高鐵移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)和挑戰(zhàn)

21世紀(jì)什么最重要？當(dāng)然是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)?。?！

可是最近很多朋友都在吐槽：都進(jìn)入5G時(shí)代了，為啥乘坐高鐵時(shí)上網(wǎng)還這么慢？

不妨先來(lái)了解一下：為了提高通信質(zhì)量，高鐵移動(dòng)通信技術(shù)是如何演進(jìn)的？ ? ? ? 高鐵移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn) ? ? GSM-R??

目前，GSM-R是我國(guó)鐵路全面使用的專用數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)。 GSM-R是GSM技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的延伸，沿襲了GSM基本功能。 不同之處在于，GSM-R服務(wù)于鐵路系統(tǒng)，這就意味著它對(duì)如下問(wèn)題更有針對(duì)性： 列車高速前進(jìn)所帶來(lái)的信號(hào)快速衰減、頻移現(xiàn)象 列車經(jīng)過(guò)隧道、山谷等特殊地形條件下的信號(hào)覆蓋問(wèn)題 基站小區(qū)之間的切換頻繁帶來(lái)的系統(tǒng)效率低下

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然而GSM-R是一種窄帶通信系統(tǒng)，工作的頻譜只有窄窄的4 MHz。在這個(gè)頻譜范圍內(nèi)，大部分的頻譜用來(lái)承載語(yǔ)音（打電話）業(yè)務(wù)，少部分用來(lái)承載數(shù)據(jù)（上網(wǎng)）業(yè)務(wù)，這就導(dǎo)致我們?cè)诟哞F上網(wǎng)時(shí)常常網(wǎng)絡(luò)卡頓。

LTE-R?

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求越來(lái)越高，GMS-R已經(jīng)無(wú)法滿足需求，產(chǎn)業(yè)鏈萎縮，鐵路通信逐漸過(guò)渡到了 LTE-R。

LTE-R使用調(diào)制技術(shù)提升了網(wǎng)絡(luò)速度和容量，無(wú)論是傳輸技術(shù)還是系統(tǒng)架構(gòu)，都有很大的革新。

不僅完全繼承了GSM-R的全部業(yè)務(wù)，提升了鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性和高效性，而且可為用戶提供多媒體集群調(diào)度、可視電話、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、客運(yùn)綜合信息發(fā)布等功能。

此外，LTE-R的語(yǔ)音解決方案能夠?yàn)槁每吞峁└鼮樨S富的數(shù)據(jù)體驗(yàn)和更多更準(zhǔn)確的常規(guī)化增值服務(wù)。

5G-R?

后來(lái)，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司也啟動(dòng)了鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)相關(guān)的研究工作，針對(duì)鐵路5G專用移動(dòng)通信（5G-R），明確了研究計(jì)劃及建設(shè)目標(biāo)。

5G-R的主要業(yè)務(wù)類型以下兩類。 行車類應(yīng)用：調(diào)度通信、行車調(diào)度命令、CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)以及自動(dòng)駕駛等； 運(yùn)營(yíng)維護(hù)類應(yīng)用：運(yùn)維語(yǔ)音、運(yùn)維數(shù)據(jù)及運(yùn)維視頻。 5G-R承載的業(yè)務(wù)仍然以行車應(yīng)用為主，對(duì)設(shè)備安全性、可靠性要求高。 未來(lái) 5G-R 在鐵路系統(tǒng)中的三大應(yīng)用場(chǎng)景：

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高鐵移動(dòng)通信技術(shù)的挑戰(zhàn) 鐵路通信系統(tǒng)發(fā)展得如此迅速，為什么我們?nèi)匀桓杏X網(wǎng)速慢？ 這是因?yàn)?G信號(hào)覆蓋高鐵場(chǎng)景雖然前景廣闊，但也面臨著諸多的挑戰(zhàn)。 01 信號(hào)的穿透損耗和傳播損耗大

高鐵列車車體多采用不銹鋼、合金等金屬全封閉式的結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)的車內(nèi)用戶直接與車外基站直接通信的架構(gòu)，使得信號(hào)在車內(nèi)穿透損耗較大、掉線率升高、切換成功率和連接成功率降低，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。 ?

02 多普勒效應(yīng)帶來(lái)頻偏 ? ? 多普勒效應(yīng)：物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高；在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。 在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以在移動(dòng)通信中要充分考慮多普勒效應(yīng)。 高鐵的速度越快，頻偏越大，也將使基站接收信號(hào)的性能下降。多普勒效應(yīng)是瞬時(shí)變化的，高速引起接收機(jī)的解調(diào)性能下降，這是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

03 瞬間網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大 ?

當(dāng)高鐵過(guò)境時(shí)，基站區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)劇增，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)高，用戶感知下降。

04 頻繁切換影響感知 ?

由于高鐵沿線基站單站覆蓋范圍有限，在高速行駛狀態(tài)下，列車穿越單站覆蓋所需的時(shí)間非常短。

在列車運(yùn)行中，為保持車地之間通信的連續(xù)性，需將通信鏈路從一個(gè)基站小區(qū)信道轉(zhuǎn)換到另一個(gè)基站小區(qū)信道。

因此，用戶在使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻繁的小區(qū)切換和重選，當(dāng)其無(wú)法滿足切換、重選所需的時(shí)間開銷時(shí)，極易出現(xiàn)切換慢、切換失敗、掉線等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，影響用戶感知。

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解決方案

01 如何解決信號(hào)的穿透損耗和傳播損耗大的問(wèn)題？ ?

采用移動(dòng)中繼技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，就是設(shè)置“中間轉(zhuǎn)發(fā)”性質(zhì)的設(shè)備，讓整個(gè)通信的過(guò)程分為兩個(gè)部分——外部基站與中繼設(shè)備之間，以及中繼設(shè)備與用戶之間。由中繼設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自基站和車內(nèi)用戶的信號(hào)。

02 如何解決多普勒效應(yīng)帶來(lái)的頻偏問(wèn)題？ ? 合理設(shè)置基站站址，降低多普勒頻移影響。在射頻單位進(jìn)行頻偏矯正/問(wèn)題，也就是基帶信號(hào)的處理問(wèn)題。 03 如何解決瞬間網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大和越區(qū)頻繁切換的問(wèn)題？ ?

小區(qū)合并：一個(gè)基站處理單元(BBU)連接多個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)，在邏輯上將多個(gè)小區(qū)設(shè)為同一小區(qū)，這樣就使“小區(qū)切換”變?yōu)椤靶^(qū)協(xié)作”，提高網(wǎng)絡(luò)性能、增大覆蓋距離、減少切換次數(shù)。

切換算法優(yōu)化：一般而言是對(duì)切換流程中涉及到的切換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效地預(yù)防乒乓效應(yīng)和無(wú)線鏈路的連接中斷，提高切換成功率。

鐵路專用無(wú)線通信正在向?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，相信在不久的將來(lái)，5G關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用將為鐵路無(wú)線專網(wǎng)的建設(shè)添磚添瓦。

在這之前，不妨放下手機(jī)，看看沿途的風(fēng)景。

編輯：黃飛

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