第43卷第1期2019年2月
北 京 交 通 大 学 学 报J O U R N A L O FB E I J I N GJ I A O T O N G U N I V E R S I T Y
V o l .43N o .1F e b .2019
收稿日期:2018-07-15
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(2018J B Z 102
)F o u n d a t i o n i t e m :F u n d a m e n t a lR e s e a r c hF u n d s f o r t h eC e n t r a lU n i v e r s i t i e s (2018J B Z 102
)第一作者：刘留(1981 )，男，云南昆明人，教授，博士，博士生导师.研究方向为无线信道测量与建模和时变信道通信信号处理.e m a i l :l i u l i u @b j
t u .e d u .c n .引用格式：刘留，裘陈成，刘叶，等.真空管道高速飞行列车车地无线通信技术[J ].北京交通大学学报,2019,43(1):146-156.
L I U L i u ,Q I U C h e n c h e n g ,L I U Y e ,e ta l .W i r e l e s sc o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g y f o rv a c u u m t u b eh i g h -s p e e df l i g
防止冷凝水h tt r a i n [J ].J o u r n a l o fB e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,2
019,43(1):146-156.(i nC h i n e s e )文章编号:1673-0291(2019)01-0146-11D O I :10.11860/j
.i s s n .1673-0291.2019.01.017真空管道高速飞行列车车地无线通信技术
刘 留，裘陈成，刘 叶，韩柏涛，李 铮，周 涛
(北京交通大学电子信息工程学院，北京100044
)摘 要：近几年，随着信息技术发展越来越迅速及其应用领域的不断扩张，交通技术的新变革也正渐渐冲破桎梏.真空管道高速飞行列车是一种新型轨道交通技术，可实现磁悬浮列车在接近真空的低压管道中高速运行.由于轮轨摩擦和空气阻力可忽略不计，因此高速飞行列车理论速度可达 4000k m /h .
本文基于最新的宽带无线通信理论与技术，针对真空管道高速飞行列车无线宽带接入应用场景，尝试
思考一套有效解决超高速移动无线宽带接入的理论与增强技术体系.初步在真空管无线接入㊁新型漏泄波近场耦合等方面形成系统的解决方案，为真空管道高速飞行列车的宽带接入提供理论与技术支撑. 关键词：真空管道高速飞行列车；无线宽带接入；漏泄波近场耦合中图分类号:U 285 文献标志码:A
W i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y f
o r v a c u u mt u b e h i g h -s p e e d f l i g
h t t r a i n L I UL i u ,Q I UC h e n c h e n g ,L I UY e ,HA N B o t a o ,L IZ h e n g ,
24baZ H O U T a o (S c h o o l o fE l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 1
00044,C h i n a )A b s t r a c t :W i t h t h e g r a d u a lm a t u r i t y a n d i n -d e p t ha p p l i c a t i o n s p o p
u l a r i z a t i o no f i n f o r m a t i o n t e c h -n o l o g y ,an e w t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y r e v o l u t i o ni sb r e w i n g .T h eh i g h -s p
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l e c -t e d ,t h e t h e o r e t i c a l s p e e d o f h i g h -s p e e d f l y i n g t r a i n c a n r e a c h 4000k m /h .A i m i n g a t t h e a p p l i c a -t i o n s c e n a r i o s o fw i r e l e s s b r o a d b a n d a c c e s s f o r h i g h -s p e e d f l i g h t t r a i n s i nv a c u u mt u b e s ,t h i s p a -p e r a t t e m p t s t o c o n s i d e r a t h e o r e t i c a l a n d e n h a n c e d t e c h n o l o g y s y s t e mb a s e do n t h e l a t e s t b r o a d -b a n dw i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n t h e o r y a n d t e c h n o l o g y t o e f f e c t i v e l y s o l v e t h e p r o b l e mo f u l t r a -h i g
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截止至2017年，中国已建成世界上最长的高铁网络，总长度超过25000k m，约占全球商业服务高速铁路的三分之二[1].世界上规模最大㊁技术水平最高的高速铁路体系也已在中国建成，中国正引领世界高速铁路发展的趋势.当轮轨高铁在中国快速发展的同时，下一代超高速交通技术 真空管道高速飞行列车(简称高速飞行列车)正逐步进入人们视野.
早在1904年，美国学者㊁现代火箭之父R o b e r t G o d d a r d就已提出 真空管道运输 设想.D a r y l O s t e r在20世纪80年代中期构思了真空管道交通的基本思想，在20世纪90年代完善了这一思想，并于1999获得了第一项专利.文献[2]提出一种 A-m e r i c a n M e t r o 方案，与瑞士的 S w i s s m e t r o
相似，基本思路是在地下通过搭建城际真空管道交通网络，该方案初步传递了真空管道交通实现思路. 2013年，特斯拉C E O㊁回收火箭项目的创始人E l o nM u s k发表H y p e r l o o p白皮书[3]，并提出 超级高铁 方案，极大地丰富了真空管道运输这一概念，真空管道交通也由此引起了人们的广泛关注.2017年5月，由E l o n M u s k发起并成立的H y p e r l o o p O n e公司在真空环境中完成了对其H y p e r l o o p技术的首次全面测试，在测试中，该公司采用磁悬浮技术的胶囊列车 X P-1 在内华达州测试跑道上达到了110k m/h.
国内方面,2014年5月，西南交通大学开发出世界上第一套用于高温超导磁悬浮列车技术演示的实验性高架环形管道试验线，并计划在部分高架环管中开发能以400k m速度行驶的车辆，研究所还在与政府就下一代磁悬浮管道系统的研究和开发进行协商，该系统中车辆的运行速度可达1200k m/ h[4].中航科工集团在2017年宣布研究 高速飞行列车 项目，高速飞行列车将是真空管道磁悬浮线路上运行的流线型㊁无引擎列车，速度为1000k m/h和2000k m/h的列车可用于城际网络，而速度为4000k m/h的列车则可构成跨国超快运输网络.
轮轨机械摩擦㊁气动阻力和噪声是阻碍轮轨高铁速度提升的三个主要因素，轮轨机械摩擦和粘着力对高速列车的安全行驶有重要的影响.稠密大气中气动阻力与速度的二次方成正比，实际测量显示，当列车速度超过400k m/h时，列车运行牵引力中气动阻力占比将超过八成；此外，列车运行引起的噪声将随速度的7次乃至8次方剧增，无论是对周边环境还是车内乘客而言都是难以承受的.受限于上述因素，
现行轮轨交通的临界速度为600k m/h.与
现行轮轨高铁不同，高速飞行列车可在真空管道内以低机械摩擦㊁低气动阻力㊁低噪声模式超高速行驶，不受上述因素限制.届时，旅客乘坐高速列车进行长距离旅行的时间将极大缩短[4]，因此运行于真空管道内的高速飞行列车是高速铁路未来的重要发展方向.
高速列车安全㊁高效地运行离不开无线通信系统的支持.在真空管道中，高速列车运行速度高达1000k m/h，因此对车地之间的通信稳定性㊁可靠性要求更高.高速飞行列车车地通信数据主要可分为两方面：一方面，要求控制中心和列车之间进行实时的双向安全类数据(列车控制反馈㊁列车运行状态㊁列车设备监测㊁维护等信息)传输，这类数据传输需要满足 低时延高可靠 的要求；另一方面，需要传输面向乘客的非安全类数据业务，要求满足 大容量高带宽 的传输要求.
相比传统高速列车，高速飞行列车主要有两个特点 超高速移动和真空管道，因此高速飞行列车无线通信需要解决以下几个问题:①由于真空管道内无线自由波/非接触耦合的传播环境特殊，并且金属密闭管道内无线电波传播存在波导现象，因此管内信道特性与传统高铁开阔场景完全不同，导致管道内无线覆盖困难.②超高速移动引起了极其频繁的越区切换和严重的多普勒效应问题.③传统的轮轨/磁悬浮高铁无线通信系统设计不支持时速超过1000k m，因此不能承担高速飞行列车车地通信这一重任.为了满足真空管道交通宽带无线接入的业务需求，本文作者提前对高速飞行列车车地无线接入通信系统
开展前瞻性的研究，初步在真空管无线接入㊁新型漏泄波近场耦合等方面形成系统的解决方案，做好下一次的交通革命的技术储备.
1高速飞行列车的无线通信需求无线通信系统是高速飞行列车安全运行的关键.在高速飞行列车中，列车与地面之间不存在有线连接，必然是选择采用无线通信方式.为了保证列车的安全平稳运行，要求控制中心和列车之间进行实时的双向数据传输，实现安全㊁可靠㊁高速㊁高容量的信息传输.同时，随着互联网的发展，要求高速飞行列车通信也能处理各种高速率应用，例如高清视频监控㊁车载实时高速率乘客服务和铁路物联网[5].因此，高速飞行列车的无线通信需求主要可分为列车控制安全数据传输业务和乘客通信业务，高速飞行列车车地无线通信系统功能如图1所示.
741
第1期刘留等：真空管道高速飞行列车车地无线通信技术
图1无线通信系统功能
F i g.1 W i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n s y s t e mf u n c t i o n s
1.1面向列车控制的安全类数据
列车在真空管道中以极高速度穿梭，为了高效地管理和控制一定数量不同运行状态的列车并保证列车安全性，需要超高速列车在运行过程中与地面进行实时的数据交互.对安全类数据业务传输的主要性能要求如下.
1)低时延：保证高速飞行列车在1000k m/h速度条件下列车定位㊁速度信息和列车控制信息的实时同步.
2)高可靠：保证车地通信链路的稳定性，可实现无中断连续传输.
3)可维护性：通信系统各设备可实时诊断，保证系统平稳运行.
4)冗余容错：系统部分设备故障时，冗余备用设备能够及时支持系统的持续运行，避免系统中断崩溃.
高速飞行列车采用磁浮技术，系统应满足磁浮交通系统的常规运行㊁降级运行和维护与逆行的多种模式要求，综合参考磁浮列车和轮轨高铁的车地通信需求[6]，高速飞行列车与地面之间传输的安全类数据可分为如下几类.
1)运行控制系统通信.
高速飞行列车运行控制系统可分为三级架构：地面总控制中心㊁地面分区控制中心和车载控制系统.地
面总控制中心通过运行控制核心网与分区运行控制系统通信，分区运行控制系统通过车地无线通信系统与列车进行信息交换，三者共同构成车地全域的移动分布式系统，传输的信息主要包括列车自动防护㊁列车自动运行㊁列车自动监控㊁速度曲线监控㊁列车速度与位置监测㊁驾驶顺序控制和操作与显示.
2)牵引控制系统通信.
地面的牵引控制系统直接通过车地无线电系统
获取磁极相角信息，为牵引控制系统提供磁浮列车
当前的速度和位置信息；同时，牵引控制系统与分区
控制系统通过以太网交换信息，获取中央运行控制
中心的运行指挥命令(如加速㊁制动㊁停车等).牵引控制系统基于既定的控制算法，针对运行控制系统
的要求，以直线同步电机为控制对象，自动控制高速
飞行列车牵引力，完成列车从启动加速到恒定速度
颠簸的航行
的运行过程，同时完成列车减速㊁停车等多种运行操滚动转子式压缩机
作，从而使列车按照既定的速度曲线高速㊁安全和舒
适运行.为确保对牵引力的实时控制，磁浮列车牵引控制系统要求列车位置信息的传输延迟应不大于5 m s[6]，根据传输延迟与列车速度的反比关系，高速飞行列车牵引控制系统应要求无线通信系统的传输延迟不大于1m s.
3)运行语音通信.
运行语音用于各部门间通话及业务联系㊁列车
工作人员与内部及外部进行公务电话联络，为列车
工作人员提供语音㊁数据㊁传真等通信业务，可作为
专用电话系统的应急通信手段.
4)安全监控及检测.
高密度行车要求通信设备持续运行，因此必须
要求车地无线通信系统具备完善的设备状态监视和
故障诊断功能，可以对地面无线控制设备㊁车载无线
控制设备㊁地面㊁车载移动㊁光纤网设备等
进行最小可替换单元的状态诊断并收集诊断信息,
将诊断信息及时反馈给中央控制中心.主要包括设备故障诊断与监控㊁列车状态监控㊁安防业务㊁真空管道环境监测等.
1.2面向乘客的非安全类数据
在列车运行期间，旅客也可以通过无线终端实
现与外界通信，避免成为 信息孤岛 .高速飞行列车载客数相对传统轮轨高铁较少，每节车厢乘客一般为15人左右(参考H y p e r l o o p O n e胶囊高铁乘客容量).此外，高速飞行列车运行速度极快，每趟列车的单次运行时间不会超过1h，因此高速飞行列车乘客通信业务量需求相对传统轮轨高铁较少.面向乘客的数据业务主要包括互联网㊁旅客在途语音数据㊁高清视频㊁在线办公㊁云数据业务等.
以未来5G用户传输需求为参考.5G用户体验速率(指用户在覆盖范围内可实现的传输速率)支持0.1~1G b p s，传输全缓冲业务时,5%用户频谱效率与频谱带宽相乘即为用户体验速率.假设整列车定员数为15人,5G终端渗透率为80%，则单列车5G 终端用户数为12人.假设用户激活附着比为70%
841北京交通大学学报第43卷
(即70%用户会进行业务)，用户业务并发率为10%，则单用户平均吞吐量要求为7~70M b p s，整列车乘客吞吐量达到84~840M b p s，在列车会车时，需求吞吐量将翻倍.
2高速飞行列车无线通信的特点高速飞行列车运行于真空密闭金属管道内，与传统轮轨高铁和磁悬浮列车运行场景差别较大，因此车地无线通信也更具特点，高速飞行列车无线宽带通信主要特点如下[7].
1)无线电波传播环境特殊.
在全封闭金属管道内部，如果采用无线自由波通信，不同于传统高铁开阔场景，密闭管道内部电波传播表现出明显的区域特征，根据两段式模型，近场区中路径损耗的斜率很陡，在远场区出现波导效应，路径损耗的斜率显著减小[8].如果采用漏泄波导进行覆盖通信，无线电波的覆盖特性与传统高铁在隧道运行环境下(主要为水泥㊁岩石)的电波覆盖特性会有很大不同，主要原因有三个方面：一是电波辐射特性受金属管道的影响很大，辐射功率密度的空间分布有较大改变；二是辐射波遇到金属管道壁，会以近似全反射的形式在金属管道内传递，其边界条件完全不同于传统隧道环境；三是金属管道的横截面形状和尺寸也与传统隧道不同，使得金属管道内的模式分布具有不同的特点.
2)高速飞行列车运行场景特殊.
高速飞行列车通常运行在内径为3.3m[3]左右的金属材质密闭狭长通道中，该密闭空间可能架设在户外
㊁地下甚至海底，电磁信号在此受限空间内的传播特性与传统轮轨/磁悬浮高铁场景下的无线自由波明显不同.如果采用传统的无线自由波接入方式，管道旁和车厢内部乘客之间的无线链路需要经历两次重大衰落 金属管道和车厢体.为了保证车内气压，高速飞行列车车厢具有高度密封性，会导致比传统轮轨高铁更高的车体穿透损耗，传统轮轨高铁不同材质车体的穿透损耗如表1[9]所示(表1中参考值仅供参考.实际值受入射角㊁多径信号等多种因素影响).同时为了平衡成本㊁气密性和结构坚固性，真空管道管壁将采用多层材料结构，不同材料对无线信号具有不同程度的衰减，尤其是管道内壁将采用金属材料以保证真空管道密封性与稳定性，会对无线信号造成极大衰减.两次重大衰落将导致接收端信号信噪比急剧下降.因此，传统的无线自由波接入方式不能适用高速飞行列车的特殊运行场景.
表1不同车型穿透损耗参考值
T a b.1 P e n e t r a t i o n l o s s r e f e r e n c e v a l u e s f o r d i f f e r e n t t r a i n s 车型列车材质2G H z损耗/d B
普通列车铁质14
庞巴迪列车不锈钢22
部分动车中空铝合金16
京津城际铝合金20
阿尔斯通中空铝合金22
3)无线频段使用相对自由.
由于真空管道对无线信号的隔离，管道内部频谱空间和外界相对独立.传统高铁开阔场景无线通信受频谱资源限制，无法选择最适合的频带和带宽使系统性能实现最优化.而高速飞行列车场景中，在规划设计无线通信系统时，特别是为安全类数据选择频段时，可以采用更适合传输的频段和带宽以保证通信的安全和可靠性.此外，如果选用漏泄波导进行接入覆盖，由于车体穿透损耗的隔离，频段和带宽的选择约束将更低，可实现传输性能最优的同时保证安全类数据传输的稳定性(不受用户信号影响).
4)绝对的频繁切换与切换.
和轮轨/磁悬浮高铁相同，由于列车上乘客地理位置的集中性，当列车穿越覆盖小区边缘时，列车上乘客将发生用户的非游牧/切换，这种情况大大增加了网络切换的负荷.同时极高的运行速度将导致绝对的频繁切换，根据切换时间与速度的反比关系，高速飞行列车网络切换频率将达到传统高铁场景的五倍以上，而传统轮轨高铁切换时延为100m s~1 s，无法满足高速飞行列车的频繁切换要求，可以简单用一个例子说明：假设小区范围为625m，高速飞行列车时速为1000k m，则每2.25s就会发生一次
切换，在切换时间为1s的情况下，会造成44%的性能损失，显然是不能接受的.因此需要重新设计无线通信系统架构以满足高速飞行列车场景越区切换性能要求.
5)高速飞行列车运动状态的规律性和可预知性.
高速飞行列车在轨迹固定的真空管道内运行，利用车载运行监测系统与地面通信，可实时获取列车速度与位置信息，为高速飞行列车宽带接入通信系统提供先验信息，利用列车状态信息可设计优化网络架构以解决快速切换问题；并且，高速飞行列车宽带接入系统容量是可预知的，根据载客容量等信息可预先获得无线接入的容量，为通信设计提供先验知识.
3传统无线接入适用性分析
最近几年，移动无线通信技术发展迅速，为优化
941
第1期刘留等：真空管道高速飞行列车车地无线通信技术
铁路通信系统的C o C a M P B C [1
0]
经纬360，多种技术涌现并在铁路通信中得到实现，如L T E -A (
长期演进技术升级)[11],W i F i I E E E 802.11(
无线局域网)[12]
,W i MA X (全球互通微波访问)[13
],I E E E802.20(
移动宽带无线接入)[14]
,L T E -R (面向铁路通信的长期演进技术)[15
]等.此外，漏泄电缆㊁漏泄波导和可见光通信(L i g h tF i d e l i t y
,L i F i )[16]
等多种非接触耦合技术在近几年也获得了巨大的发展，几种无线接入和非接触耦合技术如图2所示.其中漏泄电缆/波导由于适合狭小空间内通信，广泛应用于城市轨道交通系统，并在我国干线铁路隧道场景中得到应用.
L i F i 是一种新型无线传输技术,
在实验室可达到W i F i 数百上千倍的速率，低成本㊁极宽的频带㊁光源易得性以及高安全性使L i F i 技术受到极大关注.图2 几种无线接入和非接触耦合技术
F i g .2 S e v e r a lw i r e l e s s a c c e s s a n dn o n -c o n t a c t c o u p l i n g t e c h n o l o g
i e s 由于高速飞行列车运行环境的特殊性,
传统接入方案不一定适用于高速飞行列车.目前还没有任
何针对该特殊场景设计的专用无线宽带接入方案.为设计一种适用于高速飞行列车的无线接入方案，可利用现有无线接入技术方案，根据高速飞行列车运行场景的特点对其进行相应调整和拓展，从而为高速飞行列车车地网络接入的设计提供宝贵的经验.
3.1 卫星接入
卫星通信方案[17]
是指列车通过卫星网络与地
面建立连接，在欧洲T h a l y s 高铁巴黎至布鲁塞尔路段已得到应用.这种方案的优势在于卫星波束可以覆盖较大的范围，同时新型卫星可以提供较大带宽.高速飞行列车采用卫星通信方式有以下几点困难：一是封闭的金属管道使得卫星很难覆盖到车厢；二是卫星通信质量易受天气影响，在恶劣天气下影响更大.由于真空管道可能架设在户外㊁地下甚至海底，大大增加了卫星信号覆盖难度；三是卫星通信固有延迟可达500~600m s ，无法满足实时通信的要求；四是通信资费高昂，是常用通信的十几倍.因此卫星通信方式不适用于高速飞行列车.
3.2 通用移动通信系统接入
通用移动通信系统(U n i v e r s a l M o b i l e T e l e -c o mm u n i c a t i o n sS y s t e m ,UMT S )接入方案直接采用现有UMT S 网络架构，进行 基带处理单元(B u i l d i n g B a s eb a n d U n i t ,B B U )+射频拉远单元(R a d i o R e m o t e U n i t ,R R U ) 分布式高铁线状覆盖.分布式组网方式非常适用于高铁覆盖,B B U 集中放置㊁维护可降低站址获取难度，同时R R U 光纤拉远方式适合高铁的线状覆盖.这种方式分离了的基带处理单元和射频单元，基带处理单元集中放置于B B U 中，通过光纤拉远实现射频单元R R U 的灵活安装.R R U 只有射频放大的功能,
同一个B B U 可配置多个R R U ，由于逻辑上这些R R U 都在
一个B B U 范围内，无线资源也是共享的，当列车行驶路过某一个B B U 的所有R R U 时,
冷冻水产品
只需基于变化场景相应分配各R R U 的功率，而无需执行越区切换.
UMT S 直接采用现有的系统硬件和软件配置,
避免了带宽的重新分配，减少了工作量，同时通过扩大小区覆盖范围一定程度上降低了越区切换频率.但是由于高速飞行列车站间距离一般较长,UMT S 方案需要在真空管道沿线设置大量成本高昂的设备，大大提高了成本.为了保证安全性，高速飞行列车运行间距设置较大，导致大量设备闲置，存在明显的 潮汐效应 ，造成这些设备的频谱资源和处理能力极大的浪费.此外，为了对高速飞行列车进行覆盖，各大运营商会在真空管道沿线设置安装密集网络，造成投资重复，也必然会影响高速飞行列车安全类数据的传输稳定性.
3.3 W i M A X
文献[13
]面向高速铁路运行场景提出一种新型无线网络接入架构，架构采用了W i MA X 技术.
W i MA X 是提供 最后一英里 宽带接入的无线方案，也被称为I E E E802.16无线城域网.该方案网络架构主要由车内网㊁路旁网和核心网构成，见图3.
51北 京 交 通 大 学 学 报 第43卷
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