低真空管道超高速磁悬浮铁路车地无线通信系统的需求及现状调研

刘 畅 蒋志勇

随着科学技术的发展和社会需求的扩大，轨道交通技术在世界范围内出现了一些新的变革。低真空管道超高速磁悬浮铁路，也被称为“超级高铁”，作为一种新型的轨道交通技术出现在公众的视野中。低真空管道超高速磁悬浮铁路将磁悬浮技术和低真空管道运行环境相结合，设计时速可高达1000 km，致力成为一种超高速、高安全、环境友好的新型交通方式。

现行的轨道交通技术受限于轮轨摩擦、气动阻力和噪声等原因，其最高理论运行时速约为600 km，而低真空管道磁悬浮列车通过将磁悬浮技术和低真空运行条件相结合，突破了当前轮轨交通的速度极限［1］。因此，低真空管道磁悬浮列车方案虽然在工程上依然存在许多问题亟待研究和解决，但也不能阻止其成为未来超高速轨道交通发展的重要方向之一。

在列车超高速行驶的条件下，业务系统对车地无线通信系统的性能提出了更高的要求：牵引制动系统和运行控制系统对于车地通信的低时延、高可靠性要求将进一步提高；在低真空管道环境中为旅客提供互联网服务也将成为必须要解决的问题。作为对未来交通变革的技术储备，提前对低真空管道超高速磁悬浮铁路无线通信系统进行分析和研究具有重要意义。

1 低真空管道超高速磁悬浮铁路车地通信需求分析

1.1 承载业务

低真空管道超高速磁悬浮铁路的运行控制、牵引制动等技术与现有的高速磁悬浮铁路在原理上基本保持一致。因此，两者对于车地通信系统所需承载的业务也较为相近。通过对上海高速磁浮示范线进行调研，目前车地无线通信系统在高速磁悬浮铁路中主要承载牵引供电和运行控制两方面业务。同时，在低真空管道的运行场景中，整个车厢形成了一种“信息孤岛”的环境，旅客在运行过程中无法与外界进行信息的交流，这将严重影响旅客的舒适度和安全感，因此为旅客提供基本的互联网服务也是低真空管道超高速磁悬浮铁路车地无线通信系统需要解决的问题。

1.1.1 牵引供电系统

高速磁悬浮铁路的牵引供电系统为磁浮列车提供运行时所需要的动力，主要由供电、变流、馈电电缆、轨旁开关和直线电机长定子绕组等部分组成。

牵引供电系统通过车地无线通信系统获取车辆的速度和位置信息，并以此为依据，为分段的长定子绕组提供特定幅值和频率的电源，该电源产生的行波磁场与励磁磁铁产生的励磁磁场相互作用，产生列车高速行驶所需的牵引力。

牵引供电系统对车地无线通信的实时性要求较为苛刻。参考上海高速磁浮铁路，当列车速度低于100 km/h 时，地面牵引控制系统通过列车向地面发送的位置信息对列车进行牵引控制，要求通信时延小于5 ms；当列车速度高于100 km/h 时，地面牵引控制系统通过定子绕组的反监视信号即可完成对列车的精确定位，不再需要传输车载定位信息。

1.1.2 运行控制系统

高速磁悬浮铁路的运行控制系统主要完成对列车运行的控制、安全防护、自动运行及调度管理等任务。运行控制系统由中央控制系统、分区控制系统和车载运行控制系统组成，通过车地无线通信系统保持与列车的不间断通信，主要用于传输操作控制数据、诊断数据和旅客信息数据，同时为车辆与中心的操作人员提供语音服务。

1.1.3 旅客基本互联网服务

为保障旅客的舒适度和安全感，低真空管道超高速磁悬浮铁路的车地无线通信系统还需在一定程度上满足旅客的通信需求。

基本互联网服务应包括即时通信软件、电子邮件、金融类软件、以文本信息为主的资讯类软件等互联网服务。其他如影音、游戏等高带宽的互联网服务需求，可由本地影音娱乐系统替代满足。

由于旅客基本互联网通信服务不涉及行车安全，因此为旅客提供的一切网络服务均需在保证列车系统数据安全传输的前提下提供。

1.2 技术难点

低真空管道超高速磁悬浮铁路对车地通信技术带来的挑战，主要体现在系统对超过1000 km/h 的超高列车运行速度和超长密闭管道传播环境的适应性上。其中，超高列车运行速度带来了多普勒频移和越区切换2 个方面的问题；超长密闭管道传播环境具有多径衰落和无线网络部署困难的问题。

1.2.1 多普勒频移

多普勒效应是指因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波频率发生变化的现象。多普勒频偏计算公式为

式中：θ为移动台移动方向和入射波方向的夹角；v为移动台运动速度；C 为电磁波传播速度，即光速；f为载波频率。

由式（1）可知，多普勒频偏与移动台的速度成正比，相比于现有高铁，低真空管道超高速磁悬浮列车在超高速移动的情况下，接收端信号的多普勒频偏将成倍增加，导致基站和接收机的相干解调性能降低。

1.2.2 越区切换

越区切换是指移动用户在不同小区间移动时，为了保证用户的连续通信而需要进行的信道切换。在列车超高速移动的场景下，越区切换的频率将更加频繁，切换成功率和切换时延等指标的优劣将直接影响整个系统的通信性能。

1.2.3 多径衰落

多径传播是所有移动信道的共同特性，多径传播造成多径衰落，使接收信号的幅度急剧变化。在全封闭的金属管道内，空间狭小，多径衰落更为严重，将严重影响通信质量。

1.2.4 无线电波传播方式

不同于开阔场景，在全封闭的金属管道内部，如果采用无线电自由波通信，路径损耗将显著提高，还有可能出现波导效应。另外，在超高速列车运行的狭窄管道内安装天线可能带来较高的安全隐患，也不便于设备维护检修。在超长隧道场景中，更常见的无线电波传播是采用漏缆或漏泄波导等方式，以获得更加均匀、优质的网络覆盖质量［2-3］。但相比于传统的隧道场景，金属管道对电波辐射和电波反射都有影响，将会使漏缆或漏泄波导在低真空管道内的传播模型产生很大变化。这些变化对漏缆或漏泄波导的网络覆盖效果的影响程度还需要进行针对性的研究。

2 既有无线通信技术

通过对既有无线通信技术方案的调研，目前还没有可完全满足低真空管道超高速磁悬浮铁路需求的无线通信系统。但应用于高速磁悬浮铁路车地通信的38 GHz 毫米波车地无线通信系统和应用于民航客机的ATG-LTE 地空无线通信系统与低真空管道超高速磁悬浮铁路车地通信系统的业务需求和应用场景存在相似点，具有较高的参考价值。

2.1 38 GHz 毫米波车地无线通信系统

38 GHz 毫米波车地无线通信系统是德国针对磁悬浮铁路系统需求专门定制研发的一种磁悬浮列车车地无线通信方案，同时也是目前上海高速磁浮示范线使用的车地无线通信方案。该方案在上海高速磁浮最高时速430 km 的运营环境下得到了长期验证，其可用性和可靠性均有一定保证。

2.1.1 承载业务

38 GHz 毫米波车地无线通信系统主要用于传输车辆与地面之间的运行控制、牵引控制、诊断及旅客信息等数据，同时为车辆与中心的操作人员提供语音服务。系统针对不同业务的性能需求提供了不同的服务质量：对于牵引控制数据，系统提供了高实时性保障，数据传输时延不超过5 ms［5］；对于运行控制数据，系统提供了高可用性保障，数据传输差错率不高于10-6；对于其他高带宽需求业务，系统提供了高动态服务保障，根据当前通信质量可提供16M～100 MHz 的可用带宽。

2.1.2 系统架构

图1 38 GHz 毫米波车地无线通信系统架构示意图

38 GHz 毫米波车地无线通信系统架构如图1所示，由中央无线控制单元（CRCU）、分区无线控制单元（DRCU）、光纤网（OFN）、地面无线基站（RBS）和车载无线系统5 个组成部分。基站通信天线沿轨道架设，车载天线安装在列车两端［6］。

CRCU 部署于控制中心，控制中心利用CRCU提供的接口，通过38 GHz 无线网络与列车进行旅客信息、诊断数据及语音数据的传输交换。整个上海磁浮示范线被分为4 个无线控制分区，DRCU 通过OFN 与地面基站连接，并控制基站仅当有列车处于该基站覆盖范围内时才将其激活。为了保证沿线各点无线信号的全覆盖，通常RBS 的间距为0.3～1.1 km，使用频率为37.1～38.5 GHz［7］。车载无线系统由组合天线、移动终端和移动无线控制单元（MRCU）组成，MRCU 控制移动终端进行无线信号的收发，并为车载业务系统提供相应接口。

2.1.3 技术特点

38 GHz 毫米波车地无线通信系统承载了牵引控制、运行控制等涉及行车安全的关键业务数据。车地无线通信系统提供稳定、准确、高效的数据传输，是确保整个磁浮系统正常运转的前提条件。因此，38 GHz 毫米波车地无线通信系统在多个方面采用了冗余性设计，以确保整个系统的高可靠运行。

1）物理通道冗余。

38 GHz 毫米波车地无线通信系统由2 个完全相同的子系统组成，称为通道A 与通道B。2 套子系统均包含各自的分区无线控制单元、基站收发器、移动收发器以及移动无线控制单元，2 套子系统同时工作、可独立运行。基站和移动收发器都采用单发双收的设计，即在发射时只发射本通道的无线信号，接收时可同时接收来自2 个通道的不同频率的无线信号［8］。

通过以上设计实现了2 套完整的车地无线通信系统的系统级设备冗余，并通过单发双收机制形成了4 条无线通信链路，进一步提高了无线接入侧的冗余度；保证了列车运行全过程中能同时被2 个通道子系统完全覆盖，其中1 个通道的任何设备故障都不会影响到列车的正常运行；同时由于2 个通道子系统的基站呈交错式部署，则其分区切换时机也呈交错式分布，从而避免了分区切换时可能导致的通信短暂中断。

2）数据传输冗余。

38 GHz 毫米波车地无线通信系统通过对冗余通道的交叉复用，进一步提高了数据传输的可靠性。每个通道子系统在进行数据传输时，不仅传输自身通道的数据，还通过数据交换，同时传输另一通道承载的数据。接收端信号收发器接收到数据后，再将不属于本通道的数据重新分配给另一通道子系统的无线电控制单元进行处理。例如，通道A发送端在传输应由它承载的A 数据的前提下，还通过数据交换传输通道B 承载的数据；通道A 接收端在接收到来自通道A 发送端的数据后，自行处理通道A 数据，并将通道B 数据转发给通道B设备。

2.2 ATG-LTE 无线通信系统

航空交通系统与低真空管道超高速磁悬浮铁路系统的运行场景有一定的相似度。首先，航空飞机的速度可达1200 km/h，多普勒频移和越区切换的问题在地空通信中同样突出；其次，旅客在进行航空旅行时，由于无法通过公网的3 G、4 G 等手段与外界进行信息交互，与低真空管道超高速磁悬浮铁路系统相似，所以航空交通系统也需解决旅客的互联网服务需求。

实现飞机旅客空中上网目前有2 种方式，通过卫星中继联网和建设专门的地面站与飞机联网，即所谓的空-地直通联网（Direct Air-to-Ground Communications，ATG） 或称为地空宽带通信网［9］。由于在低真空管道超高速磁悬浮铁路系统中，列车运行在封闭的管道中，显然卫星中继联网并不适用，而ATG 网络对于超高速环境下的适应性具有一定的参考意义。ATG 无线通信网络可基于2 G、3 G、4 G，甚至5 G 进行定制，目前已商用的、 性能最佳的ATG 技术为基于4 G 的ATG-LTE 解决方案。

ATG-LTE 网络通信方案是一种基于LTE 网络的ATG 解决方案，继承了LTE 网络的技术特点。目前已在欧洲商用，覆盖整个欧洲空域，单机可提供带宽最高可达100 Mbps。

2.2.1 承载业务

在机舱内，机载ATG 设备向乘客提供无线局域网数据业务，用户通过Wi-Fi 与之建立连接；在机舱外，通过LTE 技术实现地面基站与机载ATG设备间数据链路的建立，并最终将乘客与地面互联网连接到一起，实现上网服务。

2.2.2 系统架构

ATG-LTE 系统架构与LTE 系统架构基本一致，主要差异在于：移动端为装载了机载天线和机载通信终端的航空飞机。

2.2.3 技术特点

ATG-LTE 技术方案在LTE 网络技术的基础上，针对航空超高速运行环境进行了针对性的定制优化。采用定制的无线收发设备，电信运营商沿飞行航路或特定空域在地面架设基站，向高空进行覆盖（单个基站覆盖高度为6000～12000 m），可以为不同高度层航线的飞机提供最高100 Mbps 的无线数据带宽，从而使机舱内的乘客可以访问外部互联网［11］。为完成上述目标，ATG-LTE 系统实现了以下几个关键技术：①超高速适应性技术，通过多普勒频偏跟踪与补偿，适用于1200 km/h 的超高速移动；②超级小区技术，实现了200～300 km 超大小区覆盖，减小切换，降低干扰；③定制化的地面天线，小区可覆盖从低空至高空的不同范围；④差异化的QoS［10］，满足从飞行数据、监控视频及用户上网等不同业务的不同优先级需求。

3 结论

1）通过对38 GHz 毫米波车地无线通信系统和ATG-LTE 无线通信系统通信方案的研究和对比，结合低真空管道超高速磁悬浮铁路的特殊应用场景和需求，以上2 种通信系统方案均不能完全满足低真空管道超高速磁悬浮铁路车地通信的需求［4］。

2）38 GHz 毫米波车地无线通信系统作为一整套磁浮专用系统中的一个子系统，是一个高度定制化的专用通信系统。虽然低真空管道超高速磁悬浮铁路在牵引制动、运行控制等方面与目前的高速磁浮铁路有许多相似之处，但两者在设计时速、运行环境等方面存在着较大的差异。例如，其在功能上无法满足为旅客提供基础互联网服务的要求，毫米波的传播特性也不适于在超长管道中进行覆盖。但低真空管道超高速磁悬浮铁路车地无线通信系统可借鉴该系统在保证通信可靠性上的设计值。

3）ATG-LTE 无线通信系统虽然基本满足了通信系统对超高速适应性和对带宽的需求，但地空通信的方式与管道磁悬浮的环境差异较大。该系统主要承载的是旅客互联网服务，属于不涉及运营安全的可靠性要求较低的业务，在系统可靠性设计上无法满足低真空管道超高速磁悬浮铁路车地通信系统的要求。但ATG 方案的成功商用证明了4 G、5 G 等通用通信制式可通过针对性优化或修改，使其达到超高速环境下的运用需求，为低真空管道超高速磁悬浮铁路车地通信系统的方案设计提供了更多的选择空间。

4）在低真空管道超高速磁悬浮铁路中可以参考ATG-LTE 方案，基于LTE 或5 G 等通用通信制式，针对低真空管道超高速磁悬浮铁路这一特殊场景进行优化设计，以克服超高速运行环境所带来的多普勒频移、越区切换等相关问题；参考38 GHz 毫米波车地无线通信系统，通过多重冗余性设计，保障系统的可靠性；同时，为保障管道内行车安全，采用漏缆或漏泄波导的方式进行管道内的接入网部署，并结合管道材质、结构、尺寸以及系统使用频率进行针对性选型和验证，以适应超长密闭管道的特殊应用环境。