。关于用户需求，不同类型的用户具有不同的需求。对于商业用户，主要的互联网应用需求是浏览网页、电子邮件等吞吐量和实时性要求不高的业务。对于普通用户，主要的互联网应用需求则是实时的网络应用程序(即时游戏、视频通话、在线聊天)，这类应用需要较大的带宽和较高的实时性。同时用户需求具有下行吞吐量远大于上行吞吐量的特点，对于商业用户，下行带宽的吞吐量约为上行吞吐量的4倍，普通用户则可达9倍[31]。

假设整列车定员数为15人，在进行数据传输时，5G终端渗透率为80%，则单列车5G终端用户数为12人。5G支持0.1～1 Gbit/s的传输速率，在进行全缓冲业务时，用户激活附着比为70%(即70%用户会进行业务)，用户业务并发率为10%，则单用户平均吞吐量要求为7～70 Mbit/s，整列车乘客吞吐量达到84～840 Mbit/s，在列车会车时，需求吞吐量将翻倍。

2.3 车地无线通信需求

城市轨道交通(LTE-M)，高速铁路(LTE-R智能铁路)，高速磁浮列车(38G无线电系统)的车地通信需求[18]见表4。

表4分析预测了高速飞行列车车地无线通信的性能需求指标。车地无线通信传输性能可以根据某些特征来描述，例如各链路(上行链路/下行链路)上传输数据的数量和类型，也可以根据一些KPI(关键性能指标)来描述，例如端到端传输延迟，传输周期，丢包率或误码率。丢包率或误码率可以用来确定QoS。

根据表4可得各类轨道交通车地通信总带宽需求。城市轨道交通上、下行总带宽需求分别为6.7、8.5 Mbit/s；高速铁路上、下行总带宽需求分别为4.8、8.2 Mbit/s；高速磁浮列车上、下行总带宽需求分别为4.8、8.2 Mbit/s。预测高速飞行列车上、下行总带宽需求分别为9.8、17.6 Mbit/s，可见相比较现行轮轨交通，预测高速飞行列车对车地通信带宽的要求更高(主要是CCTV和PIS业务)。高速飞行列车运行速度极快，对运行相关数据(直接涉及安全问题)传输实时性、可靠性要求较高。因此预测运行相关数据延时需求远小于现行轨道交通，尤其是列车位置信息(列车自动运行控制地基础)，预测位置信息延时需求不大于1 ms。另一方面高速飞行列车运行在密闭真空管道中，相比传统轨道交通开放运行场景，其运行状态监测数据需要更及时地传输到控制中心，预测延时需求不大于50 ms，仅次于运行控制数据。

表4 车地无线通信需求分析

3 高速飞行列车车地无线通信所面临的问题

(1)真空管道内电波传播环境特殊

无论采用无线自由波、或者漏波等其他技术在低真空管道内部进行无线覆盖，全封闭狭长的低真空管道腔体的传播耦合特征都将非常特殊。其电波的覆盖特性不同于传统铁路隧道环境(水泥、岩石)下的电波覆盖特性，主要原因有三个方面：一是电波的进场辐射特性受金属管道的影响很大，辐射功率密度的分布有较大改变；二是辐射波遇到金属管道壁，会以近似全反射的形式在管道内传递，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[8]。

(2)频繁越区切换和群切换

与当前轮轨高铁相同，当高速飞行列车行驶到小区边缘，基站将同时收到列车上多个用户的切换请求，即发生群切换，造成“信令风暴”。此外，由于1 000 km/h以上的超高速移动，高速飞行列车在传统蜂窝小区的驻留时间秒级急剧减少，这样导致极其频繁的小区切换，为减少切换信令，避免信令风暴，降低网络切换的负荷，对切换效率和基站配置提出了较高要求，避免对用户通信质量的影响。

(3)极高多普勒频移

在高速飞行列车超高移动性环境中，信道冲击响应将呈现快衰落特性，导致多普勒频移较大。假设载频fc=2.5 GHz，高速飞行列车速度v=1 000 km/h，此时最大多普勒频移高达fd=2 316 Hz。多普勒效应导致无线通信环境的恶化，频偏过大会导致解调符号产生相位误差，造成信道错误估计，导致无线信号偏移、频谱拓宽、数据传输误码率升高，影响通信质量。目前LTE支持350 km/h的终端移动速度，面向高速列车设计的LTE-R通信系统最高支持500 km/h的移动速度[11]，而高速飞行列车速度高达1 000～4 000 km/h，可见现有通信系统无法支撑真空管道列车车地通信。

4 结束语

现今，中国已全面掌握了高铁核心关键技术，并引领着世界高铁发展的潮流。被称为“第五种交通工具”的真空管高速飞行列车，是全世界公认的发展方向。但由于高速飞行列车的运行环境、运行时速以及运行控制等方面的特殊性，现有的轨道交通车地无线通信技术系统已经无法满足其在数据传输方面实时性、可靠性的要求，因此，面向高速飞行列车的车地通信系统的研究显得尤为重要。现阶段，对于真空管飞行列车的研究尚属于前瞻性研究，对于高速飞行列车车地通信技术的研究还未给出定性指标与结论。本文总结了现行各类轮轨交通应用的车地无线通信技术与无线接入方式，并总结了车地通信需求指标。高速飞行列车实质上是运行在真空管道内的磁浮列车，本文基于已有的无线通信技术，结合高速飞行列车运行特点和现行轮轨交通的通信需求，对高速飞行列车车地通信数据类型和指标进行了详细分析。最后指出了高速飞行列车车地无线通信存在的主要挑战。