高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展4篇高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展 特别策划2020/11CHINARAILWAY铁路5G应用的可行性及技术优势分析陆晓磊，陈雍珏，邓小市（华为技术有限公司无线网络产品线下面是小编为大家整理的高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展4篇,供大家参考。
篇一：高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展
别 策 划2020/11 CHINA RAILWAY铁路5G应用的可行性及技术优势分析陆晓磊， 陈雍珏， 邓小市（华为技术有限公司 无线网络产品线，上海 201206）摘 要：随着铁路高速化、智能化发展，铁路无线通信系统不仅提供基础的语音业务，宽带数据业务也成为其主要业务方向。结合当前无线通信技术发展现状，探讨5G移动通信技术在铁路行业中的可行性与技术优势。展望未来，铁路5G专网将成为铁路无线通信发展的方向，为我国铁路智能化发展发挥关键作用。关键词：高速铁路；智能化；铁路5G专网；无线通信；GSM-R中图分类号：U285 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2020）11-0050-07DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.11.0500 引言铁路作为我国最早应用无线通信技术的行业之一，经过几十年的应用发展和技术积累，已形成与铁路管理体制相适应的铁路专用通信技术体系。进入21世纪，为满足我国高速铁路的发展需要，原铁道部正式确定了铁路专用数字移动通信系统 （GSM-R）
的技术方向 ［1］ ，有力支撑了高速铁路、重载铁路、高原铁路的列车调度通信和列车运行控制等多项行车安全业务运用。历经10多年发展，我国已建成全球最大的GSM-R网络。截至2019年底，全国铁路GSM-R网络覆盖线路里程接近7万km。随着智能铁路等新的建设要求提出，GSM-R作为窄带无线通信的技术局限性越发突出，无法满足铁路行车应用和运营维护业务的需要。国际铁路联盟（International Union of Railways，法语全称缩写UIC）梳理了基于宽带移动通信的大量需求 ［2-3］ ，学术界也针对5G在铁路行业的应用展开了深入研究 ［4］ 。从业务需求与发展趋势看，铁路领域亟待引入无线宽带通信技术支撑智能铁路新发展。1 铁路专用无线通信技术1. 1 应用场景及业务铁路专用无线通信技术主要为列车提供调度通信和运行控制等行车安全业务无线承载，为铁路移动应用提供可靠的高速车地无线通信。根据应用对象，铁基金项目：
中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2020G004）第一作者：
陆晓磊（1981—），男，营销总监。E-mail：leo.luxiaolei@huawei.com- - 50。
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铁路5G应用的可行性及技术优势分析 陆晓磊 等 特 别 策 划2020/11 CHINA RAILWAY路专用无线通信可分为行车应用、运营及维护应用、旅客服务信息应用3类 ［5］ ；根据业务需求，则分为无线调度语音业务、无线数据业务、无线视频业务3类：（1）无线调度语音业务。主要实现调度员、司机、行车保障人员、行车指挥人员之间的基本通话、群组通话、优先级通话等。同时，为了满足铁路特殊需求，还引入了功能寻址、位置寻址、铁路紧急呼叫等功能。（2）
无线数据业务。主要用于行车类安全应用业务承载，包括行车运行控制（CTCS-3、ATO）、安全防护 （列尾、安全预警）
信息、车次号校对调度等。此类业务涉及行车安全，对于无线通信的可靠性和安全性有很高要求，是铁路专用无线通信的核心业务。（3）
无线视频业务。主要包括司机超视距监控应用中的地车及车地视频传输，也包括对于列车关键部位 （如驾驶室、列尾、转向架等）
的视频监视图像通过无线方式实时传输至控制中心或地面监控站，进行集中监控。此类业务有助于提升列车行车安全，但由于需要在列车高速运行下实时传送视频，GSM-R已无法承载该类业务，需引入新的无线宽带系统满足实时回传要求。1. 2 无线频率受无线电传播特性限制，无线频率越低，空间传播损耗越低，传播距离越长。与之相对应，无线频率越高，空间传播损耗越大，传播距离越小。我国采用的模拟列调和GSM-R 两种铁路专用无线通信技术频率均低于1 000 MHz，在传播距离和基站覆盖半径上有明显优势。虽然低频段传播具有传播距离优势，但1 000 MHz以下的频率资源基本已被运营商和各行业分配殆尽，无法获得更多的频率资源。而高频段带宽资源丰富、承载能力强、频谱效率高，能很好满足铁路专用无线通信系统宽带化发展需求。综合各方面因素，新的铁路专用无线通信系统需要平衡覆盖与带宽的关系，应选择适合铁路高速智能发展要求的成熟无线频段部署。1. 3 技术体制目前，铁路部署的模拟列调及GSM-R均为窄带无线通信技术，无法满足铁路智能化发展要求。第五代移动通信技术（5G）作为最先进的无线宽带移动通信技术，设计上兼顾移动性和宽带性要求，支持的最高移动速度可达500 km/h，还能为用户提供Gb/s级别的速率体验。自2019年起，5G已在公网运营商中大规模部署，成为一种成熟的移动通信制式，非常适合于未来的铁路专用无线通信。在关键技术上，5G引入大规模天线阵列、多发多收、更高阶编码调制等技术，比4G的频谱效率提升了10%～20%。结合2018年原中国铁路总公司在京沈客运专线开展的LTE-R技术试验结果，预计在2×10 MHz组网，同样站间距部署条件下，5G单基站上行和下行的平均吞吐量可达约20 Mb/s和30 Mb/s，满足铁路各类行车业务需求。综合看来，5G作为目前最新的无线通信技术，是铁路专用无线通信系统最好的选择，可为铁路提供安全可靠的无线宽带业务，满足各类行车应用需求，为铁路智能化发展奠定基础。2 5G技术及标准发展2. 1 无线通信技术自 20 世纪 80 年代末第一代无线通信技术问世以来，经过40年的发展，移动通信技术已经进入了5G时代。5G 是由第三代合作伙伴计划 （3rd GenerationPartnership Project，3GPP）
制定的广域无线通信技术，具有高速率、低时延和大连接等特点。根据 3GPP 定义，5G技术具有以下3个愿景目标（见图1）：（1）峰值速率达到10 Gb/s；（2）
空口时延低至1 ms；（3）
每平方公里联接100万个设备。图1 5G的3个愿景目标- - 51。
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铁路5G应用的可行性及技术优势分析 陆晓磊 等 特 别 策 划2020/11 CHINA RAILWAY2. 2 5G标准5G是新一代无线通信技术，3GPP将5G标准的制定分为2个主要阶段：第1阶段，R15基础版本主要面向增强移动宽带 （enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景，已于 2019 年 6 月 7 日完成协议制定和冻结，eMBB标准化产品正式商用上市，当前各主流无线通信设备厂家均有成熟产品支持eMBB；第2阶段，R16和R17重点针对超低延时高可靠通信 （ultra-Reliable andLow-Latency Communications，uRLLC）和海量机器通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）2个场景进行研究。其中，R16版本于2020年7月完成uRLLC的协议制定和冻结；R17版本包含的海量机器通信场景预计在2022年完成uRLLC的协议制定和冻结。除了协议制定，3GPP还定义了5G工作频段 （见表1）
。其中，n1频段属于5G最核心的黄金频段，目前中国国家铁路集团有限公司正在向国家无线电管理委员会申请n1中的1 965～1 975 MHz/2 155～2 165 MHz作为铁路5G专网无线频段。2. 3 5G产业终端形态和种类的丰富程度是衡量一个产业是否成熟的重要标志。截至2020年8月，全球已累积发布401款5G终端产品，模组达64款。其中，有128款5G终端支持n1频段（见图2），同时，各模组和芯片厂家表1 5G工作频段5G频段号n1n2n3n5n7n8n20n28n38n41n50n51n66n70n71n74n75n76n77n78n79n80n81n82n83n84工作频段/MHz上行1 920～1 9801 850～1 9101 710～1 785824～8492 500～2 570880～915832～862703～7482 570～2 6202 496～2 6901 432～1 5171 427～1 4321 710～1 7801 695～1 710663～6981 427～1 470N/AN/A3 300～4 2003 300～3 8004 400～5 0001 710～1 785880～915832～862703～7481 920～1 980下行2 110～2 1701 930～1 9901 805～1 880869～8942 620～2 690925～960791～821758～8032 570～2 6202 496～2 6901 432～1 5171 427～1 4322 110～2 2001 995～2 020617～6521 475～1 5181 432～1 5171 427～1 4323 300～4 2003 300～3 8004 400～5 000N/AN/AN/AN/AN/A双工模式FDDFDDFDDFDDFDDFDDFDDFDDTDDTDDTDDTDDFDDFDDFDDFDDSDLSDLTDDTDDTDDSULSULSULSULSUL图2 5G终端支持频段- - 52。
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铁路5G应用的可行性及技术优势分析 陆晓磊 等 特 别 策 划2020/11 CHINA RAILWAY均推出支持5G的通信模组和通信芯片，为5G行业特种终端的开发奠定了基础。此外，各地区运营商也在加速5G规模商用进展。截至2019年底，全球各主流运营商均已推出5G网络服务 （见图3）
，首批商用用户规模上亿，进程将比4G快2～3年。综合标准和产业进展分析，5G已进入高速发展和规模部署期，铁路专用无线通信系统采用5G作为技术标准的时机相对成熟，相信立足当前先进成熟的5G通信技术，加快推进我国铁路专用移动通信技术，对助力智能铁路又好又快健康发展具有重要意义。3 铁路5G应用关键技术在铁路行业，由于需要支持列车350 km/h的高速移动性，并向500 km/h演进，对无线网络的可靠性及高速条件下的性能提出了极高要求。5G的可靠性技术、高速技术，以及网络切片、毫米波等技术，匹配了铁路行业需求。3. 1 可靠性技术从铁路5G专网承载的业务看，包含行车相关的C3列控、列调业务等均与行车安全高度相关，对网络可靠性提出了极高要求。针对不同应用场景，可靠性存在以下3类挑战：（1）
空口不可靠。无线信道由于阴影衰落、多径衰落、干扰、终端移动等影响，造成信道环境波动，对应空口性能产生波动。（2）设备故障。设备由于自然灾害或老化等原因，造成单点故障影响系统运行。（3）
大业务流量冲击。在编组站、枢纽站等高容量场景，可能突然产生多业务并发情况，造成网络拥塞。下面重点介绍能够应对以上挑战的可靠性技术。3. 1. 1 AMC、HARQ、DAPS等技术自适应编码调制技术 （Adaptive Modulation andCoding，AMC）可根据用户反馈的信道质量好坏，自适应调整调制和编码方案（Modulation and Coding Sheme，MCS）
在保证用户QoS的前提下，提高吞吐量及覆盖范围。前向纠错编码和自动重传请求结合产生了混合自动重传（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ），即在1个ARQ系统中包含1个前向纠错子系统，当前向纠错子系统无法正常纠错时，通过自动重传请求反馈信道重发错误码组。5G R16标准新增支持1个时隙内实现多个HARQ-ACK传输，减少了反馈时延，从而减少空口环回时延。5G R16 新 增 双 连 接 技 术 （Dual Active Protocol图3 全球各主流运营商5G商用情况- - 53。
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铁路5G应用的可行性及技术优势分析 陆晓磊 等 特 别 策 划2020/11 CHINA RAILWAYStack，DAPS）对NR的移动性进行增强 ［6］ 。该技术在协议上允许移动终端在切换时始终保持与源小区连接，直至与目标小区开始进行收发数据为止再中断连接。原方式是先释放源小区连接，再建立与目标小区连接。现在将顺序调整，先建立与目标小区连接，再释放源小区连接，从而实现“切换0中断”。该功能需要在基站与终端同时支持。综合以上关键技术，可大大提升空口可靠性。3. 1. 2 冗余技术冗余技术是在系统或设备完成任务起关键作用的部分增加1套以上完成相同功能的功能通道、工作元件或部件，以保证当该部分出现故障时，系统或设备仍能正常工作，减少系统或设备的故障概率，提高系统可靠性。在铁路应用中，可采用组网冗余、设备冗余、单板冗余等方式，避免设备单点故障，提升系统可靠性。3. 1. 3 设备流控设备通过对输入、输出流量进行控制，达到防止设备过载并维持设备稳定的目的。设备流控有以下2种方式：（1）
控制面流控。假设在用户接入场景，有过多的终端用户尝试通过随机接入连接1个基站，且用户数量超出基站对应能力，基站主控单元会启动流控机制，对于已被拒绝接入的用户，丢弃该用户对应的初始接入信息，同时降低可发起随机接入的用户数。直至系统负载下降，再逐渐提升可发起随机接入的用户数。与接入场景原理类似，控制面还可进行初始接入消息流控、切换请求消息流控、寻呼消息流控等操作。（2）
用户面流控。分为下行流控和上行流控。在终端、基站、核心网的用户面协议栈（见图4），下行数据在基站中流向为GTP-U→PDCP→RLC→MAC，当RLC和MAC单元负载过重时，通知GTP-U模块降低下行报文发送速率，RLC和MAC单元同时降低下行调度用户数，通过这2种方式实现流控，直至负载恢复至可承受能力范围，再逐渐提高下行报文发送速率及调度用户数。上行流控数据流向相反，原理一致。通过控制面和用户面流控2种方式，可避免大业务冲击造成的业务过载，维持设备稳定。3. 2 高速技术铁路5G专网在高速移动场景下，其可靠性存在以下3种挑战：（1）多普勒频偏。在高速移动场景下，受多普勒效应影响，接收端接收信号频率发生变化，导致发射频率与接收频率不同，产生OFDM符号内和符号间干扰，严重时造成接收方无法解调出发送方的发射数据，造成终端无法接入网络。多普勒频移原理示意见图5，频偏f d 如下：f d =fc× v × cosθ ，式中：f为工作频率；c为光速；v为车速。对应可计算不同车速下的上行最大多普勒频偏2f d（见表2）。图4 终端、基站、核心网之间用户面协议栈图5 多普勒频移原理示意图表2 上行最大多普勒频偏 Hzv/ （km·h -1 ）250350450500频段/MHz9004175837508831 8008331 1671 5001 6672 1009721 3611 7502 0572 6001 2041 6852 1672 547- - 54。
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铁路5G应用的可行性及技术优势分析 陆晓磊 等 特 别 策 划2020/11 CHINA RAILWAY由表2可见，在车速500 km/h、频段2 100 MHz情况下，产生上行最大多普勒频偏2 057 Hz，对接收机解调造成巨大影响。（2）
频繁切换。在线性快速移动情况下，终端用户发生频繁切换，可能造成吞吐率下降甚至掉话，影响业务稳定性（见图6）。由此可见，频繁切换造成速率在切换区陡降，克服频繁切换是铁路高速场景的关键问题。3. 2. 1 上行频率纠偏在高速场景下，上行信号会叠加基站到终端、终端到基站2次的频率偏移，上行的多普勒频偏更大。可通过上行频率纠偏的方式，减小上行频偏。基站根据终端的物理上行共享信道（DeModulationReference Signal，DMRS）
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篇二：高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展
［收稿日期］ ２０１７ － ０１ － １６ ［基金项目］国家自然科学基金项目 （ ６１６７２３９５ ）。 ［作者简介］李平安 （ １９６５ － ），男，博士，教授，现主要从事通信与信号处理方面的研究工作， １０１５７８３１８８＠ｑｑ．ｃｏｍ 。［引著格式］李平安 ． 移动通信的发展及关键技术介绍 ［ Ｊ ］ ． 长江大学学报 （自科版）， ２０１７ ， １４ （ ９ ）：１～１２．移动通信的发展及关键技术介绍 李平安 （武汉理工大学信息工程学院，湖北 武汉 ４３００７０ ）［摘要］在回顾移动通信发展历程的同时，介绍了从第 １ 代 （ １Ｇ ）到第 ４ 代 （ ４Ｇ ）蜂窝移动通信系统发展的背景以及各代移动通信系统的主要特点。详细讨论了 ３Ｇ 和 ４Ｇ 移动通信系统的关键技术，展望了 ５Ｇ及后续移动通信系统的发展趋势。［关键词］移动通信； ３Ｇ ； ４Ｇ ； ５Ｇ［中图分类号］ ＴＮ９２９．５３ ［文献标志码］ Ａ ［文章编号］ １６７３ － １４０９ （ ２０１７ ）
０９ － ０００１ － １２移动通信不仅是目前人们通信的主要手段，也是目前世界主要发达和发展中国家推动经济发展的主力军。移动通信对国民经济的贡献不仅在其自身庞大的产业链，也来自移动通信网络与互联网结合诞生的移动互联网给各行各业带来的巨大经济效益。无线移动通信的起源可以追溯到１８９７年古列尔莫·马可尼第一次成功进行的横渡英吉利海峡船载移动通信试验 ［１ ］ 。从１９７８年美国在芝加哥和华盛顿分别进行２个最早的蜂窝系统———先进的移动电话服务 （ ＡＭＳＰ ）和美国无线电话服务 （ＡＲＴＳ ）系统的测试至今，移动通信系统经历了４代的发展和演进。
２０世纪８０年代，数字程控交换的使用以及综合业务数字网 （ＩＳＤＮ ）和智能网的出现给世界移动通信带来了蓬勃的发展。在我国，移动通信的高速发展起始于３Ｇ 概念的出现。从２０００年５月ＩＴＵ 宣布具有中国自主知识产权的 ＴＤ － ＳＣＤＭＡ 标准与欧美为主体突出的 ＷＣＤＭＡ 和 ＣＤＭＡ － ２０００一起成为３Ｇ的３大主流标准技术 ［２ ］ 至今，不仅移动通信技术在我国得到了迅速发展，而且移动通信网络和业务在我国也突飞猛进。据工信部数据统计，截止２００９年底我国大约有６．８亿的移动用户，到２０１３年底移动用户数已超过１２亿，截止２０１６年９月已达到１３．１６亿。
４Ｇ 在我国的发展更是突出，从２０１３年１２月工信部给具有我国自主知识产权的 ＴＤ － ＬＴＥ标准发放运营牌照到２０１６年７月底，我国的４Ｇ 移动用户已超过了６亿。在２０１６年９月２２日举办的 “５Ｇ 创新发展高峰论坛”上， ＩＭＴ － ２０２０ （５Ｇ ）推进组５Ｇ 实验负责人、无线技术组副组长魏克军指出，我国已顺利完成了５Ｇ 技术研发试验的第１阶段，所涉及的关键技术包括大规模天线阵列、新型多载波、高频段通信、全双工、空间调制等技术。这标志着我国在移动通信的发展上从１Ｇ的旁观、 ２Ｇ的打工、 ３Ｇ 的核心技术参与，已发展到４Ｇ 的走在世界移动通信队伍的前列和５Ｇ的领先地位。１ 移动用户信号设计基础观察和检测信号可以在时域也可以在频域进行，此外也与空域有关。对于移动通信，一个很重要特征是每个用户要实现与另外一端的通信都要通过该用户所在小区的基站来实现。换句话说，每个移动台在通信中无论是发射信号还是接收信号，都是与本移动台所在小区的基站 （ ＢＳ ）进行双向通信来实现的，这就自然导致了若以一定的时间段来观察，存在多用户与一个基站同时通信。针对每个移动台，移动台发射时，移动台到基站的通信链路称为上行链路；移动台接收时，基站到移动台的通信链路称为下行链路。如果同时与一个基站通信的用户均采用相同的频率，这些来自或者到达不同用户的同频率的信号是同时存在的，只是各自功率的大小不同。基站或者移动台在检测某个移动用户 （ ＵＥ ）的信号时，其他用户的信号对其就是一种干扰，这种干扰在移动通信中被称为多址干扰 （ ＭＡＩ ）。移动通信中，·１·长江大学学报 （自科版）
２０１７ 年 第 １４ 卷 第 ９ 期Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （ Ｎａｔ Ｓｃｉ Ｅｄｉｔ ）
２０１７ ， Ｖｏｌ．１４Ｎｏ．９DOI:10.16772/j.cnki.1673-1409.2017.09.001
ＭＡＩ是影响接收机对用户信号检测质量的主要因素。为了避免 ＭＡＩ ，系统设计时可以将不同的用户信号安排在不同的时隙 （ｔ ）或者不同的频段 （ ｆ ）进行传输，分别如图１和图２所示。除采用在时域或频域的信号设计来抑制 ＭＡＩ外，通过在空域对信号进行设计也可以减小 ＭＡＩ ，如图３中，基站通过采用智能天线阵 ［１ ］ 产生空间波束分别指向不同的用户，若不同的 ＵＥ针对基站具有足够的方向差，则可以有效地减少接收信号时的 ＭＡＩ 。图 １ 不同的移动台信号在不同的时隙进行 图 ２ 不同的移动台信号在不同的频段进行 图３ 在空域区分移动台信号在移 动 通 信 系 统 中，不 仅 可 以 在 不 同 的 域（时域、频域及空域）中或者联合考虑多个域来设计信号的传输方式，也可以考虑在不同的域或联合考虑多个域来检测信号和处理信号。不同 ＵＥ的信号区分除采用上述的在某个信号域 （或称信号空间）让不同 ＵＥ 的信号互不重叠外，还可以利用正交信号设计方法。对于用离散序列表示的信号， ２个正交信号 ｘｉ 和 ｙ ｉ 满足： Ｎ －１ｉ ＝０ｘ ｉ ｙ ｉ ＝０（１ ）式中， Ｎ 为离散序列的长度。２个相互正交的信号也称为完全不相关的信号， ２个离散序列的相关系数定义为： ρ ＝Ｎ －１ｉ ＝０（ｘ ｉ － 珚 ｘ ）（ ｙ ｉ － 珔 ｙ ）Ｎ －１ｉ ＝０（ｘ ｉ － 珚 ｘ ）２ Ｎ －１ｉ ＝０（ｙ ｉ － 珔 ｙ ）槡２（２ ）如果将用户的信号设计为相互正交，在接收机可以利用信号的正交性有效地减小 ＭＡＩ 。２ 移动通信的发展历程２０世纪５０年代和６０年代，贝尔实验室创立了蜂窝系统理论 ［２ ］ 。通过使用蜂窝移动通信系统，通信频率可以被重复使用以支持更多的通信用户。
ＡＴ＆Ｔ 公司分别在１９４７年和１９６８年向美国联邦通信委员会 （ ＦＣＣ ）递交了频谱需求的申请和蜂窝服务的建议。蜂窝系统的设计在２０世纪６０年代末才得以完成 ［３ ］ ， １９７８ 年， ２ 个蜂窝系统———先进的移动电话服务 （ＡＭＰＳ ）和美国无线电话服务 （ ＡＲＴＳ ）分别在芝加哥和华盛顿进行了现场测试。
１９８２年， ＦＣＣ终于为 ＡＭＰＳ在８００～９００ＭＨｚ频段的６６６双工信道分配了 ４０ＭＨｚ的频谱。
ＡＭＰＳ是美国的第１个蜂窝移动通信系统， １９８３年在芝加哥由 Ａｍｅｒｉｔｅｃｈ公司首次进行了建网 ［４ ］ 。在日本，日本电话电报公司 （ＮＴＴ ）在１９７９年建成了第１个能实际使用的蜂窝系统。在欧洲，爱立信１９８１ 年研发出北欧移动电话系统 （ ＮＭＴＳ ），并在瑞典投入了公共服务。
ＡＭＰＳ和 ＮＭＴＳ代表了第１代 （１Ｇ ）移动通信技术。第１代移动通信系统对语音采用的是模拟传输，通过采用频分多址 （ ＦＤＭＡ ）技术， １Ｇ系统实现了多用户同时与基站 （ＢＳ ）进行无线通信。
１Ｇ 系统的用户信号设计主要靠让不同 ＵＥ的信号位于不同的频道，其接收机的信号处理采用中心频率不同的模拟滤波器分别在不同的频段内提取关心用户的信号并消除相邻频道用户信号导致的 ＭＡＩ 。此外， １Ｇ 系统采用了频分双工 （ ＦＤＤ ）来处理上、下行链路的信号传输，即每个用户的上、下行链路信号分别位于不同的频段。图４展示了 ＡＭＰＳ的频谱分配方案 ［５ ］ 。·２· 电子信息工程 ２０１７ 年 ５ 月
图 ４ ＡＭＰＳ 频谱分配方案 第２代 （ ２Ｇ ）蜂窝移动通信系统是全数字通信系统。相比于模拟系统， ２Ｇ数字移动系统可以提供更大的系统容量和更高的通信安全性，并降低了系统成本和功耗。此外， ２Ｇ系统还可以支持国际性漫游和其他新的服务。
２０世纪８０年代初期，模拟蜂窝系统在欧洲经历了快速的增长，许多国家都研制出了属于自己的系统。这些系统互不兼容，导致了在欧洲各国移动电话系统不具备互操作性，每类设备的市场规模也因此都受到了限制。
１９８２年，欧洲邮电协会成立了一个研究组，称为特别移动组 （ ＧＳＭ ），来研发建立一个泛欧公众移动电话系统。
１９８９年， ＧＳＭ 组的工作被转移到欧洲电信标准协会 （ ＥＴＳＩ ）进行领导，且更名为全球移动通信系统 （后来的 ＧＳＭ ）。频谱分配在９００ＭＨｚ （上行：
８９０～９１５ＭＨｚ ；下行：
９３５～９６０ＭＨｚ ）频段的 ＧＳＭ 商业服务开始于１９９１年， ＧＳＭ 数字移动通信系统采用了时分多址 （ＴＤＭＡ ）技术［ ６ ］ 。在北美，ＩＳ － ５４是北美第１个数字移动通信标准，是由美国电子工业联盟 （ ＥＩＡ ）和电信工业协会 （ＴＩＡ ）于１９９０年完成标准化。在ＩＳ － ５４中，移动通信系统使用的频谱与 ＡＭＰＳ中完全相同。事实上， ＩＳ － ５４的设计采用了双模制式，从而使得ＩＳ － ５４与已有的模拟 ＡＭＰＳ网络保持了后向兼容。到１９９３年，美国的蜂窝网络再次面临达到系统容量极限，从而导致了一个新的数字蜂窝标准ＩＳ － １３６在美国推出。
ＩＳ － １３６在语音信道和控制信道中均采用了ＴＤＭＡ技术 ［７ ］ ，而且在ＩＳ－ ５４基础上还增加了一些新的功能，包括短信业务、电路交换数据功能和改进的压缩协议等。
ＩＳ－ ５４和ＩＳ － １３６通常被称为数字 ＡＭＰＳ （ Ｄ － ＡＭＰＳ ）。
２Ｇ 系统均采用了 ＦＤＤ 的双工方式，图５展示了基于ＦＤＤ的 ＴＤＭＡ原理。以基本的 ＧＳＭ 系统为例，上行和下行链路各占２５ＭＨｚ的频谱各分成 Ｎ ＝１２４个频道，即共有１２４对频道，每对频道的频率间隔为４５ＭＨｚ 。
ＧＳＭ 相邻频道间距为２００ｋＨｚ ，上行和下行各频道的频率 ｆ Ｕ （ｎ ）、 ｆ Ｄ （ ｎ ）的计算如下： ｆ Ｕ （ ｎ ）
＝８９０＋０．２ ｎ １≤ ｎ≤１２４ｆ Ｄ （ ｎ ）
＝ ｆ Ｕ （ ｎ ）
＋４５ １≤ ｎ≤１２４（３ ） 图 ５ ＴＤＭＡ 的频道与时隙分配展示对于每个频道，传输１帧数据的时间段分为 Ｍ 个时隙， 不同的时隙可以最多分配 Ｍ 个不同的用户使用， ＧＳＭ中 Ｍ ＝８ 。在２Ｇ系统中，除 ＴＤＭＡ 系统外，还有一种码分多址 （ ＣＤＭＡ ）数字蜂窝标准ＩＳ －９５由美国高通公司在１９９５年推出 ［８ ］ 。通过使用 ＣＤＭＡ 体制，不同的用户可以同时同频与基站通信， ＩＳ－ ９５可以提供比模拟网络大１０多倍的网络容量 ［９ ］ 。
ＣＤＭＡ 系统是一种基于直接序列扩频谱 （ ＤＳＳＳ ）通信的系统，不同的用户信号的扩频码相互之间具有正交性或者低的相关性，从而可以在接收机解扩后有效消除 ＭＡＩ 。基本的 ＤＳＳＳ通信系统基带发射机和接收机框图如图６所示，发射机和接收机均采用相同的扩频码分别用来进行扩频和解扩。为了说明基于ＤＳＳＳ调制的ＣＤＭＡ技术的原理，假设有２个用户 ＵＥ １ 和 ＵＥ ２ 在某个符号传输时间发射的同频信号所含符号分别为 ｓ１ 和 ｓ ２ ， ＵＥ １和 ＵＥ２ 的扩频码分别为 “ １ ， －１ ， １ ， －１ ”和 “ １ ， １ ，－１ ， －１ ”，在发射机扩频后的信号分别为 “ ｓ １ ， － ｓ １ ， ｓ １ ， － ｓ １ ”和“ ｓ ２ ， ｓ ２ ， － ｓ ２ ， － ｓ ２ ”。
由于每个符号扩展为 ４ 个码片或称为切普，扩频后的信号带宽大于了扩频前信号的带宽，因此发射机用户信号与扩频码的这种乘积操作也称为直接序列扩频。若扩频码的长度为 Ｑ ，则扩频后信号的带宽近似为扩频前·３· 第 １４ 卷 第 ９ 期 李平安：移动通信的发展及关键技术介绍
图 ６ 基本的 ＤＳＳＳ 通信系统演示信号带宽的 Ｑ 倍 ［１ ］ 。为了实现扩频后每个符号能量与扩频前保持一致，可以将扩频码 “除以槡 Ｑ ”，对于上述的例子， Ｑ ＝４ ， 对应的扩频后的序列为 “ ｓ１ ／ ２ ， － ｓ １ ／ ２ ， ｓ １ ／ ２ ， － ｓ １ ／ ２ ”和“ｓ ２ ／ ２ ， ｓ ２ ／ ２ ， － ｓ ２ ／ ２ ， － ｓ ２ ／ ２ ”。
不考虑信道的影响，这２个用户扩频后的符号若被１个接收机接收，则接收信号 中 对应 的 ４ 个码 片为“（ｓ １ ＋ ｓ ２ ）／ ２ ， （ － ｓ １ ＋ ｓ ２ ）／ ２ ， （ ｓ １ － ｓ ２ ）／ ２ ，（－ ｓ １ － ｓ ２ ）／ ２ ”。
假设接收机需要检测 ＵＥ １ 发射的符号，则用 ＵＥ １ 的能量归一化的扩频码 “１ ／ ２ ， －１ ／ ２ ， １ ／ ２ ， －１ ／ ２ ”与接收信号进行位对应 （码片对码片）相乘，然后相加，则恢复了 ＵＥ １ 发射的信号 ｓ １ ， 而 ＵＥ ２ 发射的符号 ｓ ２ 对检测 ＵＥ １ 的符号并没产生 ＭＡＩ ，这是由于２个用户的扩频码相互正交所导致。为了开发新一代的蜂窝系统以支持全球漫游和多媒体服务，国际电信联盟 （ＩＴＵ ）于１９８５年启动了第３代移动通信 （３Ｇ ）的标准化过程。在１９９５年到１９９７年期间， ３Ｇ 被称为未来公众陆地移动通信系统 （ ＦＰＬＭＴＳ ）。
１９９７年３月， ＩＴＵ 将３Ｇ 的名称更名为ＩＭＴ－ ２０００［ １０ ］ 。其中 “２０００ ”不但表示３Ｇ系统运行所处的频段，同时也表示２０００年３Ｇ通信系统有望进入市场商用。
１９９６年至１９９８年间，许多公司和地区性标准发展组织为ＩＭＴ － ２０００向ＩＴＵ提交了各自的系统设计方案，提案的评估于１９９８年完成。最后ＩＴＵ从总共提出的１７个竞争提案中整合出３个ＣＤＭＡ标准，即 ＷＣＤＭＡ 、 ＣＤＭＡ － ２０００和 ＴＤ － ＳＣＤＭＡ 。ＷＣＤＭＡ和ＣＤＭＡ － ２０００网络分别是ＧＳＭ和ＩＳ － ９５的发展技术，而 ＴＤ － ＳＣＤＭＡ 是由中国提出的一种全新的标准 ［１１ ］。在 ＴＤ－ ＳＣＤＭＡ中的 “ ＴＤ ”代表时分双工 （ ＴＤＤ ），而ＳＣＤＭＡ 意味着该系统采用的是一种同步的ＣＤＭＡ技术。１９９８年，各个致力于 ＷＣＤＭＡ 研发的区域性电信组织为了更好地在 ＷＣＤＭＡ 技术上进行合作，联合组建了一个合作组织称为第３代移动通信合作伙伴计划 （３ＧＰＰ ）组织［ １２ ］ 。
３ＧＰＰ组织初始的工作目的是介绍基于演进的ＧＳＭ 核心网络的３Ｇ系统 ＷＣＤＭＡ的技术规范和研究报告。
３ＧＰＰ２是另一个于１９９８年成立的合作伙伴组织，目的是推动ＣＤＭＡ － ２０００的研发及演进。
２００１年， ＮＴＴ ＤｏＣｏＭｏ推出了最早商用的３Ｇ网络。
２００９年， ＴＤ － ＳＣＤＭＡ开始在中国投入商用。基本的３Ｇ 系统的最大数据速率可以达到 ２Ｍｂｐｓ 。在 ２０００ 至 ２０１０ 年的中期， ３ＧＰＰ 组织发展了一个增强型的 ３Ｇ 协议，并在 ３ＧＰＰＲｅｌｅａｓｅ ５中颁布了其协议标准，即高速下行分组接入 （ ＨＳＤＰＡ ）协议 ［１３ ， １４ ］ ，它所提供的峰值速率高达４２Ｍｂｐｓ 。在３ＧＰＰ Ｒｅｌｅａｓｅ ６中， ３ＧＰＰ组织还发布了另一个协议 ＨＳＵＰＡ［ １３ ， １４ ］ ，即高速上行分组接入，用于提高 ＷＣＤＭＡ 上行链路的数据传输速率。根据报告， ＨＳＵＰＡ 的峰值速率可以达到７．２Ｍｂｐｓ 。３ＧＰＰ在２００８年还发布了另外一个进一步增强的系统 ＨＳＰＡ＋ ， ＨＳＰＡ＋所提供的峰值速率在下行链路可达８４Ｍｂｐｓ ，在上行链路可达１０．８Ｍｂｐｓ。 图 ７ 正交码扩频和 ＰＮ 码加扰技术展示在ＣＤＭＡ系统中，为了有效抑制不同信道信号的相互干扰，不同的信道采用了正交码进行扩频，但正交码具有很差的自相关特性，不适合在接收机实现信号同步时使用，因此在 ＣＤＭＡ 系统中一般采用了正交码扩频和伪随机 （ ＰＮ ）序列加扰的联合调制技术，图７展示了一种采用正交码和ＰＮ 码联合调制的原理 ［１ ］ 。
ＰＮ码具有良好的自相关特性，不仅适合用于系统进行同步捕获，也可以用于指示小区或者 ＢＳ 。同一个小区内不同信道采用不同的正交扩频码来区分信道，同小区内所有用户采用相同的 ＰＮ 码用于识别小区。不同的用户由于采用不同的码道进行信号传输，因此正交扩频码也自然用于区分用户。
ＩＳ－ ９５ 系统采用了 Ｗａｌｓｈ 码作为信道码，其扩频因子是固定的，即扩频码长度是固定的。
３Ｇ 系统采用了正交可变扩频因子 （ＯＶＳＦ ）码作为信道码，因此适合多速率的数据传输。·４· 电子信息工程 ２０１７ 年 ５ 月
３ＧＰＰ长期演进 （ ＬＴＥ）是一个针对 ＧＳＭ ／ ＵＭＴＳ系统进行演进的新的移动通信协议。ＬＴＥ的基本目标是提高无线移动网络的系统容量和数据传输速度，更进一步的目标是重新设计一个在网路架构上比３Ｇ网络结构更为简化、且其核心网是基于ＩＰ的新的移动通信网络，从而显著地减少网络传输延迟。ＬＴＥ的标准化工作开始于２００４年底，到２００７年，所有 ＬＴＥ 功能特征已得到了完成。在２００８年，３ＧＰＰ完成了大部分协议和性能指标的规范化，并在３ＧＰＰ Ｒｅｌｅａｓｅ ８中颁布了其相关标准。根据３ＧＰＰＲｅｌｅａｓｅ ８协议， ＬＴＥ系统在２０ＭＨｚ的带宽应达到支持１００Ｍｂｐｓ的下行链路峰值数据速率和５０Ｍｂｐｓ的上行链路峰值数据速率，且支持３５０ｋｍ ／ ｈ移动的数据通信。
ＬＴＥ标准还提供了极大的频谱灵活性，支持从１．４～２０ＭＨｚ ６种不同系统带宽，而且可以运行在不同的频段。与３Ｇ系统相比， ＬＴＥ系统在改善小区边缘用户的性能和提高小区容量同时，还降低了系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于５ｍｓ ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于５０ｍｓ ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于１００ｍｓ 。此外， ＬＴＥ系统支持１００ｋｍ 半径的小区覆盖，并支持自适应调制与编码技术。２００８年３月，国际电信联盟无线电通信部 （ＩＴＵ － Ｒ ）为４Ｇ标准制定一组...
篇三：高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展
论坛ZTE TECHNOLOGY JOURNAL中兴通讯技术2021 年 8 月第 27 卷第 4 期
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No. 4441 发展铁路新一代移动通信的背景及意义从2016 年开始，中国铁路进入高质量发展阶段。截至2020年底，铁路新一代移动通信的挑战与思考Challenges and Perspective of New Generation of Railway Mobile Communications钟章队 /ZHONG Zhangdui 1,2,3 ，官科 /GUAN Ke 1,2,3 ，陈为 /CHEN Wei 1,2,3 ，艾渤 /AI Bo 1,2,3（1. 北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，中国 北京 100044；2. 北京交通大学 宽带移动信息通信铁路行业重点实验室，中国 北京 100044；3. 智慧高铁系统前沿科学中心，中国 北京 100044）(1. State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University,
Beijing 100044, China;2. Key Laboratory of Railway Industry of Broadband Mobile Information Communications, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;3. Frontiers Science Center for Smart High-Speed Railway System, Beijing 100044, China)摘要：铁路新一代移动通信将面向铁路全场景、全业务、全链接、强安全，不仅有望完全取代既有系统，还能为列车自动驾驶、列车安全视频监控等业务提供高速信息传输服务，是铁路物联网的信息承载平台和高速铁路运行安全保障的基础。感知 - 通信 - 计算一体化、数智融合、新型阵列理论、新材料物理电磁特性为铁路新一代移动通信发展提供前沿应用基础理论支撑；“大智移云物”技术群、区块链技术、高精度无线网络规划与优化、建筑信息模型（BIM）与增强现实（AR）融合技术以及数字孪生将为铁路新一代移动通信发展提供技术保障。在当前和未来的落地应用中，铁路新一代移动通信系统需要树立“可管、可控、可信、可视、可靠、可测”的六大设计理念，需要解决频率资源有限和新需求不断涌现之间的矛盾，高速移动性与可靠性问题，以及综合轨道交通枢纽集群与场景独特性带来的挑战，需要厘清在技术体制、公专共存、异构网络协同等方面存在的开放性问题。关键词：高速铁路；5G；新一代信息通信技术Abstract: The new generation of railway mobile communications will be oriented to all railway scenarios, all services, all links, and strong security. It is expected to completely replace the existing system, and can provide high-data rate mobile channels enabling automatic train driving, train safety video monitoring, etc. Moreover, the new generation of railway mobile communications will be the information platform of the railway Internet of Things and the basis for the safety of high-speed railway operations. The integrated sensing, communication and computing, the digital intelligence fusion, the new array theory, and physical electromagnetic properties of new materials provide frontier applied basic theoretical support for the development of new generation of railway mobile communications; the technical group of “big data, artificial intelligence, mobile communication, and cloud computing”, the blockchain technology, the high-precision wireless network planning and optimization, as well as the fusion of building information model (BIM) and augmented reality (AR) will provide technical support for the development of the new generation of railway mobile communications. In the current and future implementation of the new generation of railway mobile communication systems, it is necessary to establish six design concepts of “manageability, controllability, credibility, visibility, reliability, and measurability”, and to address the challenges resulting from the contradiction between limited frequency resources and the continuous emergence of new demands, the high-speed mobility and reliability, as well as the comprehensive rail transit hub clusters and the uniqueness of scenarios. Last but not least, it is of importance to explore the open questions such as selection of technical systems, co-existence of public and dedicated networks, and heterogeneous network collaboration.Keywords: high-speed railway; 5G; new generation of information and communication technologyDOI：10.12142/ZTETJ.202104009网 络 出 版 地 址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1228.TN.20210722.1617.012.html网络出版日期：2021-07-23收稿日期：2021-06-24中国高铁运营里程达 3.79×10 4
km，稳居世界第一。城市轨道交通也成为国家大力发展的“新型基础设施建设”的重要领域。2019 年国务院发布《交通强国建设纲要》，要求到 2035 年基本形成现代化综合交通体系；2020 年中国国家铁路集团有限公司发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，提出到 2035 年形成 7×10 4
km 的现代化高速铁路网，率先建成智能高铁，加快实现智慧铁路。与此同时，世界各国也纷纷提出铁路数字化与智能化发展的战略规划。通过采用新一代信息通信技术来大幅提升铁路运输组织效率效益，优化客货运输服务品质，提高铁路运输安全水平，已成为各国铁路新一代移动通信的挑战与思考 钟章队 等基金项目：中央高校基本科研业务费（智慧高铁系统前沿科学中心）（2020JBZD005）；国家自然科学基金（U1834210、61771036）。
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No. 445铁路发展的必由之路。铁路智能化已经成为世界铁路未来发展的重要方向。移动通信系统是列车行车安全、运营维护和旅客信息服务的中枢神经。目前，列车调度指挥、中国列车运行控制系统第 3 级（CTCS-3）列车运行控制信息、列车调度命令、无线车次号校核信息、信号设备动态监测信息等应用业务，都是由铁路窄带移动通信系统（GSM-R）来承载的。然而，GSM-R 存在承载能力不足、频段干扰严重、生命周期正走向终结等问题；铁路宽带移动通信系统（LTE-R）在京沈高速铁路的实测显示，在 450 MHz 频段、5 MHz 带宽和350 km/h 的速度运行状态下小区边缘的传输速率仅为 10 Mbit/s，无法满足未来智能高铁所需的全面态势感知、泛在互联以及智能快速决策的需求。智能高铁的行车和运营维护应用中的铁路多媒体调度通信、车载及轨旁高清视频监控、增强现实（AR）/ 虚拟现实（VR）远程检测及诊断、大规模传感器应用等，催生了新的列车运行控制及铁路安全相关业务、大带宽业务、铁路物联网业务，对铁路新一代移动通信系统的可靠性、频谱利用率、能量效率、带宽等均提出更高的要求[1] 。1.1 国际相关情况铁路新一代移动通信技术得到业界的密切关注。国际铁路联盟（UIC）倡导铁路数字化转型，提出创建未来铁路移动通信系统（FRMCS），并且明确了针对铁路用户的六大类应用的通信需求，包括通信对象、带宽、时延、可靠性、速度等。除中国外的其他国家相关铁路实验室对铁路新一代移动通信保持开放的态度，虽未披露建设和发展规划，但已开始理论研究、技术论证和工程试验。2019 年 9 月，德国联邦铁路公司（DB）的 5G 列车移动实验室首次使用基于 5G 技术的设备对无人驾驶的列车进行远程控制测试，并在同年 11月，开始研究从 GSM-R 向 FRMCS 的演进，并在汉堡市郊铁路进行 5G 铁路运营网试验，包括承载列车控制信息传输和自动驾驶试验；2019 年 11月，法国国家铁路公司（SNCF）与诺基亚公司签订合作伙伴协议，旨在共同创建 5G 铁路实验室，在实验室以及铁路环境中对 FRMCS 的性能进行全方位的评估，以便为铁路通信系统向更新、更高性能的无线通信标准过渡做准备；2020 年 3 月，瑞士联邦铁路（SBB）在智能铁路 4.0 项目框架下，建立 FRMCS 的频段试点，旨在定义 FRMCS 的技术标准，并计划 在 2025 年 用 FRMCS 取 代 当 前 的GSM-R，以大幅提高铁路基础设施的安全性、可用性和生产效率；2019年，在西班牙巴塞罗那 5G 实验室（5G Barcelona）、加泰隆尼亚铁路（FGC）、加泰罗尼亚政府、巴塞罗那世界移动通信基金会（MWCapital）和沃达丰公司的共同合作下，西班牙建立 5G 铁路实验室，对铁路 5G 关键技术和应用进行研究和挖掘；2020 年 11 月，由欧盟“地平线 2020 计划”资助的5GRAIL 项目正式启动，旨在通过开发和测试用于轨旁基础设施和车载设备的 FRMCS 原型，验证首个 FRMCS 规范；2020 年 12 月，日本移动通信公司（NTT Docomo）和 JR 东日本铁路公司，利用新干线 ALFA-X 试验车，成功实施 360 km/h 高速移动条件下的 5G 通信试验；2020 年 1 月，韩国铁路研究所（KRRI）与 SK 电信（SK Telecom）签署技术合作协议以开发全球首个使用 5G 通信的智能列车控制系统，并在 2020 年底宣布基于 5G 列车自动控制技术的测试取得成功。1.2 中国相关情况当前，随着京张智能高铁、京雄智能高铁的开通，中国铁路正快速迈入智能化、智慧化阶段。在国家“交通强国”和“新基建”战略下，铁路信息通信技术融合发展成为趋势。2019 年 9 月，中共中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》，提出到2035 年，基本建成交通强国，到 21 世纪中叶，全面建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国。作为《交通强国建设纲要》的细化和实化，2021 年，中共中央、国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》，提出到 2035年基本建成规模约为 70×10 4
km 的现代化高质量国家综合立体交通网，其中，铁路约为 2×10 5
km，是国家综合立体交通网的主干。交通运输部发布《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》（2020 年 8 月，交 规 划 发〔2020〕75 号）， 提 出 到2035 年，交通运输领域新型基础设施建设取得显著成效，泛在感知设施、先进传输网络、北斗时空信息服务在交通运输行业深度覆盖，行业数据中心和网络安全体系基本建立，智能列车、自动驾驶汽车、智能船舶等逐步应用。国铁集团发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》（2020 年 8 月，国铁集团〔2020〕129 号），提出到2035 年，中国将率先建成服务安全优质、保障坚强有力、实力国际领先的现代化铁路强国；发布《国铁集团关于加快推进 5G 技术铁路应用发展的实施意见》（2020 年 8 月，国铁集团 铁发改〔2020〕144 号），以推进铁路5G-R 专网建设和 5G 公网应用；发布《智能高速铁路体系架构 1.0》（2020年 9 月，国铁集团 铁科信〔2020〕159号），从顶层设计出发制定智能高速铁路体系架构；发布《铁路 5G 技术应用科技攻关三年行动计划》（2020 年铁路新一代移动通信的挑战与思考 钟章队 等。
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No. 44612月，国铁集团 铁科信〔2020〕222号），提出到 2023 年完成铁路 5G 专网关键技术攻关和主要专用设备研制，开展安全保障、出行服务等领域急需业务试验验证和试用考核，完成 5G 专网主要技术标准制定，为开展铁路 5G 专网建设和业务应用奠定基础。在国家各项政策引领下，新一代铁路信息通信系统的各类新应用对移动通信系统的带宽、时延、可靠性、安全性提出更高要求，大量应用对彼此之间的信息共享、专业互动提出新的要求，对建设统一信息通信平台提出新的需求。此外，铁路专用移动通信系统在承载业务、性能指标方面对可靠性和安全性要求较高，不同的业务需要灵活、动态的定制化设计和协同优化。针对有限的铁路专网频率资源，以及高速移动性对频谱效率与可靠性的影响，需要加快通信网络技术的跃迁，开展面向铁路全场景、全业务、全链接、强安全的铁路新一代移动通信技术研究。2 铁路新一代移动通信技术国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）在 2017 年 6 月发布的技术报告中，梳理了目前全球针对铁路新一代移动通信系统的研究工作。未来，如果要解决铁路高清晰度视频监控、基础设施安全隐患识别、运营控制系统的智能化等铁路安全运营的核心问题，铁路新一代移动通信系统不仅要满足传统的增强移动宽带（eMBB）需求，还要满足海量机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（URLLC）需求。按照当前的发展趋势来看，以 5G 为代表的新兴无线通信技术无疑为铁路新一代移动通信系统的发展提供了全新动力。以 5G 为依托，铁路新一代移动通信系统可以在移动通信质量、接入设备数目、高数据速率可靠传输方面得到进一步改进。除此之外，5G 的出现与应用，可以帮助铁路新一代移动通信系统在获取卫星辅助数据、实时监测列车运行状态等方面取得进一步提升。铁路新一代移动通信系统的建设可实现高速移动场景下信息高效可靠传输，创建新型网络智能协同计算与信息分发体系，构建融合铁路物联网在内的全链接铁路信息通信网络，支持大容量数据传输及海量铁路设备接入，全面提升铁路信息通信系统的性能。接下来，我们将从应用基础理论前沿、技术应用前沿、工程前沿 3 个层面介绍铁路新一代移动通信系统面临的机遇与挑战。2.1 应用基础理论前沿（1）感知 - 通信 - 计算一...
篇四：高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展
通讯及安全 本栏目责任编辑：代 影Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术 第12卷第21期 (2016年7月)当前高速铁路移动通信系统关键技术的演进及发展探析张仁美（贵州轻工职业技术学院，贵州 贵阳 550002）摘要：高速铁路自诞生之日起，就伴随着对移动通信的承载需求，一部分需求来自高速列车的列车控制与调度系统，这是高速列车的核心；另一部分来自于乘客需求。在过去，GSM-R技术是比较主流的高速铁路移动通信技术，除此之外，国外比较有代表性的还有TGV和ICE等应用的移动通信系统。我国高速铁路移动通信技术的发展并没有经过很长时间，但目前正考虑取代GSM-R技术的移动通信关键技术。未来，随着5G时代的临近，基于5G的高速铁路移动通信技术将成为发展趋势，而高速铁路无线网络接入系统也将在不久的将来投入运营。关键词：高速铁路；移动通信；现状；演进；发展中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2016)21-0063-021 国内外高速铁路移动通信技术发展现状1.1 国外发展现状目前，国外比较先进的高速轮轨交通系统通常采用高速列车移动通信系统，除了为列车提供必要的控制及合理调度之外，还面向旅客，使旅客能够通过此系统接入互联网。最常用的技术为GSM-R（综合专用数字移动通信系统），此外，还有ICE（城际快车）和TGV（高速列车）以及新干线所采用的的移动通信技术也比较具有代表性。目前最主流的移动通信技术还是GSM-R，此技术来自于欧洲先进国家，最开始被部署于北欧及南欧主要国家，目前主要采用此技术的国家和地区除了欧洲主要国家外，还包括中国和印度。1.2 国内发展现状就目前来看，国内仍主要采用GSM-R技术，此技术初期被应用于青藏线、大秦线以及胶济线等线路上，后来又被应用于各大动车和高铁线路和重载线路。除GSM-R技术外，还应用了LTE-R（长期演进移动通信系统）技术，此技术主要被应用在朔黄重载铁路线上，也就是承载列车级车同步操控数据的列车控制业务传输。至于中国台湾地区则主要采用WiMax（全球微波互联接入）技术，但此技术已经不符合当前主流，因此正考虑采取LTE-R技术取代WiMax技术。2 高速铁路移动通信技术的演进2.1 专用移动通信系统的发展高速铁路专用移动通信系统是为适应当前铁路提速潮流而生的通信系统，不可否认的是，GSM-R在曾经很长的一段时间内都起到了至关重要的作用，长期以来，高速铁路移动通信系统都是以商务化的、成熟的GSM-R系统为技术标准，它有效提高了高速铁路的运营管理效率，并节省了大量建设及运营成本。但不管怎么说，此技术毕竟是来自于上世纪末的通信技术，虽然在多年时间里都可以适应高速铁路的通信要求，但随着高速铁路在运行速度方面的显著提升，到如今GSM-R技术已经无法有效应对复杂的高速铁路运行状况，目前，GSM-R技术已经开始暴露出大量的缺陷，并且由于其技术瓶颈无法突破，技术升级也变得不现实。并且，GSM-R已经难以承载高速铁路将来智能调度和视频监控等高数据速率业务 [1] 。为了解决这一现状，各厂商已经开始部署未来几年内GSM-R技术的演进战略，至多在2025年，GSM-R技术相关设备的升级与维护工作将完全停止。2.2 专用移动通信系统关键技术列车控制和列车调度业务是高速铁路移动通信系统的主要业务范围，但高速铁路将来的智能化调度和视频监控等高数据速率业务将成为主要服务内容，并且还将拓展针对旅客的服务。信息安全是将来专用移动通信技术的关键技术之一，如果不能彻底处理好安全问题，那么高速铁路将难以实现面向旅客的服务基础，从而无法实现更大程度的盈利。在GSM-R演进至LTE-R的过程中，有几个关键的技术应用是值得深入探讨的：第一是高速铁路的移动传播信道建模；第二是信道估计与建模、多普勒频移估计与补偿；第三，信道状态信息；第四，移动性管理；第五，干扰抑制以及抗干扰技术；第六，多天线及智能天线技术；第七，QoS（端至端）保证机制。3 高速铁路移动通信技术的发展3.1 基于5G的高速铁路移动通信技术1）基于5G的高速铁路无线信道建模以现在的技术水平来看，高速铁路在运行环境方面，对散射环境的要求并不复杂，并且多径数量也很少，LOS（服务水平）特征性较明显。显著地LOS特征就意味着更小的多径时延扩展或者更宽的想干宽带，也就是说通信环境将更优质。当然，移动速度过快将极大地增强多普勒频移的情况，但LOS依然可以显著降低这一现象。2）基于分布式网络和云的架构收稿日期：2016-07-05作者简介：张仁美（1986—），女，云南昭通人，助教，学士，研究方向：通信技术。E-mail: jslt@dnzs.net.cnhttp://www.dnzs.net.cnTel:+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术Vol.12, No.21, July 201663DOI：10.14004/j.cnki.ckt.2016.2862网络出版时间：2016-08-31 15:25:07网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1205.TP.20160831.1525.060.html
本栏目责任编辑：代 影网络通讯及安全Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术 第12卷第21期 (2016年7月)当前网络基站的实际资源使用率非常低，基站的位置决定了资源的使用状况，在高速铁路的环境中会产生相当显著的潮汐效应。而为了保证铁路在运行状态下的安全性，只能采取较大时间间隔发车的方法，如此一来，在同时段内，同一线路上运行的列车数量就会非常少，浪费资源。采用云无线接入网络架构就能有效解决这一难题，它的主要思想是集中基站间共用的资源到某一基带处理池中，然后集中控制这些资源。3）控制面和用户面分离如图1所示，一般情况下，服务基站和接入用户之间会存在两个平面的连接，也就是控制面和用户面，在这之中，控制面是承载用户与接入网的控制指令的，而用户面则是处理业务数据传输功能的。当控制面的覆盖范围能够满足移动范围时，用户整体的移动性就都得到了保障。所以，在此结构中，用户的控制面会被保留于低频频段，因为次频段具备优质的传输性能，并且覆盖的范围也非常广泛。
[2] 。可是如果要考虑成本问题，这一频段也可以采取利用LTE-R遗留频段的方法已达到目的，但同时真正的用户面就应被搬离出去。应将数据的承载者放置在高频段处，以此扩大系统的容量。图1 基于控制面和用户面分离的异构高速铁路无线网4）频谱融合的异构网技术就目前来看，可以采用增强频谱效率或扩大系统带宽的方式来提升系统所需的容量，当然，在这两种方法当中，采用扩大系统带宽的方法当然是最简单有效的。当然，合理利用非许可证频段是5G高速铁路移动通信增加带宽并提升系统容量的主要方法。此技术可能会遇到一些比较严重的挑战，例如协调方案受到干扰等，为妥善处理这一问题，建议分为两步进行，第一步，进行信道质量检测，检测应在接收端完成；第二步，对信道进行筛选，选择出满足最低要求的信道。5）多天线及分布式天线技术目前比较可行的方案为：大幅度增添车载台的天线阵列组数量，然后合并信号，此后再将不同组别天线阵列的权重进行适当调整，通过这种方法可以将不同天线阵列之间的关联性作改变。经过这些调整之后，LOS就能在高速铁路的环境下显著提升其系统容量。当前，高速铁路移动通信所要面对的最严重的问题就在于越区切换，如果进行频繁的越区切换不利于列车运行安全，因此，应采取分布式天线的技术，以尽可能减少切换次数。6）多普勒效应及快速切换技术在高速铁路运行时，频繁切换是引起失误的主要原因，为此，高速铁路的移动通信系统应该采用中断时长短的快速切换技术 [3] ，此外，群切换也会存在一定问题，而这一技术应能够一并解决。以当下的情况来看，最好采用基于双播的切换方案。3.2 高速铁路旅客无线网络接入系统将高速铁路移动通信技术面向旅客服务，除了方便和丰富旅客的车上生活以外，还能为该系统创造更大的收益。但是，普通旅客的手机设备是难以处理这样复杂的信号的，并且，即使可以处理，也需要较大功率，而这并不是普通手机所具备的，因此，采用将手机设备直接接入专用移动网络的方法是不可取的。可以重新建立起下车地间宽带数据接入移动数据传输链路，在车内安装WiFi等系统，为旅客提供安全稳定的移动网络服务。4 结语总之，我国在高铁的硬件建设方面虽然领先全球，但对于高速铁路移动通信技术的掌握还不够成熟，因此，我国应具有一定的前瞻性，尽快研发更安全可靠、传输性能更优质的专用移动通信技术。参考文献：[1] 李顺熠. 对中国铁路移动通信系统演进的认识[J]. 电子世界, 2014, 36(4).[2] 方旭明, 崔亚平, 闫莉，等. 高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展[J]. 电子与信息学报, 2015, 37(1).[3] 薛晓勇. 高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展[J].信息通信, 2015, 29(9).64
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