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高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展

来源:论文联盟  作者:刘涛 [字体: ]

高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展

1. 引言
  1.1 高速铁路移动通信技术在国外的发展情况
  高速铁路移动通信技术在国外经历了多年的酝酿、发展和成熟,具有较强的技术优越性。它不仅能够实现对高速列车的运行的有效控制,而且可以实现对旅客互联网接入的增值服务。通过建设以地面信号传输与空间卫星信号传输相结合的方式,以技术手段最大限度地减少信号的衰减,从而构建较为优良的网络系统,为高速铁路的各种实际需要提供信号传输服务的各种技术保证。
  从总体上看,国外发达国家的大型企业在发展出高速铁路交通配套化系统的同时,也同步生成和发展出了相应的高速铁路的移动通信系统。这类系统基本上是无线性质的,它的不仅能够为列车的调度、有序运行提供有效的技术支持和保障,而且还能向乘车的旅客提供各类的通信服务以及互联网信号的接入服务,大大丰富了旅客的出行生活的质量。这类的无线通信系统中具有典型性质的主要有铁路移动通信全球系统(GSM-R)、德国的城际高速铁路通信系统、德国与法国联合研发的TGV相关技术、Thalys的高速铁路移动通信技术以及日本新干线使用的相关高速铁路移动通信技术等。
  各种高速铁路的移动通信系统采用的技术路线和方案是迥然不同的。比如,德国的城际快车采用车载直放站技术,即以车载直放站作为放大无线通信信号的基站,提高列车的无线信号的接入质量。TGV技术方案,依托卫星通信技术的接入,实现由卫星信号与隧道和车站附近的WIFI中继器实现网络的无缝对接和全面覆盖。先由卫星系统进行信号的无线接入;当卫星信号不能达到高速列车内部时,转而由地面设置的信号中继器展开工作,接入信号,以保证信号与数据双向传输的正常进行。日本新干线版的高速铁路信号接入技术方案的核心是泄露电缆方案,即早期的WIFI级的泄漏电缆方案及其升级版。它的具体技术实施方法是,在高速铁路列车的轨道上平行安置同轴泄露电缆系统,以2种相对独立的信号传输的子系统分别为旅客信息和旅客的WiFi信号应用提供通道服务。此外,铁路移动通信全球系统为全球范围内应用中占据主导地位的高速铁路移动通信系统的关键技术,目前在欧洲、中国和印度等国和地区得到了广泛的应用。
  1.2 高速铁路移动通信技术在我国的发展情况
  我国的高速铁路移动通信技术是本文由论文联盟http://www.LWlm.cOM收集整理建立于铁路移动通信全球系统的应用的基础之上的。在该技术的实施早期,主要应用于一些主干的客运专线和重载线路。同时,还在朔黄重载线路等上使用了远程铁路演进系统,用于列车同步操作数据的传输与控制等的活动。
  台湾地区的高速铁路移动通信技术以日本的新干线的相关技术为蓝本,并考虑到了与远程铁路演进系统的兼容性问题,以便在必要时实现通信技术的有效、无障碍的转换。当然,我们注意到,日本的WiMax系统并非世界主流应用的技术,因此在实际的建设和使用中仍有可能面临较大的潜在风险。
  2. 铁路移动通信全球系统的技术演进路径初窥
  2.1 铁路移动通信全球系统的技术积累与历史贡献
  铁路移动通信全球系统经过长期的技术积累与技术演进过程,目前在商业领域已经成为了全球范围内的业内共识。它已经形成了标准化的技术体系,而且技术成熟度较高。因此,在高速铁路的通信系统中加以应用具有资本节约和技术通入无障碍的好处。其对于高速列车行进过程中的传输信号的自如切换与控制以及多媒体信号的平台整合功能亦值得高度的期待。
  与此同时,我们不能忽视铁路移动通信全球系统相关技术可能存在的技术保守性和滞后性。本项系统主要起步于20世纪的八十年代。随着无线通信技术的爆发式发展,铁路移动通信全球系统的技术滞后性无可避免。它主要表现在两个主要方面:首先,铁路移动通信全球系统具有窄宽带的特性,它无法满足高速铁路的智能化和多业务的需求,同时也无法承载数据传输的高速度的要求。其次,铁路移动通信全球系统无法摆脱其他商用通信网络的信号干扰问题,造成了信号杂质和干扰较大,影响了传输数据的信号质量。此外,通信技术已进入了代际的替换器,目前的常用的通信技术已逐步转为更为先进的5G技术等。除此之外,随着设备制造商的设备产品的升级换代,铁路移动通信全球系统的的相关设备供应以及维护升级也可能陷入无货可供的尴尬局面。由此可见,铁路移动通信全球系统的技术演进与延伸是一项刻不容缓的任务。为此,国际铁联组织需要作出中期的铁路移动通信全球系统技术演进规划。
  2.2 铁路移动通信全球系统的最新关键技术衍生与发展
  铁路移动通信全球系统原来是以列车的运行调度与自动控制作为功能设定的,因而对智能化和旅客的互聯网接入服务以及相伴而来的信息安全缺少前瞻性的考虑。因此,从原来的专门服务高速列车运行服务转到铁路业务与旅客信号接入的融合提出了技术上的挑战。以我国高速列车的满员乘客计算,一千多人同时顺畅地使用互联网接入信号将占用大量的宽带资源,这是目前存在的铁路移动通信全球系统所无法支撑的。为此,有必要在现有的通信基础设施和技术积累的基础上推进技术方案的演进过程,由政府相关部委牵头,联合实力雄厚的通信企业开展联合研究和技术攻关,规划至2025年和2035年的演进路线,为高速铁路移动通信技术的进步预留下充足的应用空间。目前,由远程铁路演进系统逐步代替现有的通信体系成为了被各方接受和认同的技术方案。
  3. 高速铁路移动通信技术未来发展方向的展望
  在确定从铁路移动通信全球系统到远程铁路演进系统的体系转变和技术演进路线的同时,我们应当进行相应的基础性研究工作,为大规模的产业化的布局夺得先声。在此过程中,我们应当重点关注高速铁路系统所呈现出的特殊性问题。
  3.1关于5G技术之于铁路铁路通信的关键技术的问题
  目前,5G技术被普遍视作下一代移动通信技术的发展方向。为此,我们应当依托5G技术展开高速铁路的关键性的移动通信的技术开发与研究。首先,要开展5G技术基础上的高速铁路的无线信道的建模,攻克高速铁路的散射信号场景,优化LOS技术与MIMO技术等的各自优势发挥等。第二,加强分布式网路与云架构的相关技术研究,掌握相关的运作机理,优化基带资源的使用。第三,深入研究用户面/控制面的异构高速铁路无线通信网络架构技术,更好地利用高频频段与低频频段,提供系统的整体性功能。第四,充分研究频谱融合的异构网技术,最大限度地利用好非许可证频段资源,实现干扰协调的最好匹配度。第五,做好多天线矩阵技术的相关研究,有效增加信道容量,增加接收信号的信噪比,增强信号传输的可靠程度。第六,研究与解决列车高速运动过程中的多普勒效应,实现信号的无缝切换。此外,还应加强对相关移动通信技术的借鉴,比如利用高速铁路电力接触网提高信号的可利用性。
  3.2 关于旅客无线网络接入高速铁路移动通信系统的相关问题
  设置高速铁路场景下的旅客无线网络接入有利于提高旅客良好的体验度,但是必须重构数据的传输链路,以车内信号接入系统与宽带车地无线通道的接力提供相应的优质服务。并且,在此基础上整合成一个信息的应用平台,借此提供多样化的服务,实现技术融合和功能融合。

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