轨道交通车地间毫米波通信技术

随着高铁的迅速发展，铁路通信技术逐渐以“数字化”“无线移动化”“宽带综合业务”为其发展目标。因此，将宽带无线网络（Broadband Wireless Network，BWN）应用于高速铁路会是发展的热点：一方面，高铁的列车控制系统需要BWN 来保证列车运行信息（如视频监控信息等）的安全传输；另一方面，为高铁上的用户提供丰富的多媒体业务（如视频电话、在线游戏、视频会议等）也是一个热切的发展需求。随着智能手机和平板计算机等终端设备的普及，高铁旅客对列车车厢内无线宽带接入服务的需求也愈发迫切。

高铁移动通信的上述需求意味着高铁移动通信系统必须成为可以提供大容量、高可靠、高安全性语音、视频等数据传输的综合承载平台。如图1.1 所示，现有的铁路通信系统GSM-R（Global System for Mobile Communications for Railway）体系[1]主要基于第二代全球移动通信系统GSM（Global System for Mobile Communications），仅能提供语音业务和低速率业务，不能满足未来铁路通信发展需求，无论是对铁路的覆盖范围还是覆盖质量也均无法满足列车上用户的需求。而基于第四代通信系统 ── 长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统具有高速率、低延时、分组传输等特点，因此，将是最有希望应用于未来铁路通信的系统之一。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，作为LTE的关键技术之一，其在发送端和接收端都使用多个天线，并结合有效的无线传输技术和信号处理技术，从而高效利用无线信道的多径条件而建立并行传输通道，实现在发射功率和宽带都不增加的情况下数据传输速率和通信质量都加倍提高的目标。此外，下一代铁路通信LTE-R 网络以及基于5G 的铁路通信网络，在提升网络频谱效率、能量效率，增加网络密集程度，减少系统传输延迟，增强用户体验等方面均做出了很大的改进，并且都将对移动性的支持放到了很高的程度。LTE/LTE-R 网络可以支持350 km/h 的移动性，而未来的5G 网络将对移动性的支持提升到高达 500 km/h[2]，这对基于蜂窝网络构建的高铁移动通信系统而言是非常有利的。

图1.1　轨道交通无线通信系统演进(www.xing528.com)

为了满足高移动性下铁路及旅客不断增长的无线需求，并最终形成统一的语音、数据承载平台，必须研究与之对应的高铁移动宽带接入技术。但在高移动性下，无线信道经历快时变衰落，接收端信号存在明显的多普勒频移与扩展，强视距特性使多天线技术的优势很难发挥[3]。而且随着列车的运行速度增长而不断降低的系统性能也制约着高铁移动通信系统提供稳定连续的数据速率，对网络可靠性保障提出了挑战。铁路高数据速率和旅客的无线宽带接入服务需求需要高铁移动通信系统实现成倍的数据速率提升，但现有的蜂窝网络所使用的微波频段已逐步耗尽，且逐渐达到频谱效率理论极限[4]，这需要从其他角度进行考虑，以提供更高的数据速率传输。

因此，有必要对高移动性环境下如何通过利用不断出现的新型多天线、毫米波、波束成形及越区切换等技术来实现铁路及旅客大容量、可靠性、安全性传输问题进行深入的研究和探讨。