（通信与信息系统专业论文）高速铁路宽带无线接入系统研究.pdf

中文摘要 摘要：近年来，随着信息化社会的逐步推进，我国高速铁路和轨道交通取得了举 世瞩目的成就。同时，高速列车与地面的无线通信( 包括列车控制信息和面向用 户的宽带无线接入业务) 需求也呈逐年上升的趋势。 目前，列车上的乘客使用的2 g 、3 g 无线蜂窝系统通信对高速移动环境的支 持较差，导致通话质量下降、掉话、数据速率严重下降的问题。本文从国内外现 今的技术入手，以3 5 高速运行宽带无线接入为研究对象，着重研究了高速 运行下宽带无线接入的系统架构并对其进行了可行性分析，为解决或减弱高速运 行带来了快速越区切换、多普勒频移、无线信道快速时变等提出了解决思路。 本文设计了一套高速铁路无线宽带接入网络系统架构，采用了目前在宽带无 线接入系统中已有成熟应用的w i f i 技术、w i m a x 技术和在高速移动环境下系统 中己广泛推广的r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 技术。由于w i m a 】【技术在高速移动环境 下使用还没有成功实践，本文对w i m a x 技术进行了深入分析并提出了一种适合于 高速铁路的w i m a x 传播模型；同时，本文基于r o f 技术的自身优势并结合了移动 小区技术的设计，在很大程度上降低了多普勒频移和快速越区切换对系统的影响。 本文对所提出系统架构进行了分析与仿真，得到了一些初步的结果。 图3 8 ，表1 3 个，参考文献6 0 篇。 关键词：；宽带接入；多普勒频偏；w i m a x ；r o f ；传播模型；移动小区 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i mm er a p i dd e v e l o p m e mo fi i l f o 衄a t i o n _ b a s e ds o c i e t y ，c h i n a r a i l w a yh 砂s p e e dh a sm a d er 锄破a b l ea 出e v e l l l e n t s a tt l l es 锄et i m e ，t 1 1 e r ei sa 1 1 a s c e n d i n g 仃e n df o rd e m a n dh i 曲s p e e d 仃a i n sa n dg r o u n dw i r e l e s sc o i i l i i l u l l i c a t i o n ， i n c l u d i n g昀i n c o l l t r o li n f o 肌a t i o na i l du s e r o r i e n t e db r o a d b a j l dw i r e l e s s a c c e s s b u s i n e s s a t p r e s e n t ， s e c o n d g e n e r a t i o n a i l dt l l i r d g e n e r a t i o n c e l l u l a rm o b i l e t e l e c o 瑚m u i l i c a t i o ns y s t e m si sp o o ri ns u p p o r t i l l gh i 曲s p e e dm o b i l ec o m m u i l i c a t i o n ， r e s u l t i n gi nr e d u c e dc a l lq u a l i t y ，d r o p p e dc a l l s ，s 砸o u sd e p l e t i o no fd a t ar a t e i nm i s p a p e rw ew i l lf o c u so nt h ea r c l l i t e c t u r eo f1 1 i 曲s p e e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t 锄 a i l di t sa i l a j y s i sa i l df e a s i b i l i t y ，w l l i c hi sd i r e c t e da tw i r e l e s sb r o a d b 锄da c c e s sb e 觚e e n 3 5 0 k m l la i l d5 0 0 k m 1 1 a n da l s o ，w ew i l lp r o p o s eas o l u t i o nt or e s o l v eo rr e d u c et h e p r o b l e mi nh i 曲s p e e dm o b i l ec o 舢m u l l i c a t i o n ，s u c h a sf 瓠th a i l d o 危t h ed o p p l e r f 沁q u e n c ys h i a ，f a s tt i m e v a r y i n gw i r e l e s sc h 咖e 1 b a s e do nw i f ia l l dw i m a xu n d e rb r o a d b a i l dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m ，a j l dr a d i o o v e rf i b e r ( r o f ) u n d e rh i 曲s p e e dm o b i l ec o m m u m c a t i o n ，w ep r 叩o s ea na r c h i t e c t l 】i 。e o nh i 曲一s p e e dw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s sn e 呐o r ks y s t e m a sw i m a xh a sn o tb e e n s u c c e s s 如la p p l yt oh i 曲s p e e dm o b i l ec o n l i i l u l l i c a t i o n ，w ew i l ld oa ni n - d 印t ha n a l y s i s o fw i m a xa n db u i l daw i m a xc o n d u c t i o nm o d e l 印p l i e dt oh i 曲s p e e dr a i l w a y i nm e s 锄et i m e ，w ew i l lu s et h ea d v a n t a g e st or o fc o m b i n e dw i t ht h ed e s i g no fm o b i l e t e c h n 0 1 0 9 yi nc o m m u n i t yt or e d u c ee f f e c to nt h es y s t e m m o r e o v e r ，p e r f o n l l a n c er e s u l t s o ft h e s em e n t i o n e da s p e c t sw i l lb ep r e s e n t e d t h et h e s i su s e s3 8 f i g u r e s ，13 t a b l e sa i l d6 0r e 衙e n c e s k e y w o r d s ：h i 曲- s p e e dt r a i n ；d o p p l e r 丘e q u e n c yo f f s e t ；w i m a x ；r o f ；p r o p a g a t i o n m o d e l ；m o b i l ec o 如m u n j t y c i a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 完成了硕士学位论文，我也要告别校园，走向工作岗位了。在此，谨向在研 究生学习期间帮助指导过我的师长和同学们致以诚挚的谢意，没有你们的帮助， 我不可能取得今天的成绩。 首先要感谢我的导师钟章队教授，他是我国通信领域内的知名专家，为我指 明了学习和研究的方向，并毫无保留的把多年积累的经验和知识传授给我。钟章 队教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助，并将对我将来的工 作产生巨大的积极影响。 实验室的金晓军、朱刚、熊磊、许荣涛、王一桂等老师对于我的科研工作和 论文都给予了很多指导并提出了许多宝贵意见，在此衷心的感谢各位老师。 感谢丁建文老师、林思雨师兄、何睿斯、高林毅、林凯峰、魏宏、钱金龙等 同学对于我在科研和工作以及生活中的帮助，让我度过了一个非常充实而快乐的 研究生时代。 感谢一直为我默默付出的父母，他们始终不渝的关心和帮助是我成长、进步 的源泉和动力。 最后，衷心的祝愿母校欣欣向荣，祝愿诸位师长身体安康，诸位同学事业有 成。在交大的求学生涯，是我人生中最宝贵的经历和财富。 1 引言 我国轨道交通建设正处于并将长期处于快速发展时期。铁路作为轨道交通领 域的重要组成部分，既是国民经济发展的基础，又是当前经济运行中的较薄弱环 节。所以，发展铁路交通行业符合我国近期发展以及长期可持续发展的要求n 1 。 1 1 选题背景及意义 随着信息化社会的发展，旅客愈发需要快速、随时、随地交换所需的各种信 息。但目前，行进中的旅客仍然是“信息孤岛 ，通常要在列车上渡过数小时甚至 数十小时的空闲时光。大多旅客非常希望能在旅途中使用移动电话、互联网、移 动电视并接受与旅行有关的公共信息服务等宽带无线接入业务。同时，旅客列车 宽带无线接入业务也是一个巨大的潜在市场，根据b w c s 研究预测畸1 ，旅客列车 每年宽带无线热点服务市场到2 0 1 1 年将达到近1 5 亿美元。中国2 0 l o 年铁路旅客 运输规模已达近2 0 亿人次田1 。并且随着信息社会的不断发展，在列车上有上网、 通信需求的旅客也越来越多，对中国来说，行进中的宽带无线通信服务市场前景 更为乐观。综合以上分析，提供行进中的宽带无线通信服务势在必行，旅客宽带 通信需求主要分为以下几个方面： ( 1 ) 车体内部信息服务 车体内部信息服务主要指列车为旅客统一提供的旅客信息系统( p i s ) 服务。 通过旅客信息系统分布于各车厢的显示器，旅客不仅可以了解到列车的运行状态 信息，还可以观看多媒体广告。然而，传统的旅客信息系统媒体播放器通常采用 视频录播形式，难以实现实时及应急内容的播放。未来的旅客信息系统将发展成 为实时的多媒体平台，可以通过铁路无线网络来提供实时的天气预报、公益广告、 影视娱乐节目、新闻报导等丰富的实时电视节目，还可以提供旅客前往目的地的 旅游信息，一方面有效的改善了用户的乘车体验，另一方面也为高速铁路发展带 来了新的盈利点。 ( 2 ) 车地信息服务 车地信息服务主要指旅客使用既有的信息终端应用列车提供的宽带无线接入 服务，可以继续使用地面已有的通信服务。 车地信息服务包括： a 移动语音接入业务( 包括2 g 、3 g 和4 g 等) ：主要为旅客提供多种制式的 移动通信终端接入服务，在高速移动环境下，无需升级终端，保证行进中的高接 通率和低掉话率； b 无线互联网接入业务：此业务可提供最为丰富的业务种类，因而也是国外高 铁技术较成熟国家在高铁运营中重视程度最高的业务。高速列车无线互联网服务 提供既有固定互联网提供的所有服务，包括网络浏览、视频会议、收发电子邮件、 移动购票、电子商务、在线视频点播、音乐和影视节目下载及网络游戏等； c 数字广播、数字电视服务：主要包括c m m b 、d m b t 、d a b 等数字广播和 数字电视接入服务。 ( 3 ) 运输通信业务服务 运输通信业务主要负责运输列车运行调度、安全监测、诊断维护及自动控制 等专业信息，该部分信息主要用于列车自身运行及与调度站之间的通信。 未来的高速铁路运输系统一方面应具有极高的运行速度，另一方面应该是一 个高度智能化、自动话、信息化的平台。为了在保证高速列车行车安全的同时保 证列车在路网中快速合理的调度，现有的高速铁路大多应用了一系列电子信息技 术成果，包括列车网络技术、自动运行控制技术和自动诊断技术等。上述技术都 要求行进中的列车、轨道沿线以及铁路控制中心之问建立具有实时性、高可靠性、 高移动性以及高安全保密性的宽带无线通信。 1 2国内外研究现状 随着高速铁路的不断发展、移动通信和互联网技术的不断成熟以及大量移动 终端的出现，人们愈发认识到为旅客提供信息服务的必要性和重要性。所以，在 保证高速铁路运营安全和效益的前提下，如何为旅客提供信息服务已经成为当前 高速铁路客运的热点问题。同时，对于高速铁路宽带无线接入的系统架构及关键 技术分析，国内外均已开展相关研究。 1 2 1 国外研究现状 近年来，国外在高速铁路宽带无线接入服务领域已取得具有里程碑意义的成 就： ( 1 ) 德国城际快车( i c e ) 无线接入 安德鲁公司为i c e ( i n t e rc i t ye x p r e s s ) 提供了一种基于车载直放站的新型无线 宽带接入解决方案口1 。正如大家所知，高速列车车窗对无线接入的影响非常明显， 急剧降低无线信号的穿透能力，导致无线网路覆盖不均匀，并致使掉话率增加。 同时，列车的高速行驶增加了切换的复杂度，在网络设备相对稀疏的地区尤为明 显。为了提高无线接入的安全性和可靠性，无线运营商需要安置更多轨旁基站， 但这是一笔非常大的投入，而选择在列车上安装车载直放站则更为经济。目前， 这种车载直放站已安装在2 5 0 辆i n t e rc 畸e x p r e s s 高速列车的1 5 0 0 个车厢上，在 整个h l t e rc i t ye x p r e s s 中占据相当大比重。并且，此直放站可以支持全球移动通信 系统f g s m 9 0 0 、g s m 1 8 0 0 和g s m r 频段上的5 个独立的g s m 网络，还包括4 家运营商和铁路通信网络系统) 。 ( 2 ) 日本新干线( s h i i l l 【a n s e n ) 无线接入 日本新干线高速列车在无线接入中广泛应用同轴泄漏电缆技术嘲。提供此项技 术的日本电话电报公司( n t t ) 首先东京一新大阪之间运行的“n 7 0 0 系”新干线列 车内提供互联网接入服务，具备无线局域网( l a n ) 接入功能的手机、个人电脑等移 动终端均可接入h l t e m e t 。要求使用该服务的用户必须是n t tc o m m l l l 】i c a t i o n s 、u o c o m m u i l i c a t i o n s 、软银电信( s o 舫a i l k t e le c l o m ) 、n t t d o c o m o 或者这些企业合作 商的客户。此项服务的可实现最大数据传输速度为2 m i t s ，在车厢内需要通过无 线局域网( l a n ) 连接，而从高速列车接入互联网则通过泄漏电缆。 ( 3 ) 法国高速列车( t g v ) 和t i l a l y s 无线接入 2 0 0 8 年3 月，乘坐t g v 的旅客已经可以在时速3 2 0 k i i l h 的高速列车上享受到 免费的初级无线接入( w i f i ) 体验，这在开创了此项技术历史的先河剐。t g v 列车 采用了一种基于双向卫星系统的无线接入技术：车载接入由覆盖隧道及车站的地 面w i f i 中继器和卫星共同实现。当到达卫星不能覆盖的区域时，w i f i 网络将起 主导作用，使下载和上传数据不致中断。2 0 0 7 年9 月，诺西通信公司、t e l e n e t 和 2 1 n e t 三家企业联手为t h a l y s ( 欧洲高速列车运营商) 部署高速列车的宽带因特网 接入系统。该企业联盟把卫星技术、通用移动通信系统( u m t s ) 技术、通用无线分 组业务( g p r s ) 与w i f i 热点的无线网络相结合，在时速高达3 0 0l ( 1 】：汕的跨境列车 上提供了不中断的i n t e m e t 连接。这项宽带无线接入服务被命名为“t h a l y s n e t ”。 拥有无线移动终端的乘客，只需将终端连接至w i f i ，并选择“t l l a l v s n e t ”，就可 使用浏览器，并通过网关实现因特网的免费访问。1 1 1 a l v s 高速列车无线接入主要 由三部分组成： a 车顶跟踪收发器，可通过双向卫星保障因特网接入； b 网络运行中心，主要进行数据和管理操作； c 地面中继，当列车通过隧道等被覆盖区域时，卫星连接被切断，无线网络连 接将切换至地面中继网络，如g p r s 、u m s 、g s m 等： d 每节车厢内还装有w i f i 设备，乘客可通过w i f i a n t e 皿a s a t e l l i t e 链路 接入网络。 为了比较世界不同高速列车无线接入技术的主要特点，表1 1 列出了各种技术 的主要参数比较。 表1 1 国外高速列车无线接入技术主要参数比较 t a b l e l 1n em a i l lp a m i n e t e r so f m o r ew l 韶8a c e s so f h i g h s p e e d 仃a i l lt e c l l n o l o g y 国家和地区德国日本法国 高速列车i c e新干线n 7 0 0 t g 、，门m a l y s 最高行驶速度( h i 以) 2 8 03 0 03 2 0 无线解决方案提供商a n d r e w ( 安德鲁公司)n t t ( 日本电话电报诺西通信公司、 公司) t e l e n e t 、2 1 n e t 无线接入技术g s m同轴泄漏电缆厂w i f i双向卫星 g p r s u m t s w i f i 上行传输速率( b s ) 1 m5 1 2 k 下行传输速率( b s )2 m2 m 中继车载直放站车载放轨道旁的固定中继 覆盖隧道及车站的地 大转发中继器面w i _ f i 申继器 1 2 2国内研究现状 我国铁路部门在进行类似的探索和研究的同时，也取得了丰硕的成果： 2 0 0 5 年1 2 月，神州亿品科技有限公司在北京一上海的时速达1 4 0l ( 1 】讹的快 速列车上进行了无线网络接入实验，利用c d m a 网络和无线局域网的捆绑作用， 使得h l t e m e t 网络基本覆盖高速列车n 叭。 2 0 0 8 年6 月，台湾工业技术研究院( i t r i ) 与台湾高速铁路公司( t h r s c ) 合作，与日本电报电话公司宽带小组( n t t b p ) 、日本电报电话公司( n t t ) 、康 宁公司( c o m i n g ) 和z y e x l 通信公司共同组成了国际企业联盟，该企业联盟旨 在使用w i m a ) 【技术来解决高速列车宽带网络接入问题。该联盟在台湾高速铁路线 上建立了一个移动w i m a ) 【示范系统并进行了相关测试，此系统是全球第一个建在 高速铁路上的移动w i m a ) 【示范系统，同时，此系统也将被作为全球高速环境接入 发展的参考。台湾工业技术研究院的目标是使台湾移动w i m a x 技术和设备达到世 界领先水平。该企业联盟还将在各种复杂环境下对系统和设备的安全性、稳定性 进行测试，其结果可能成为世界范围内的高速铁路宽带无线接入参考。康宁公司 4 作为全球领先的光纤和通信设备商，为台湾工业技术研究院提供了一种基于光纤 分布式的全新无线系统，并把它运用到了高速铁路w i m a ) 【中，这样一方面能够大 大提高接入的可靠性，另一方面在简化了布局的同时也扩大了无线覆盖范围n 1 | 。 1 3 论文主要工作及内容安排 随着信息技术的不断发展和进步，旅客对在任何时间、任何地点、任何环境 下使用宽带无线接入服务的需求日趋迫切，同时，旅客还对宽带无线接入服务的 速率和带宽以及服务质量提出了更高的要求。因此，许多不同的宽带无线接入技 术被实践并改进，但由于在3 0 0 l ( i i 沛移动环境下遇到的诸多问题及挑战，目前还没 有找到一种完全适合于高速移动环境的宽带无线接入技术及相关系统架构。本文 通过对w i f i 、w i m a x 和r o f 技术的系统研究，提出并探讨了一种在高速移动环境 下采用r o f 技术作为w i m a x 无线接入链路的系统架构并采用w i f i 技术提供车载无 线接入的方式以解决高速铁路宽带无线接入所遇到的诸多问题，并对相关技术及 系统架构进行可行性分析。具体安排如下： 第2 章对现有宽带无线接入技术进行了详尽分析，指出了现有技术在高速移 动环境下遇到的问题，并高速移动环境下宽带无线接入系统进行了需求分析，总 结了高速移动环境下宽带无线相关接入的特点，评估了现有无线通信技术应用于 高速移动环境下的性能及存在的问题。 第3 章对r o f 技术进行了系统分析。提出一个基于小区制的轨旁方案接入模 型以解决高速移动环境下宽带无线接入系统通常遇到的一系列问题。此方案基于 r o f 网络，利用r o f 技术的自身特点( 复杂处理单元集中在中心控制站) ，在很大 程度上减少了系统的开销，提高了系统的可操作性。另外，本章结合移动小区的 概念，提出一种可以随着列车同向、同速以固定频率保持连接的方案，与现有r o f 系统结合，从根本上解决了高速移动环境下的快速越区切换问题。最后，本章对 所提出的系统进行了论证和可行性分析，通过实验仿真，可以更加清晰的看出与 传统宽带无线接入技术相比，改进型r o f 系统的固有优势。 第4 章对目前在高速移动环境下作为最后一公里宽带无线接入的w i m a ) 【技术 进行了详尽介绍，指出了现有w i m a ) 【无线接入网络的不足，并对w i m a ) 【网络进 行了传播模型校正工作。在传播模型校正工作中，首先对传统传播模型进行了对 比和分析，选取了适合于w i m a x 技术的c o s t 2 3 1 h a t a 模型；随后从传播模型校 正的目的和方法等方面对这项工作进行了理论分析和论证；最后根据实验室条件 搭建了传播模型校正实验平台，并通过仿真软件的校正得到适合于w i m a x 网络的 传播模型。 第5 章对系统中列车收发终端和旅客移动终端间通信拟采用的、聃f i 技术进行 了详尽的分析，并设计了一套适合于整套系统架构的w i f i w i m a 】【系统，可解决列 车收发终端和旅客移动终端间数据传输的高速率和高带宽问题，同时探讨了 w i f i w i m a ) 【系统的信道分配方案问题。 第6 章提出了基于w i f i 技术、w i m a ) 【技术和i b f 技术的新型高速移动环境 下的宽带无线接入架构，并对其进行了实验验证。此模型一方面利用w i f i 技术和 w i m a ) 【技术自身特点，增加了系统带宽，为高速移动环境下提供宽带接入服务提 供了必要条件；另一方面利用了r o f 技术的自身特点，减少了沿线远端天线单元 的数量和开销，最重要的是很大程度上解决了高速移动环境下对通信系统影响最 为严重的快速越区切换和多普勒频移问题。 第7 章总结了全文，指出了下一步研究的方向。 6 2 高速铁路宽带无线接入特点分析 2 1现有无线通信技术特点及问题 目前，陆地无线接入主要有以下三种方式：一是利用蜂窝移动通信系统；二 是利用大区制通信系统( 如集群通信、数字微波通信和卫星通信) ；三是专用无线 本地环路系统。这三种接入方式若用于高速铁路宽带接入，各具优点和不足n 。 ( 1 ) 现有2 g 、3 g 无线蜂窝系统 现有的2 g 、3 g 无线蜂窝系统，利用现有轨旁基站直接和高速列车上的旅客 进行通信，主要具备如下优点： a 使用现有软硬件及相关技术，较易实现： b 可使用现有频段，无需重新申请。 但现有的无线蜂窝系统如表2 1 所示，是针对固定和较低速的无线接入系统设 计的，在高速移动环境下也存在一些固有缺点： a 带宽较低； b 越区切换次数过多，大大影响通信质量； c 。若使用现有2 g 、3 g 无线蜂窝方式直接接入高速列车，各运营商为抢占客户 并实现品牌效应，一定会大量建设无线蜂窝网络，浪费资源，导致重复投资。 ( 2 ) 卫星通信 采用卫星接入的优点是电波传输不受地表环境的影响，且覆盖范围大，可提 供较大范围内的宽带无线接入服务。但是卫星接入也存在一些现有技术难以解决 的问题u 引： a 比较典型的一点就是存在较大时延，大概有5 0 队6 0 0 m s ，对于一些对实时性 要求很高的移动通信业务( 如话音业务) 来说，是难以接收的： b 带宽难以满足现有无线通信系统的需求； c 覆盖质量很差。卫星宽带无线接入方式在室内和山区等较复杂环境下覆盖质 量很差，在隧道内几乎无法提供宽带无线接入服务； d 较易受恶劣天气的影响。当碰到雨雪、大雾等恶劣天气时，卫星提供的宽 带无线服务质量大大降低； e 通信费用较传统方式要高得多。 ( 3 ) 泄露电缆宽带接入 泄漏同轴电缆通信的基本设想，最初是由英国人于1 9 4 8 年提出来的。2 0 世纪 6 0 年代以后，伴随着电子信息技术的不断发展，在英、法、日等国相继研制成功， 直至今日它已成为矿井、隧道通信的一枝独秀。泄漏电缆是一种在同轴电缆外导 体纵向方向以一定间隔和不同形式开槽特制的同轴电缆。开槽旨在其电信号能量 能从电缆槽口处辐射出来，同样，外来无线电波也可通过开槽进行接收。开槽方 式取决于所使用的无线电波频段n 引。 泄漏电缆存在如下优点：泄漏电缆信号覆盖均匀，较适合隧道等狭小空间； 泄漏电缆本质上是宽频带通信系统，某些型号可同时用于c d m a 8 0 0 、g s m 9 0 0 、 g s m l 8 0 0 、w c d m a 、w i ，a n 等系统。 但是使用泄露电缆通信也存在会遇到缺点：价格昂贵且对硬件设备要求很高； 另外，泄露电缆很重，在桥梁等限重环境下铺设会影响施工设计；最重要的是泄 漏电缆通信在中继处几乎难以实现信号有效覆盖陋1 。 表2 1 现有宽带无线接入技术相关参数 7 r a b l e 2 1p 眦吼e t e r so f m e e x i s t i i l gc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r db r o a d b a n da c c e s s 系统制式 最高速度信道带宽数据速率( 理论最高) 业务 g s m g s m ：9 6 k b p s ( 语音) 语音 g p r s2 4 0 l 口 n l l2 0 0 k h zg p r s ：1 7 1 2 k b s 低速数据 e g p r s e g p r s ：4 7 3 6k b s 下行：1 4 4 m b s语音 w c d m a5 0 0 5 m h z 上行：5 7 6 m b s数据业务 c d m a 2 0 0 0下行：3 1 m b s语音 5 0 0k l n l l1 2 5 m h z l x e v 二d v 上行：1 8m b s 数据业务 下行：2 8 m b s 语音 t d s c d m a1 2 0 k m l l1 6 m h z 上行：1 2 8 k b s数据业务 、 ，i m a x 2 0 m h z 带宽 语音 1 2 0 1 7 5 2 0 m h z 8 0 2 1 6 e 7 0 m b p s 数据业务 部分频率 下行：3 1 m b s 语音 i t e1 2 5 2 0 m h z 5 0 0 b l 洫上行：1 8m b s数据业务 2 2高速铁路宽带无线接入系统难点 相对于陆地宽带无线接入，高速铁路宽带无线接入系统自身固有特点鲜明， 这些特点有些给系统设计带来困难，有些则可简化系统设计。 ( 1 ) d o p p l e r 频偏和快速d o p p l e r 变化 目前我国高速列车的最高运行速度超过3 0 蝴。高速运动带来的多普勒频率 偏移、信道快速变化给数据高速率传输可靠性影响很大n 引。当无线传输的中心频 率为2 4 g h z ，运行速度为3 6 0l ( i 】仉1 时，多普勒频偏达到8 0 0 h z ，信道快速时变特 性明显。特别对于t d d 通信系统，如果基站主载频为厶，移动终端接收到的信号 频偏为厂，则终端接收的信号频率为厶+ 鲈，并以该频率为参考基准进行上行信 号发射；当终端发射的上行信号到达基站天线时，接收频率为 + + 厂= ，= + 2 厂，导致上行链路频偏达到下行链路频偏的2 倍，这样会导致 基站难以解调终端的发射信号。所以高速移动带来的d o p p l e r 频偏，会严重影响通 信系统的性能。 表2 2 不同速度下的多普勒频移 t a b l e 2 2d o p p l e rs l l i f tw i t hd i 船嬲l ts p e e d 入射系数速度( k m h )频率偏移( h z ) 不考虑入射系数 2 0 01 6 8 3 0 0 2 5 0 4 0 03 3 3 5 0 04 1 7 考虑入射系数 2 0 01 1 8 3 0 01 7 7 4 0 02 3 5 5 0 02 9 5 ( 2 ) 快速越区切换问题 列车运行时速3 5 0 k m l l 时，每秒行驶约10 0 m ，越区切换时间按6 秒计算。u 1 ， 所需的切换距离是6 0 0 m 。如果切换不够快的话，服务质量可能会受到严重影响并 且掉到最小门限电平以下。在传统的高速铁路g s m r 系统中，越区切换为硬切换， 在切换过程中会导致数据传输的中断，因此为了保证数据传输及列车运行的安全 可靠，应尽量减少越区切换次数。影响g s m r 系统越区的因素有信道质量下降、 目标小区故障和越区切换参数的不合理设置。在网络设备和终端设备无故障的前 提下，移动台在两小区内频繁发生功率预算切换的现象，称为乒乓切换n5 | 。乒乓 切换的出现会占用系统资源、导致数据和语言传输的中断，在高速铁路通信中， 应避免此现象的发生。其产生原因为越区切换参数的不合理设置，图2 1 为g s m r 经典越区切换信令流程图。 i 一切苄执行f l 一一一1 一一一j 图2 1 b s c 内b t s 间越区切换流程 f i g u r e2 1 b t sh a l l d o v e r p r o c e d u r e ( 3 ) 带宽问题 为了预估将来的高速列车需提供多大的带宽，可以先计算一下高速列车上的 乘客数量，然后预估一下高速列车最大需要提供多高的带宽，假设列车上每位乘 客需提供的宽带无线数据传输带宽在不久的将来( 5 年内) 可以达到目前在固定环 境下的水平( 5 m ) 。目前的高速列车满员的情况下大概可以容纳l o o o 个左右的乘 客，在国内，高速列车在旅客流量较多的时段提供站票，这样一辆高速列车的满 员乘客数将达到1 8 0 0 人左右。在用户使用宽带无线服务的高峰时段，我们假设列 车满员且每位乘客均需要被提供无线接入服务，那么高速列车需要的最大带宽为 1 8 0 0 人5 m b 人= 9 g b ，当然这种假设比较极端，通常情况下需要的带宽总数可能 只有最高情况下的十分之一，大概为9 0 0 m 。但是在不远的将来，随着电子信息 技术的不断发展，每位旅客可能不满足与5 胁带宽的宽带无线接入服务，这样可 能需要2 g b 左右的带宽。但是现有的无线通信系统，无论是传统的蜂窝移动通信 系统，还是被国外普遍采用的卫星无线接入方式均无法满足如此高带宽的需求n 引。 1 0 ( 4 ) 车厢穿透损耗很大 “和谐号”动车组列车车身由铝合金和不锈钢材料制成，且为为全封闭列车， 车窗也采用特殊材质。与普通列车相比，动车车厢穿透损耗很高，这对网络覆盖 设计提出更高的要求。表2 3 是在中国常用的车体对无线信号的衰减n 8 | ： 表2 3 常用列车车体损耗参数对比 t a b l e 2 3c o 蚴o n 仃a i nb o d yl o s sp 砌m e t e rc o m p 碰s o n 车型 普通车厢( d b )卧铺车厢( d b )播音室过道( d b )综合衰减值 t 型列车 1 21 61 2 k 型列车 1 31 41 61 4 庞巴迪列车 2 42 4 c r h 2 列车 1 01 0 ( 5 ) 高速铁路旅客宽带接入的集中性和相对性 高速列车上旅客宽带无线接入可看作是集体接入，公众移动通信用户则是独 立接入。旅客集体接入具有运动速度和运动方向一致性的特点。另外和公众无线 接入不同，高速铁路宽带无线接入系统具有运动的相对性和绝对性等特点，即旅 客相对于车厢内部是静止的，而相对于地面是高速移动的u 引。 ( 6 ) 多径效应问题 在无线信道中，由于在信道中存在反射和散射体，导致发射端和接收端的信 号经过不同的传播方式，包括直射、反射和绕射三种，这也使得无线环境是一个 不断消耗信号能量的环境，导致信号幅度、相位和时间的变化。这些因素导致基 站发射波到达接收机时形成在时间和空间上的不同的无线电波，列车接收端接收 到的信号是这些不同路径、不同时间到达的信号的叠加，同相叠加时使信号加强， 这样，列车在这样的环境中运动时，接收信号的幅度将会出现起伏的急剧变化， 即产生了衰落。这是一种由多径引起的衰落，称之为多径衰落。 在铁路环境中，铁路沿线的各种反射和散射体都沿铁路两侧随机的分布，铁 路沿线的地形主要分为以下几种：山区、平原、桥梁、城区和涵洞、路堑、高架 桥、隧道、车站、市区等。当列车在平原地区行驶时，由于地形开阔，主要存在 地面反射，绕射、散射及其它反射都很弱，因而影响电波传播的因素较少；当列 车在山区、丘陵、多路堑区段行驶时，铁路沿线的散射体分布较多，电波会发生 复杂的反射、散射和绕射；当列车行驶经过车站或者在车站停留时，此时的传播 环境类似于市区的地形环境，不同的是，车站存在站棚，或者天桥和高架通道， 也会带来一些多径效应。多径效应会对电波传播产生很大的影响，小尺度衰落现 象明显。 ( 7 ) 覆盖环境复杂 一条理想的铁路线其区间平面应尽可能取直。普通铁路( 速度在2 5 以 下) 一般在平坦地带的铁路线以直线为主，对于复杂地形等障碍物会采用曲线路 线绕避。而高速铁路( 速度在2 5 蚴以上) 中，为了保证列车安全平稳运行， 线路区问尽可能取直线，不再绕避复杂地形【i9 1 。而我国幅员辽阔，地形地貌比较 复杂，所以在高速铁路线路会通过隧道、路堑和深沟等复杂地形。无线信号在这 些环境下的衰耗非常大，容易存在弱场区和无线覆盖盲区。对于隧道中或大桥上 基站等不能覆盖到的地方会引入直放站，解决了覆盖盲区的问题，但是直放站会 给基站引入3 d b 以上的噪声，使基站的覆盖半径减小。 2 3 本章小结 本章对现有宽带无线接入技术进行了详尽的分析，指出各种现有技术及系统 在高速移动环境下遇到的问题，得出现有无线通信系统无法满足高速移动环境宽 带无线接入需求的结论，同时，对高速移动环境下宽带无线接入系统进行了需求 分析，并对高速移动环境下宽带无线相关接入的特点进行了总结。 1 2 3r o f 技术分析及系统仿真 传统宽带无线接入技术在高速移动环境下可预知的困难都会在很大程度上影 响通信系统的质量，为解决这一问题，需要设计一种在高速移动环境下既能提供 高带宽服务，较高q o s 质量，又能减弱多普勒频移和越区切换对无线通信系统影响 的新型宽带无线接入系统。基于此，本章将提出一种基于r a d i o o v * f i b e r ( i b f ) 技术的宽带无线接入系统，并结合移动小区的概念，以规避或在较大程度上减弱 高速铁路无线通信系统遇到的问题。 3 1 r o f 技术简介及研究现状 3 1 1r o f 技术简介 光载无线通信r a d i o o v e r - f i b e r ( r o f ) 技术是应高速大容量无线通信需求，新 兴发展起来的将光纤通信和无线通信相结合起来的无线接入技术。其利用光纤代 替大气作为传输媒质来传输信号，r o f 系统中运用光纤作为基站( b s ) 与中心站( c s ) 之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号，光纤仅起到传输的作用，交 换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复 杂昂贵的设备集中到中心控制站，让多个远端基站共享这些复杂昂贵的处理设备， 进而减少基站的功耗和成本 5 5 】。通用的r o f 系统包含中心站( c o t r o ls t a t i o n ，c s ) ， 基站( c o t r o ls t a t i o n ，b s ) ，光链路和用户端四个部分。 3 1 2r o f 技术特点 r o f 系统应用结合了光纤通信技术与无线通信技术，充分利用了光纤通信系 统的巨大宽带传输，又具有无线通信技术能连接移动用户的特点。这种系统非常 灵活，适应于各种调制方式、各种载波频率。总之，r o f 光纤传输系统的最重要优 点有以下几点 5 7 】： ( 1 ) 低损耗 由于光纤具有低损耗特性，而r o f 技术使用光纤作为传输媒介，所以r o f 系统 中继距离长。 ( 2 ) 高带宽 r o f 技术使用光纤作为传输媒介，而光纤可利用的带宽约为5 0 0 0 0 g h z 。 ( 3 ) 无频率限制问题 利用r o f 系统，蜂窝半径小，频率复用率高；基站辐射功率低，无需使用昂 贵的频率复接系统，也可省去大功率放大器，进一步降低基站成本，增加了建设 大量价格便宜基站的可能性。 ( 4 ) 便于安装和维护 r o f 系统中，复杂昂贵的设备均集中在中心控制站，基站结构设备相对简单。 ( 5 ) 对无线信号格式透明 任何涉及频率、调制的变化不会引起基站设备的更换，因此，能容纳不同类 型的无线信号格式，完全支持无线网络向3 g 、b 3 g 和4 g 演进。 正是这些优点，使得r o f 技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系 统等领域有着广阔的应用前景【5 引。 3 2典型的r o f 系统 3 2 1r o f 系统构架 r o f 系统的目标是通过轨旁基站将复杂的无线通信信号传输给中心控制站， r o f 系统所说的轨旁基站指的是r a u s 单元( r e m o t e a n t e l l l l au n i t s ) 。昂贵的信号处 理设备，如调制、同步、解调、差错控制和扩展频谱设备等被集中在中心控制站， 这样这些复杂的信号处理设备就可以被多个r a u s 单元共享。为了实现有效的网络 管理，r a u s 单元被等距离( 如5 k m ) 安置，由于r o f 系统在中心控制站范围内的 连接是一个环型网，所以可以实现由一个中心控制站通过光纤来统一控制和监督 环路内的r a u s 单元。 图3 1 描述了r o f 系统的一个典型设计。一定数量的r a u s 单元被安置在轨道 旁，由一个光环形网络来实现r a u s 单元和中心控制站的连接，同一环路内的r a u s 单元可以实现由中心控制站统一控制。我们也可以理解成基站被安放在中心控制 站内，中心控制站利用它们通过光网络连接远端的r a u s 单元。这也意味着无线信 号在r o f 系统中传输不是由一个基站接收后直接传给相邻的另一个基站，而是首先 把无线信号传送给r a u s 单元，然后再传递给相邻基站。并且，环路内每个r a u s 单元由中心控制站的固定基站统一连接，它们可以具有相同的频率。 图3 1 带有r o f 的铁路基站系统设计 f i g u r e 3 17 n l es y s t e md e s i g i lo f m i l w a yb a s es t a t i o n 谢t hr o ft e c l l i l o l o g y 1 4 3 2 2r o f 系统的数据传输 在典型的r o f 系统中，无线数据业务是这样传输的： 在下行链路，射频信号可以被中心控制站在一定频率下进行统一调制，随后 将射频信号转化成光信号，然后将光信号通过光纤传递给远端的r a u s 单元，随后 再将光信号还原成射频信号，最后通过r a u s 单元将射频信号传递给高速列车上的 接收天线。在上行链路，高速列车上的发射天线将射频信号传输给r a u s 单元，由 r a u s 单元将射频信号转化为光信号，再通过光纤传递给中心控制站，再由中心控 制站对信号进行过滤和后续处理。 为了在下行链路准确的获得r a u s 单元的传输数据，中心控制站需要对列车进 行跟踪定位。由于列车运行方向和运行轨迹的可预知性，可以通过跟踪上行信号 的传输来实现对列车的跟踪定位。r a u s 单元通过捕捉上行数据传输方向来确定列 车的位置和行驶方向，然后通过预判确定下一个接收r a u s 单元，并且通过对列车 的实时跟踪，可以实现在一个时刻只有一个r a u s 单元与高速列车相连接。 3 3r o f 系统的越区切换 3 3 1r o f 系统的切换过程 每一次列车天线接收单元驶过已建立连接的r a u s 单元覆盖时，列车的天线 接收单元需要连接到下一个r a u s 单元以保持持续的通信连接，此时，发生了越 区切换现象。根据上述标准，越区切换速率将在小区半径减小时( 例如，减少到 1 0 0 m ) 急剧增加。而尽可能减少越区切换时间对于移动通信系统来说至关重要， 而若越区切换时间在1 0 0 m s l s 时，将会在很大程度上影响通信系统的持续性和稳 定性。由r o f 系统自身特性可知，r o f 系统所有复杂的信号处理工作均被安排在 中心控制站，可充分利用这一特点来减少系统的越区切换时间，实现快速越区切 换 5 i 】。 当列车穿过r a u s 单元覆盖的小区边缘时，越区切换过程将会被执行。越区 切换的目地是将无线移动通信数据和控制信道从目前正在与列车通信的黜w s 单 元( 就是通常说的“原来的”r a u s b s ) 转换到另一个r a u s 单元( 位于另一个 小区的) 和基站(