超高速磁悬浮铁路移动通信关键技术分析

田 恺

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

随着中国高铁“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。随着轮轨高速铁路快速发展，下一代超高速铁路技术——超高速磁悬浮铁路也开始进入人们的视野[1-3]。中共中央国务院《交通强国建设纲要》[4]中指出:“瞄准新一代信息技术、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿，加强对可能引发交通产业变革的前瞻性、颠覆性研究。合理统筹安排时速600 km级高速磁悬浮系统、时速400 km级高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统、低真空管(隧)道高速列车等技术储备研发”。为了保持我国铁路技术的领先地位，研究超高速铁路移动通信技术以及关键技术具有重要的意义与价值。

2 现有高铁移动通信技术发展情况

(1)GSM-R技术

目前，我国铁路移动通信系统普遍采用GSM-R技术，该技术是基于第二代(2G)GSM数字通信系统的基础上研发的。2000年底原铁道部正式确定将GSM-R作为我国铁路专用通信的发展方向。目前公网2G业务已经逐步退出历史舞台，2G产业链已经开始逐步收缩。预计2025年以后，既有GSM-R设备全面进入大修期，GSM-R产品将逐步被淘汰[5]。

(2)LTE-R技术

2014年4月，国际铁路联盟(UIC)提出铁路下一代行动通讯发展规划，并与3GPP合作展开标准化工作。根据UIC提出的LTE-R发展步骤，于2014年9月开始进行Release 12工作。我国于2010年开始研究LTE-R铁路宽带移动通信系统，2012年国内第一条LTE-R系统在朔黄铁路建成[6]，2019年京沈铁路也完成了LTE-R系统试验。目前，LTE-R在技术层面已经成熟，但由于铁路行业的特殊性以及频率分配问题，离大规模部署还需要一些时间。

(3)5G技术

在全世界范围内4G移动通信网络的部署方兴未艾之时，5G移动通信技术的研发己拉开帷幕，成为学术界和信息产业届热门的课题之一[7]。2013年2月，由国家科学技术部、工业和信息化部、国家发展和改革委员会联合组织成立了IMT-2020(5G)推进组，成员包括中国主要的电信运营商、制造商、高校以及研究机构[8]。国家“863”计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G重大项目一期和二期研发计划，主要包括体系架构、无线传输与组网、新型天线与射频、新频谱开发与利用等。2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。

(4)EUHT技术

为了适应高速轨道交通通信特点，我国自主研发了超高速移动通信技术(EUHT)。该技术具备“高速度、高带宽、高稳定性、低延时、低成本、低功耗”的优点，旨在解决“移动宽带”和“宽带移动”一体化的难题。目前，EUHT高速列车移动通信系统在莞惠城际铁路试验段、广州地铁6号线和京津城际高铁进行了现场测试，实际应用效果良好。

3 超高速铁路移动通信系统特征分析

(1)高速移动特性

高速移动是超高速磁悬浮铁路移动通信的主要特征。既有高速铁路采用GSM-R技术用于350 km/h以下的移动通信，上海磁悬浮采用38G无线电的方式用于支持430 km/h的移动通信，5G(IMT-2020)可支持移动速度为500 km/h。目前尚未有430 km/h以上的轨道交通运行场合支持超高速移动通信的实验验证，相关理论研究也相对滞后。高速移动会带来三个问题:较大的多普勒频移、无线信道的快速变化和频繁的小区切换。

(2)高可靠、低时延特性

超高速铁路移动通信系统必须首先保证列车行驶的安全性，在信道急速劣化的情况下，应优先保证面向列车控制的安全数据传输，采用低时延、小带宽、高可靠的无线通信方式，暂不考虑面向乘客的非安全类大带宽数据传输。

(3)列车运动状态可预知性

与汽车、飞机等其他交通工具不同，超高速列车在轨迹固定的真空管道内运行，利用车载运行监测系统与地面通信，可实时获取列车速度与位置信息，为超高速列车宽带接入通信系统提供先验信息，利用列车状态信息可设计优化网络架构以解决快速切换问题；并且超高速列车宽带接入系统容量是可预知的，根据列控传输信息量可预先获得无线接入的容量，为通信设计提供先验知识。

(4)无线频段使用相对自由

由于真空管道对无线信号的隔离，管道内部频谱空间和外界相对独立，除了对行车控制和乘客安全的电磁干扰以外，可以暂时不考虑频谱资源限制，可以选择最适合的频带和带宽。

(5)全封闭金属管道

低真空管道超级高铁管道与现有隧道有很大不同。现有隧道环境为水泥、岩石，低真空管道壁若采用金属管壁，电磁波的覆盖特性会有很大不同，金属管道的横截面形状和尺寸对电波模式分布影响很大。

4 超高速铁路移动通信关键技术分析

(1)多普勒频移

当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于接收者与发射者之间存在相对速度的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。高速移动会带来两个问题，即较大的多普勒频移和无线信道的快速变化。

表1为不同载波频率下最大多普勒频移随行车速度下的变化规律。按照既有铁路移动通信频段的划分以及考虑到未来LTE和5G的应用前景，所计算的载波频率分别为 450 MHz、900 MHz、1 800 MHz、3 300 MHz和 6 GHz，行车速度分别为 350 km/h、600 km/h、1 000 km/h。多普勒频移的取值与移动速度、载波频率成正比。

表1 不同载波频率下最大多普勒频移随车速变化规律

在正交频分多路复用系统(OFDM)中(LTE、5G、EUHT)，真正对移动通信性能有影响的是用子载波间隔归一化后的多普勒频移(多普勒频移/子载波间隔)。归一化多普勒频移越大，系统性能越差，一般认为归一化多普勒频移需要小于0.1。表2中列出了LTE、5G、EUHT归一化多普勒频移，其中满足小于0.1指标的归一化多普勒频移由灰色标出。

表2 归一化多普勒频移

以LTE系统为例，LTE在系统设计时并没有考虑在较高频段(比如6 GHz)使用，因此采用了较窄的15 kHz子载波间隔，假定载波频率为1 800 MHz，600 km/h的移动速度会带来1 kHz的多普勒频移，归一化多普勒频偏为0.066 7，可以有效抵抗高速移动带来的多普勒频偏，但是行车速度达到1 000 km/h以后，归一化多普勒频偏为0.111 1，系统性能会快速恶化。

按照3 GPP的建议，在低时延高可靠(URLLC)的场景下，建议5G载波频率不应超过6 GHz，子载波间隔(6 GHz以下)应为15 kHz、30 kHz、60 kHz可选。15 kHz的归一化多普勒频偏与LTE相同，所以表2中分别计算了子载波频率为30 kHz、60 kHz的归一化多普勒频移。子载波间隔越大，抵抗高速移动带来的多普勒频偏的能力越强。

EUHT系统的子载波频率为78.125 kHz，考虑最恶劣的情况:假定使用6 GHz频谱，1 000 k时速会带来5.6 kHz的多普勒频移，归一化多普勒频偏为0.07，因此EUHT可以有效抵抗高速移动带来的多普勒频移。

(2)小区切换

高速行驶会给基站小区覆盖范围带来很大的影响，行驶速度越高，列车通过小区的时间也越短。以基站覆盖半径为2 500 m为例，1 000 km/h的列车通过小区的时间只有9 s(见表3)，而GSM-R相关标准中定义小区重叠区覆盖范围要保证小区两次切换时间(通常定义为10 s)，显然基于GSM-R的小区硬切换方式不适合用于高速行驶的列车通信。

表3 小区切换时间对重叠区的影响(基站覆盖半径2 500 m)

保证两次切换的情况下，假设LTE-R小区切换时间降至2 s以下，1 000 km/h时小区重叠区已经降至555 m，为既有350 km/h GSM-R重叠区的一半，实现现有列车控制通信已经成为可能。

保证两次切换的情况下，假设5G小区切换时间降至毫秒级(50 ms)以下，1 000 km/h时重叠区会降至14 m，基本可以忽略重叠区对基站设置的影响。

5 超级高铁移动通信方案建议

按照纲要的规划安排，本文按照600 km级无管道高速铁路移动通信系统和1 000 km级以上的低真空管(隧)道超高速磁悬浮铁路移动通信系统进行分析讨论。

5.1 无线空口建议

(1)600 km级无管道高速铁路移动通信系统

可采用移动蜂窝方式进行车地通信，理论上LTE、5G、EUHT均可以支持。应选择大子载波间隔用于降低多普勒频移；对多径衰落应进行深入分析，采用合适抗快衰落技术。

(2)低真空管(隧)道超高速磁悬浮铁路移动通信系统

根据现有高铁隧道覆盖经验，采用漏缆技术可以避免多径干扰。列车在高速前进中，安装在列车顶上的天线与漏缆的电波入射角总是90°，多普勒频移为0，因此多普勒频移问题得到解决。更重要的是，漏缆辐射口至车顶天线为最短直射路径，多径波也最少，因此快速衰落现象也不明显。从通信角度看，超级高铁(600 km/h以上)宜全程采用封闭金属管道，降低通信干扰，并全程采用漏缆敷设。

另一方面，由于固有市场的使用现状和漏泄电缆传输结构限制，现有漏泄电缆技术不适用于载波频率在2.5 GHz以上的移动通信；如果采用高载波频率技术，需要针对载波频率设计漏缆结构，或者采用漏泄波导。

5.2 接入网架构建议

LTE、5G、EUHT接入网络结构可适用于1 000 km/h的高速列车通信。可合理选用5G接入网络新技术，进一步降低通信网络延时。

6 结束语

超级高铁以其快速、安全、节能环保、高效的优势，国内外已展开大量研究，理论已基本成熟，正在工程化应用的探索过程中。低真空磁悬浮列车安全、高效地运行离不开移动通信系统的支持。建议600 km级无管道高速铁路移动通信系统采用移动蜂窝方式进行车地通信，理论上LTE、5G、EUHT均可以支持，但应选择大子载波间隔用于降低多普勒频移；对多径衰落进行深入分析，采用合适抗快衰落技术。建议低真空管(隧)道高速磁悬浮铁路移动通信系统全程采用封闭金属管道，降低通信干扰，并全程采用漏缆敷设，漏泄电缆应敷设在管道内，垂直于列车天线；载波频率在2.5 GHz以上的移动通信宜重新设计漏泄电缆结构或者采用漏泄波导。进行低真空管道超高速磁悬浮铁路的研究，具有很强的战略性和前瞻性，可为国家发展低真空管道超高速磁浮铁路技术路线选择提供支撑和咨询建议，具有很强的工程科技战略意义和价值。