第20卷第8期2022年8月
太赫兹科学与电子信息学报
Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology
Vol.20，No.8
Aug.，2022
周梓博1，于行健2，蒋海林*1，赵红礼1，彭良勇2
(1.北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京100044；2.中国铁路设计集团有限公司 电化电信院，天津300308)
摘要：高速磁悬浮列车因其高速便捷将是未来非常有竞争力的地面交通工具，但是高速磁浮车地通信面临多普勒频移大、越区切换频繁、传输实时性要求高以及需承载多种业务等技术问 题。本文研究了无线局域网(WLAN)、38GHz毫米波和地铁长期演进通信系统(LTE-M)/5G等常见
民用通信和铁路地铁通信技术在高速磁悬浮系统中的适应性，并对这些通信技术在高速磁悬浮系
统车地通信环境中的应用进行了详细分析，提出了改进和应用这些通信技术的方向和技术路线。
关键词：第四代移动通信技术(4G)；第五代移动通信技术(5G)；车地通信；多普勒效应；网络切片；高速磁悬浮系统
中图分类号：TN929.53文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2022047
high
Research on−speed maglev train−ground wireless
communication technology
ZHOU Zibo1，YU Xingjian2，JIANG Hailin*1，ZHAO Hongli1，PENG Liangyong2
(1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System，Beijing Jiaotong University，
Beijing100044，China；2.Institute of Electrical and Telecommunication，China Railway Design Gro
up Co.，Ltd，
Tianjin300308，China)
Abstract
Abstract：：High-speed maglev trains will be very competitive ground transportation tools in the future because of their high speed and convenience.However,high-speed maglev train-ground
communication faces the Doppler effect caused by high-speed motion,frequent handovers,high real-
time transmission requirements,and the requirements of carrying multiple services.In this paper,the
adaptability of common civil communication and railway subway communication technologies such as
Wireless Local Area Network(WLAN),38GHz millimeter wave and Long Term Evolution-Metro(LTE-M)/
5G in high-speed maglev system is studied,and the analysis on the application of these communication
technologies in the train-ground communication environment of high-speed maglev system is carried
out.The direction and technical route of how to improve and apply these communication technologies are
put forward.
Keywords
Keywords：：the4th generation mobile network(4G)；the5th generation mobile network(5G)；train-ground communication；Doppler effect；network slice；high-speed maglev system
时速600km高速磁浮是当前可实现的速度最快的地面交通工具，按“门到门”实际旅行时间计算，是中短运程范围内最快捷的交通模式。2021年发布的《国家综合立体交通网建设规划》明确了发展时速600km高速磁浮的任务和作为构建综合立体交通网络的重要举措[1]。除国家相关部门正在组织相关工作外，安徽、海南、成渝等地区都发布了高速磁浮建设规划设想，有些省区已进入论证阶段。
与高速铁路相比，高速磁悬浮列车控制与通信技术有了新的特点。一方面，高速列车的基本结构、运行组织、牵引控制、在途监测、在途语音通信数据等与传统轮轨高速铁路有很大的变革，传统的通信系统结构难以适应高速磁悬浮通信的发展需要；另一方面，通信技术正在快速多元化发展，面对城市
轨道交通的地铁长期演进文章编号：2095-4980（2022）08-0754-08
收稿日期：2022-02-24；修回日期：2022-03-24
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61973026)
*通信作者：蒋海林
第8期周梓博等：高速磁悬浮列车车地无线通信技术的探讨
755
通信系统(LTE−M)已广泛应用，5G技术在运营商中已经大规模商用。
高速磁悬浮系统的车地通信面临着两个关键技术问题。首先高速磁悬浮系统列车的速度超过600km/h，远远超过一般民用通信系统的设计指标，在速度超过600km/h情况下如何实现低时延高可靠车地通信是首先需要解决的问题。其次，现在的民用通信系统采用蜂窝状的网络架构，当移动台从一个小区移动到另一个小区时，在连接状态下将发生小区间的越区切换，由于高速磁浮列车移动速度极快，越区切换的频率很高，切换的过程可能会导致通信中断或通信延迟增大，这对高速磁浮车地通信系统的性能造成了很大的影响。
本文首先介绍高速磁悬浮系统车地通信的业务要求，针对高速磁悬浮车地通信的特点和要求，分别分析了几种无线接入方式的适用性，对不同无线通信技术的特点进行研究和分析，最后给出结论和展望。
1高速磁悬浮系统车地通信的业务要求
高速磁悬浮系统车地通信系统有两种类型的业务，分别是列车运行控制相关的业务和乘客上网相关的业务。不同的业务对通信的可靠性和实时性的要求不同。
列车运行控制相关的车地通信业务是生产业务，这些业务包括：1)基于通信的列车运行控制系统业务，完成对车辆安全行驶的控制功能；2)列车运行状态监测系统业务，用于保障车辆运行期间关键设备系统的安全运转；3)用户调度电话系统业务。
列车运行控制相关通信业务对通信的可靠性和实时性的要求很高，通常车地无线通信系统要求由物理上完全隔离的两个系统组成，两个系统同时工作，在一个系统发生故障时，另一个系统应正常工作，不影响系统运行，从而提高系统的可靠性。某些高速磁悬浮系统由地面对车辆进行牵引控制，要求车地通信的时延低于5ms，这个指标远远低于普通民用通信系统几十毫秒到100ms左右的时延。列车运行控制相关通信业务的吞吐量较小，一般在100kbps左右[2]。
乘客上网业务包括语音、上网浏览和实时视频类的业务，这些业务应当满足一定的服务质量(Quality of Service，QoS)要求，如道路交通场景下要求端到端时延不超过30ms[3]等，乘客上网类业务对通信可靠性的要求要低一些。单用户的乘客上网业务吞吐量要求在几Mbps到几十Mbps之间，整列车的用户吞吐量要求取决于乘客同时上网的用户数量[2]。
2现有民用通信系统的无线接入技术分析
不管是针对列车运行控制相关业务还是乘客上网业务，高速磁悬浮列车的车地通信都需要解决几个关键技术问题。
1)多普勒频移问题
高速磁悬浮列车的运行速度在600km/h以上，现有的民用无线通信系统很少能支持如此高速度下的可靠通信，因此需要对高速运动下的车地通信性能进行分析。
移动台的高速运动会产生较大的多普勒频移，对于正交频分复用(Orthogonal Frequency−Division Multiplexing，OFDM)系统，为保证子载波的载干比(Carrier Interference Ratio，CIR)大于20dB，要求子载波的频偏小于子载波间隔的7%[4]，当采用频偏纠正算法以后，对子载波的频偏的要求要更低一些，但频偏纠正算法取决于具体实现，不同实现算法性能相差较大，所以本文仍从无频偏纠正的角度讨论多普勒频移问题。以此为依据，设定多普勒频移最大允许低于子载波间隔的7%。
2)低传输时延的要求
在有的高速磁悬浮列车的运行控制系统设计中，要求地面对列车进行牵引运行控制，而地面对列车的牵引运行控制对时延极为敏感，通常要求车地的端到端传输时延小于5ms，相比之下，城市轨道交通和高速铁路的车地传输时延一般要求在150ms或100ms以下，高速磁悬浮系统对车地通信的实时性提出了更高的要求。
3)快速切换能力
民用的移动通信系统采用蜂窝网络结构，移动台在移动过程中需要在不同的蜂窝小区间进行越区切换。现有的切换技术多为硬切换技术，切换的过程中会发生通信中断，导致数据丢失或数据传输时延增大，所以需要分析切换过程中的性能下降对磁浮列车车地通信的影响。
4)多种业务共存时的优先级处理能力
高速磁悬浮系统车地通信系统需要承载多种业务，不同业务的可靠性、实时性和吞吐量性能要求都不相同。如何在一个网络中同时满足不同业务的需求，也是在选择无线通信接入方式时必须考虑的问题。
太赫兹科学与电子信息学报
第20卷
现在移动无线通信技术发展迅速，包括无线局域网(Wireless Local Area Networks ，WLAN)、38GHz 毫米波通信技术、长期演进(Long Term Evolution ，LTE)技术和5G 技术等。此外，漏泄电缆和漏泄波导等多种非接触耦合技术也在铁路和地铁行业中得到了广泛应用。由于高速磁悬浮列车车地通信的要求，传统接入方案不一定适用于高速飞行列车，目前还没有公开的针对高速磁悬浮列车的无线接入方案。本文首先根据高速磁悬浮列车运行场景的特点分析现有无线接入技术方案的适用性，然后讨论为满足高速磁悬浮要求无线通信系统需要进行的改进，从而为高速飞行列车车地网络接入的设计提供借鉴和参考。2.1无线局域网(WLAN)
在城市轨道交通系统中，车地无线局域网WLAN 系统可实现移动列车与地面之间的实时双向数据传输，并已广泛应用。基于WLAN 的车地无线通信系统主要包括控制中心、无线接入点(Access Point ，AP)和车载无线单元。一般情况下，轨旁AP 的间隔设置为200m 左右，采用定向天线、漏泄电缆或漏泄波导进行无线覆盖，车载无线单元采用天线与AP 连接实现车地通信。
1)多普勒频移问题
目前的WLAN 主流设备在物理层采用OFDM 调制方式，在目前的WLAN 标准中[5]，OFDM 系统的子载波间隔为312.5kHz 。移动台的最大多普勒频移为：
人脸识别器
f D =
vf c c
(1)
式中：v 为运行速度；f c 为载波频率；c 为光速。对于600km/h 的高速磁悬浮列车，如果采用2.4GHz 的WLAN 车地通信技术，最大多普勒频移为4kHz 。归一化多普勒频移ε为：
ε=
f D
f s
»0.01(2)
式中f s 表示WLAN 系统的子载波间隔，为312.5kHz 。
计算得到的归一化多普勒频移远小于7%，因此对采用OFDM
绝缘法兰多普勒频移对基于WLAN 的车地通信系统的性能影响很小。
2)传输时延
由于WLAN 的数据传输和处理过程仅仅在物理层和媒体接入控制(Media Access Control ，MAC)层进行收发和处理，因此端到端的传输时延比较小[5]
客车门。根据文献[6]，当干扰很小，且业务量足够小的时候，WLAN 的端到端传输时延小于5ms ，能满足磁悬浮高速列车车地通信的要求。
3)快速切换能力
WLAN 规范没有定义标准的切换流程，但是定义了一些切换的信令格式，根据这些信令，典型的WLAN 切换过程如图1所示。另外，WLAN 的标准中，没有定义无线AP 间的数据存储和转发机制，通常在实施的时候，移动台会由于切换导致数据传输中断，并丢失数据。而由于功率的限制，无线AP 的覆盖范围通常在200m 左右，当列车从当前AP 覆盖范围移动到下一个AP 覆盖范围时会发生切换，WLAN 系统的越区切换会发生数据传输中断，中断时间从几十毫秒到150ms 左右。以小区覆盖范围200m ，切换中断时间100ms 计算，列车在每个小区的驻留时间为719ms ，则因为切换导致的丢包率高达14%，高速磁浮列车无法接受如此频繁的通信中断。
4)综合业务承载能力
在WLAN 的规范[5]
中定义了不同QoS 的业务，可以
r e a s s o c i a t i o n l a t e n c y a u t h e n t i c a t i o n l a t e n c y
p r o b e l a t e n c y Fig.1WLAN handover process
图1WLAN 切换过程
756
第8期周梓博等：高速磁悬浮列车车地无线通信技术的探讨
对业务进行一定程度的优先级区分。但由于WLAN在MAC层采用载波侦听/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA)随机接入的方式，不同优先级等级的业务仍需要竞争信道，无法保证列车运行控制等安全业务的绝对优先级。
5)讨论
移动折叠屏风
磁悬浮高速列车的多普勒频移对WLAN车地无线传输的性能影响很小，同时WLAN系统在一定条件下
能满足车地无线通信实时性的要求。但是要将WLAN技术用于高速磁悬浮列车系统的车地无线传输，一方面需要提高WLAN技术的设备的发射功率，增加AP的覆盖范围，才能减小频繁切换带来的影响。由于工业科学和医疗(Industrial Scientific Medical，ISM)频段的WLAN设备发射功率受到限制，要提高发射功率可能需要通过采用专用频率来实现。另一方面，WLAN系统还需要改进越区切换算法才能保证通信的可靠性，如采用Mesh网结构，终端在切换过程中同时与两个或两个以上AP保持关联，切换完成后才断掉与原AP的连接[7]。同时，如果需要同时承载列车运行控制相关业务和乘客上网业务，需要重新设计MAC层的媒体接入算法，才能确保安全业务的绝对优先级。
2.238GHz毫米波无线电系统
38GHz毫米波无线通信技术已应用于上海磁浮列车系统[7]。该无线电传输系统在磁浮车辆与地面系统之间建立一种可靠的、双通道的数据传输途径。这个传输途径可以传送操作控制数据、牵引控制数据、诊断数据及旅客信息数据，同时为车辆与中心的操作人员提供语音服务。无线电传输系统沿轨道及在列车的两端架设天线，用来传输无线信号。它包括中央无线电控制单元、分区无线电控制单元、光纤网、地面无线电和车载无线电系统5个部分。
上海磁浮列车系统38GHz无线电通信系统的特点还包括：通过列车位置信息来快速完成小区切换，极大降低了切换时延、设备冗余和通道冗余，大大提高了数据传输的完整性和故障恢复能力。磁浮列车
系统高速飞行列车运行速度超过600km/h，远高于上海磁浮列车430km/h的运营速度，对于安全类相关信息(如列车定位数据)实时性要求也更高。
1)多普勒频移问题
磁浮列车高速移动产生的多普勒效应会使接收终端产生频率偏移和展宽，从而引起传输性能下降。对于毫米波通信系统，磁浮列车车地通信可采用具有恒包络特性、相位连续以及对多普勒频移和频率容差不敏感的连续相位频移键控(Continuous Phase Frequency Shift Keying，CPFSK)调制。CPFSK信号由于其相位的连续性，不仅具有实现容易、适用频带宽、抗干扰能力强、解调无需相干载波等优点，而且避免了一般频移键控信号频率转换点相位不连续导致的功率谱很大的旁瓣分量，带限滤波后会引起包络起伏的缺点。
根据最大多普勒频移计算公式f D=vf
c
c全叶青兰
，将v=600km/h，f c=38GHz分别代入，可以得到38GHz频率毫米波的
最大多普勒频移分别为f D=21kHz。如果采用2阶CPFSK调制，调制指数设为1/2，信息传输速率为R B，则CPFSK调制信号占用的带宽为1.5R
B
。参考上海磁悬浮系统，上下行的传输速率设为4Mbps，信道编码的码率设为1/2，则CPFSK已调信号占用的带宽为12MHz。对应的38GHz毫米波的f D T b为0.002，多普勒频移相对CPFSK 信号的带宽很小，几乎可以忽略不计。
图2为采用1/3码率的Turbo码，信道为K因子为10的莱斯
信道，f D T b=0.06时，采用CPFSK调制的误码率性能[8]。可以
看到，对于2阶的CPFSK调制，如果要求误比特率为10-5，采
用硬判决译码，要求E
b /N
为8.5dB左右，如果采用软判决译
码，E
b /N
要求为7.5dB左右，这在实际工程中很容易实现，
因此对于38GHz的毫米波通信，高速运动造成的多普勒频移影响很小。
2)传输时延
上海磁浮38GHz毫米波通信系统的通信协议没有公开，如果数据仅仅在空口进行收发处理，不涉及复杂的高层协议，其空口的传输时延可以做到5ms以内。
3)快速切换能力
38GHz毫米波通信系统的覆盖范围有限，因此列车运
行Fig.2BER performance of CPFSK when f
D
T
b
=0.06图2CPFSK在f D T b=0.06时的误比特率性能
757
太赫兹科学与电子信息学报第20卷
时也需要在不同的毫米波间进行切换。上海磁浮系统没有公布不同间的切换策略，如果仅仅是射频通道的切换，其切换时延会很小，估计在5ms以内。但是，切换过程中是否会造成数据中断或数据延时增大，需要进一步研究和确认。
4)综合业务承载能力
38GHz毫米波专用通信系统没有公开的高层协议设计方案，如果需要进行多业务承载，需要为其设计
专门的高层协议。
5)讨论
磁悬浮高速列车的多普勒频移对38GHz毫米波车地无线传输的性能影响很小，同时毫米波车地通信系统能满足车地无线通信实时性的要求。但是要将毫米波通信用于高速磁悬浮列车系统的车地无线传输，需要研究越区切换算法是否造成数据丢失或传输延迟增大。同时，如果通信系统需要同时承载列车运行控制相关业务和乘客上网业务，需要重新设计高层协议。
2.3LTE和5G无线通信系统
目前LTE−M系统已在城市轨道交通车地通信系统中广泛应用，5G无线通信系统也已经在运营商大规模商用。LTE和5G通信系统基于OFDM技术，规范所支持的移动台最大速度分别为350km/h和500km/h。
1)多普勒频移问题
电热地膜对于载频为2GHz的LTE系统，在600km时速时，最大多普勒频移f
D
为1.1kHz。根据奈奎斯特时域采样定理，为了不失真地还原时域信号，要求采样频率不小于信号带宽的2倍，因此要求导频信号的时间间隔T满足以下要求：
1
T≥2f D(3)计算可知导频信号的间隔应小于0.455ms。根据3GPP TS36.211物理层协议，LTE系统下行和上行解调依靠小区参考信号(Cell Reference Signal，CRS)和UE特定数据解调参考信号(Demodulation Reference Signal，DMRS)，在LTE上行帧结构中每时隙，即每0.5ms配置一个参考信号(导频信号)，因此2GHz频率时，LTE无法满足600km时速的车地通信的要求。
文献[9]中仿真了5.9GHz时LTE系统在不进行重传的情况下，移动台不同移动速度下的误块率(BLock Error Rate，BLER)性能曲线。如果以LTE规范定义的误块率指标10-1计算，可以看到，LTE系统最高能支持400km左右时速的车地通信。
目前5G已经商用化，5G新无线电(New Radio，NR)支持15kHz、30kHz、60kHz、120kHz和240kHz的子载波间隔。在5G系统中，可以根据运动速度的大小自适应调整参考信号(导频信号)的密度[10]，当速度快的时候，参考信号的密度增大，速度小的时候，参考信号的密度减小。在子载波间隔为60kHz时，通过采用自适应设置参考信号导频密度的方法，可以支持600km列车时速下的车地通信。
虽然在2GHz频段LTE无法支持600km时速的车地通信，但可以采用一些技术手段克服或减小多普勒效应的影响。例如，可以通过降频的方法减少多普勒频移，文献[11]中的结果表明450MHz频段的LTE可以满足600km 时速以上车地通信的需要。另外，也可以采用特殊传输媒介进行车地传输，例如采用漏泄电缆或漏泄波导进行车地通信，可以一定程度上减少高速运行带来的多普勒频移。
采用漏泄电缆或漏泄波导时，列车在高速前进中，安装在列车上的天线与漏缆/漏泄波导的电波直射径入射角总是约90°，多普勒频移约为0，因此多普勒频移可得到抑制。
2)传输时延
LTE无线系统传输中涉及的主要网元包括终端、以及核心网。
数据传输时延是指终端IP层与无线通信系统之间的数据包的传输时间。LTE系统整个时延的构成，分解为各个网元的处理时延、空口传输时延以及S1接口的传输时延。数据传输时延分解见图4。
LTE无线通信系统中，为了保证数据的有效传输，提供MAC和无线链路控制(Radio Link Control，RLC)层的重传机制。
R
SN
/dB
B
L
E
R
10
10-
10-
10-
10-
-
Fig.3BLER of5.9GHz LTE at different speeds
图35.9GHz LTE系统在不同速率下的误块率
758
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议