高铁移动通信技术的演进和挑战

21世纪什么最重要？当然是网络信号！！！

可是最近很多朋友都在吐槽：都进入5G时代了，为啥乘坐高铁时上网还这么慢？

不妨先来了解一下：为了提高通信质量，高铁移动通信技术是如何演进的？       高铁移动通信技术的演进     GSM-R  

目前，GSM-R是我国铁路全面使用的专用数字移动系统。 GSM-R是GSM技术在铁路系统的延伸，沿袭了GSM基本功能。 不同之处在于，GSM-R服务于铁路系统，这就意味着它对如下问题更有针对性： 列车高速前进所带来的信号快速衰减、频移现象 列车经过隧道、山谷等特殊地形条件下的信号覆盖问题 基站小区之间的切换频繁带来的系统效率低下

 

然而GSM-R是一种窄带通信系统，工作的频谱只有窄窄的4 MHz。在这个频谱范围内，大部分的频谱用来承载语音（打电话）业务，少部分用来承载数据（上网）业务，这就导致我们在高铁上网时常常网络卡顿。

LTE-R 

随着高速铁路的快速发展，对数据业务的要求越来越高，GMS-R已经无法满足需求，产业链萎缩，铁路通信逐渐过渡到了 LTE-R。

LTE-R使用调制技术提升了网络速度和容量，无论是传输技术还是系统架构，都有很大的革新。

不仅完全继承了GSM-R的全部业务，提升了铁路运营的安全性和高效性，而且可为用户提供多媒体集群调度、可视电话、实时视频监控、客运综合信息发布等功能。

此外，LTE-R的语音解决方案能够为旅客提供更为丰富的数据体验和更多更准确的常规化增值服务。

5G-R 

后来，中国国家铁路集团有限公司也启动了铁路下一代移动通信系统相关的研究工作，针对铁路5G专用移动通信（5G-R），明确了研究计划及建设目标。

5G-R的主要业务类型以下两类。 行车类应用：调度通信、行车调度命令、CTCS-3级列控系统以及自动驾驶等； 运营维护类应用：运维语音、运维数据及运维视频。 5G-R承载的业务仍然以行车应用为主，对设备安全性、可靠性要求高。 未来 5G-R 在铁路系统中的三大应用场景：

 

铁路正线广域区域通信	调度通信语音、调度通信多媒体、行车安全数据、行车信息数据、车上作业人员语音等。
铁路站场/枢纽等热点区域覆盖	车上视频监控数据、站场维护作业多媒体通信、编组站通信等。
铁路沿线地面设施监控	地面基础设施监测数据传送。

 

高铁移动通信技术的挑战 铁路通信系统发展得如此迅速，为什么我们仍然感觉网速慢？ 这是因为5G信号覆盖高铁场景虽然前景广阔，但也面临着诸多的挑战。 01 信号的穿透损耗和传播损耗大

高铁列车车体多采用不锈钢、合金等金属全封闭式的结构。 传统的车内用户直接与车外基站直接通信的架构，使得信号在车内穿透损耗较大、掉线率升高、切换成功率和连接成功率降低，从而导致网络性能下降。  

02 多普勒效应带来频偏     多普勒效应：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低；波源的速度越高，所产生的效应越大。 在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以在移动通信中要充分考虑多普勒效应。 高铁的速度越快，频偏越大，也将使基站接收信号的性能下降。多普勒效应是瞬时变化的，高速引起接收机的解调性能下降，这是一个非常大的挑战。

03 瞬间网络负荷大  

当高铁过境时，基站区域内用户数剧增，网络负荷过高，用户感知下降。

04 频繁切换影响感知  

由于高铁沿线基站单站覆盖范围有限，在高速行驶状态下，列车穿越单站覆盖所需的时间非常短。

在列车运行中，为保持车地之间通信的连续性，需将通信链路从一个基站小区信道转换到另一个基站小区信道。

因此，用户在使用移动网络时会产生频繁的小区切换和重选，当其无法满足切换、重选所需的时间开销时，极易出现切换慢、切换失败、掉线等网络问题，影响用户感知。

       

解决方案

01 如何解决信号的穿透损耗和传播损耗大的问题？  

采用移动中继技术。简而言之，就是设置“中间转发”性质的设备，让整个通信的过程分为两个部分——外部基站与中继设备之间，以及中继设备与用户之间。由中继设备转发来自基站和车内用户的信号。

02 如何解决多普勒效应带来的频偏问题？   合理设置基站站址，降低多普勒频移影响。在射频单位进行频偏矫正/问题，也就是基带信号的处理问题。 03 如何解决瞬间网络负荷大和越区频繁切换的问题？  

小区合并：一个基站处理单元(BBU)连接多个射频拉远单元(RRU)，在逻辑上将多个小区设为同一小区，这样就使“小区切换”变为“小区协作”，提高网络性能、增大覆盖距离、减少切换次数。

切换算法优化：一般而言是对切换流程中涉及到的切换参数进行优化，有效地预防乒乓效应和无线链路的连接中断，提高切换成功率。

铁路专用无线通信正在向宽带网络演进，相信在不久的将来，5G关键技术的应用将为铁路无线专网的建设添砖添瓦。

在这之前，不妨放下手机，看看沿途的风景。

编辑：黄飞