劉 留，裘陳成，李 錚，韓柏濤，劉 葉，周 濤

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

近幾年，中國的高速鐵路技術(shù)發(fā)展迅猛，中國高速鐵路建設(shè)取得的進(jìn)展吸引了全世界的目光，隨著高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略的啟動(dòng)，中國實(shí)現(xiàn)了高速鐵路領(lǐng)域從“追趕者”到“領(lǐng)導(dǎo)者”的飛躍，有力地推進(jìn)了“一帶一路”倡議的發(fā)展，也為“中國夢(mèng)”的實(shí)現(xiàn)開辟了重要通道，為保持我國高速鐵路技術(shù)的領(lǐng)先地位，研究高速鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)以及關(guān)鍵技術(shù)具有重要的意義與價(jià)值。

截至2017年，中國高速鐵路已擴(kuò)展覆蓋到29個(gè)省級(jí)行政區(qū)，已形成世界上最龐大的高鐵網(wǎng)絡(luò)，其總長度超過25 000 km，約占全球商業(yè)服務(wù)高速鐵路的2/3，中國“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)絡(luò)也已基本建成。中國已全面掌握了高速鐵路關(guān)鍵核心技術(shù)，此外，中國還搭建了世界上水平最高的高速鐵路技術(shù)平臺(tái)，在高速鐵路領(lǐng)域，中國正引領(lǐng)著世界發(fā)展的潮流趨勢(shì)。當(dāng)輪軌高速鐵路在中國快速發(fā)展的同時(shí)，下一代超高速高速鐵路技術(shù)——真空管道高速飛行列車也逐步進(jìn)入人們的視野。在2018全國兩會(huì)期間，中國工程院院士盧春房提出，中國將要研發(fā)真空管道高速飛行列車[1]。

目前國外正在研究超級(jí)高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱超級(jí)高鐵)并取得一定進(jìn)展的公司主要有兩家，一家是由埃隆·馬斯克發(fā)起成立的Hyperloop One公司，2017年該公司完成了在真空環(huán)境中對(duì)超級(jí)高鐵的首次全面測(cè)試；另一家HTT公司(Hyperloop Transportation Technologies)則已在2018年與貴州銅仁簽署協(xié)議，將在銅仁建設(shè)中國第一條商業(yè)真空管道超級(jí)高鐵線路[2]，同時(shí)HTT已在美國、阿聯(lián)酋、法國等國家簽署了超級(jí)高鐵建設(shè)協(xié)議。國內(nèi)方面，西南交通大學(xué)表示已經(jīng)開發(fā)出世界上第一套用于載人高溫超導(dǎo)磁懸浮列車技術(shù)演示的實(shí)驗(yàn)性環(huán)型管道試驗(yàn)線，中航科工集團(tuán)在2017年宣布研究“高速飛行列車”，是世界上除HTT、Hyperloop One外第三家公開表示研究時(shí)速超過1 000 km真空交通的公司[3]。

約束輪軌高速發(fā)展的主要有輪軌阻力、空氣阻力以及噪聲三大因素，機(jī)械摩擦和黏著力對(duì)高速列車的安全行駛有極其重要的影響，此外，稠密大氣中氣動(dòng)阻力與速度的二次方成正比，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速超過400 km時(shí)，列車牽引動(dòng)力中氣動(dòng)阻力占用比例將超過80%，同時(shí)隨著列車速度的持續(xù)加快，列車運(yùn)行引起的噪聲將隨速度的7次乃至8次方急速上升，無論是對(duì)運(yùn)行線路周邊環(huán)境還是車廂內(nèi)部乘客，這都是難以接受的。受限于上述因素，現(xiàn)行輪軌交通的臨界速度為600 km/h，因此運(yùn)行于真空管道內(nèi)的高速飛行列車是高速鐵路未來的重要發(fā)展方向。高速飛行列車，是一種在地上或地下建立密閉管道，通過抽取空氣令管道內(nèi)部達(dá)到或接近萬米高空(民航飛機(jī)飛行高度)的低壓環(huán)境，令磁懸浮列車在真空管道內(nèi)以低機(jī)械摩擦、低氣動(dòng)阻力、低噪聲模式超高速度(超過1 000 km/h)行駛的未來運(yùn)輸技術(shù)。屆時(shí)，旅客乘坐高鐵的時(shí)間將大幅縮短[4-5]。

相比輪軌高速鐵路，真空管中運(yùn)行的高速飛行列車車地間傳輸?shù)目刂婆c通信數(shù)據(jù)更具特點(diǎn)。一方面，高速飛行列車運(yùn)行控制、牽引控制、在途監(jiān)測(cè)、在途語音通信數(shù)據(jù)需要更為快速準(zhǔn)確地傳輸至路旁網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地面控制中心對(duì)高速飛行列車運(yùn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤和控制，需要滿足“低延時(shí)高可靠”的傳輸要求；另一方面，隨著未來5G的商用化，以旅客為主體的寬帶移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息需要在車地之間傳輸，這類數(shù)據(jù)具有“大容量高移動(dòng)”的特點(diǎn)，但由于傳統(tǒng)的輪軌/磁懸浮高速鐵路無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不支持時(shí)速超過1 000 km，因此無法支撐高速飛行列車車地通信的需求。

1 高速飛行列車車地?zé)o線通信特點(diǎn)

由于真空管系統(tǒng)本身的特殊性，以下一些特殊問題在開展高速飛行列車車地?zé)o線通信研究時(shí)值得重點(diǎn)考慮：

(1) 高速飛行列車運(yùn)行環(huán)境特殊并且單一。輪軌高速鐵路運(yùn)行場(chǎng)景包括高架橋、郊區(qū)、山區(qū)、隧道等較為開闊環(huán)境，高速飛行列車則基本完全運(yùn)行在金屬狹長空間內(nèi)(金屬管道可能利用現(xiàn)有高速鐵路高架橋架空，埋入地下或者潛入水底)，電磁信號(hào)在此受限密閉空間中，耦合傳播特性與傳統(tǒng)輪軌/高速鐵路運(yùn)行環(huán)境下的無線自由波截然不同[6]。高速飛行列車如果采用傳統(tǒng)的無線自由波接入(無論是直接覆蓋或車載中繼站Mobile Relay的接入方式，見圖2)，則真空管外側(cè)基站和車廂內(nèi)部乘客之間的無線鏈路需要經(jīng)歷兩次重大穿透衰落——金屬管道腔體和車廂體，這會(huì)導(dǎo)致接收端信號(hào)信噪比急劇下降。因此，傳統(tǒng)的無線接入方式并不能適用高速飛行列車特殊的運(yùn)行方式。

(2) 無線自由波/非接觸耦合的傳播環(huán)境特殊。無論采用無線自由波還是漏波系統(tǒng)，全封閉金屬管道內(nèi)部的傳播耦合特征都將非常特殊。如果采用無線自由波，真空管道狹長受限環(huán)境內(nèi)的電波傳播可以近似為金屬波導(dǎo)的傳播模型。從波導(dǎo)理論的角度，可采用“模式”來分析隧道內(nèi)的傳播信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過長距離傳播后，高階模式逐漸衰減消失，只剩下低階模式。模式數(shù)量的減少造成MIMO信道矩陣傳輸子空間的減少，從而造成MIMO信道容量的降低，產(chǎn)生鎖孔效應(yīng)。從多徑傳播的角度看，在鎖孔效應(yīng)發(fā)生時(shí)，接收信號(hào)仍然有大量來自隧道壁的1次或2次反射多徑，只是這些多徑分量經(jīng)歷的衰落相似，并不能提供較多獨(dú)立信道子空間，造成MIMO信道容量降低[7]。

如果采用漏波系統(tǒng)進(jìn)行車地通信，漏波系統(tǒng)產(chǎn)生的電波覆蓋特性不同于傳統(tǒng)的高速鐵路隧道運(yùn)行環(huán)境(水泥、巖土等)下的電波覆蓋特性，原因主要有3個(gè)方面：一是漏波結(jié)構(gòu)本身的近場(chǎng)輻射特性受金屬管道的影響較大，輻射功率密度的空間分布有較大改變；二是漏波結(jié)構(gòu)的輻射波遇到金屬管道壁時(shí)，會(huì)以近似全反射的形式在金屬管道內(nèi)傳遞，其邊界條件完全不同于傳統(tǒng)隧道環(huán)境；三是金屬管道的橫截面形狀和尺寸也與傳統(tǒng)隧道不同，使得金屬管道內(nèi)的模式分布具有不同的特點(diǎn)。

(3) 真空管道內(nèi)部無線環(huán)境的獨(dú)立與無線頻段使用的自由。由于真空管道金屬材質(zhì)的隔離，管道內(nèi)部頻譜空間和外界(除車內(nèi)用戶、WiFi等)相對(duì)隔離。因此，如果采用特別的Backhaul作為車地通信回傳鏈路，為該鏈路選擇頻段/帶寬時(shí)，或者為安全類數(shù)據(jù)傳輸(如現(xiàn)行的CBTC的頻段和WiFi共用頻段，容易受到干擾)選擇頻段時(shí)，可以采用更適合傳輸?shù)念l段和帶寬以保證通信的安全可靠性。同時(shí)，高速飛行列車車地通信系統(tǒng)在真空管內(nèi)部可以更為自由地選用頻分復(fù)用技術(shù)提高傳輸容量。此外，如果選用漏波系統(tǒng)進(jìn)行接入覆蓋，由于金屬車體穿透損耗的隔離，頻段和帶寬的選擇約束將更低，可以避免用戶信號(hào)對(duì)安全類數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。

(4) 絕對(duì)的頻繁切換與群切換。和輪軌/磁懸浮高速鐵路相同，由于列車上乘客地理位置的集中性，聚集的乘客僅能通過車載中繼站和地面通信。并且，當(dāng)列車穿越覆蓋小區(qū)邊緣時(shí)，將發(fā)生用戶的群切換而出現(xiàn)“信令風(fēng)暴”，這種情況增加了網(wǎng)絡(luò)切換的負(fù)荷。

(5) 高速飛行列車運(yùn)行的規(guī)律性和狀態(tài)信息的準(zhǔn)確可預(yù)知性。運(yùn)行在真空管道內(nèi)的高速飛行列車與小區(qū)內(nèi)的公眾移動(dòng)通信用戶不同，后者的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，而高速飛行列車?yán)密囕d列車速度位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取其運(yùn)行狀態(tài)信息，從而為高速飛行列車寬帶接入通信系統(tǒng)提供先驗(yàn)信息。并且，高速飛行列車寬帶接入系統(tǒng)容量是可預(yù)知的，根據(jù)載客容量等信息可以預(yù)先獲得無線接入的容量，為通信設(shè)計(jì)提供先驗(yàn)知識(shí)。

2 高速飛行列車車地通信需求分析

真空管道高速飛行列車采用磁懸浮技術(shù)，列車與地面之間必然選擇采用無線通信方式。高速飛行列車與現(xiàn)有磁懸浮列車的最大區(qū)別就在于低壓密閉的運(yùn)行環(huán)境。本文根據(jù)上海磁懸浮列車38 G車地?zé)o線通信系統(tǒng)[8]，結(jié)合高速飛行列車特殊的運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)高速飛行列車車地?zé)o線通信需求進(jìn)行了具體分析。

對(duì)于高速飛行列車，在列車運(yùn)行控制方面，要求控制中心、地面設(shè)備和列車之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，涉及列車運(yùn)行調(diào)度、自動(dòng)控制、安全監(jiān)測(cè)、診斷維護(hù)等信息，這類信息具有較高的實(shí)時(shí)性和安全性需求，因此需要滿足“低延時(shí)高可靠”的傳輸要求；另一方面，需要提供面向乘客的移動(dòng)電話、移動(dòng)電視、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等非安全數(shù)據(jù)寬帶業(yè)務(wù)，這類信息的傳輸需要滿足“大容量高移動(dòng)”的傳輸要求。

2.1 面向列車控制的安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求

高速飛行列車交通系統(tǒng)是一個(gè)高度自動(dòng)化、智能化、信息化的平臺(tái)，該系統(tǒng)具有超高的運(yùn)行速度。為了保證在真空管道中以極高速度穿梭的列車安全性以及高效地管理和控制不同運(yùn)行狀態(tài)的列車，需要高速飛行列車在運(yùn)行過程中與地面進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。因此，高速飛行列車無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為高冗余、高可靠的結(jié)構(gòu)。

車地?zé)o線電通信系統(tǒng)必須滿足運(yùn)行控制系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、運(yùn)行語音通信、診斷系統(tǒng)等傳輸要求。高速飛行列車面向列車控制的安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量及可靠性需求[9-10]，見圖1。

圖1 高速飛行列車無線通信需求

2.1.1 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)通信

與磁懸浮列車系統(tǒng)相同，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是高速飛行列車安全防護(hù)和自動(dòng)控制的核心部分，同時(shí)也是整個(gè)高速飛行列車系統(tǒng)安全運(yùn)行的有力保障，參考傳統(tǒng)輪軌高速鐵路和磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，高速飛行列車運(yùn)行控制系統(tǒng)架構(gòu)可以分為三級(jí)：地面中央控制中心、地面分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)和車載運(yùn)行控制系統(tǒng)，三者緊密相連，利用通信網(wǎng)共同構(gòu)成車地全域的移動(dòng)分布式系統(tǒng)。中央運(yùn)行控制系統(tǒng)通過運(yùn)行控制核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)的通信，分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)通過車地?zé)o線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與列車的信息交換。

2.1.2 牽引控制系統(tǒng)通信

地面的牽引控制系統(tǒng)直接通過車地?zé)o線電系統(tǒng)獲取磁極相角信息，為牽引控制系統(tǒng)提供磁浮列車當(dāng)前的速度和位置信息；同時(shí)，牽引控制系統(tǒng)與分區(qū)控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換信息，獲取中央運(yùn)行控制中心的運(yùn)行指揮命令(如加速、制動(dòng)、停車等)。牽引控制系統(tǒng)基于既定的控制算法，結(jié)合列車當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)地面運(yùn)行中央控制中心的要求，以直線同步電機(jī)為控制對(duì)象，自動(dòng)控制高速飛行列車牽引力的大小，完成列車從啟動(dòng)加速到恒定速度的控制過程，實(shí)現(xiàn)列車減速、停車等多種運(yùn)行操作，令高速飛行列車按照既定的速度曲線高速、安全、舒適地運(yùn)行。上海磁懸浮運(yùn)營速度為430 km/h，高速飛行列車運(yùn)行速度超過1 000 km/h，為確保對(duì)牽引力的實(shí)時(shí)控制，上海磁浮列車牽引控制系統(tǒng)要求無線通信系統(tǒng)的傳輸延遲應(yīng)不大于5 ms[10]，根據(jù)傳輸延遲與速度的反比關(guān)系，高速飛行列車牽引控制系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的傳輸延遲應(yīng)不大于1 ms。

2.1.3 運(yùn)行語音通信

運(yùn)行語音用于各部門間進(jìn)行通話及業(yè)務(wù)聯(lián)系，列車工作人員與內(nèi)部及外部進(jìn)行公務(wù)電話聯(lián)絡(luò)，為列車工作人員提供語音、數(shù)據(jù)、傳真等通信業(yè)務(wù)，并作為專用電話系統(tǒng)的應(yīng)急通信手段。

2.1.4 安全監(jiān)控及檢測(cè)

為便于及時(shí)了解車地?zé)o線通信系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，方便對(duì)其進(jìn)行維護(hù)維修，要求車地?zé)o線通信系統(tǒng)具有在線診斷功能，可以對(duì)地面無線電控制設(shè)備、車載無線電控制設(shè)備、地面基站、車載移動(dòng)基站、光纖網(wǎng)設(shè)備等進(jìn)行最小可替換單元的狀態(tài)診斷、信息收集和顯示。主要包括設(shè)備故障診斷與監(jiān)控、列車狀態(tài)監(jiān)控、安防業(yè)務(wù)、真空管道環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

2.2 面向乘客的非安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求

真空管道載客數(shù)相對(duì)傳統(tǒng)輪軌高速鐵路數(shù)量較少，每個(gè)車廂乘客一般在10人左右(參考Hyperloop One與迪拜RTA合作項(xiàng)目的中長遠(yuǎn)距離膠囊高速鐵路乘客容量)。由于高速飛行列車運(yùn)行速度極快，所以每趟列車的單次運(yùn)行時(shí)間不會(huì)超過1 h，在列車運(yùn)行期間，旅客能夠通過無線終端實(shí)現(xiàn)與外界的信息互聯(lián)，而不至于成為“信息孤島”。面向乘客的非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求主要包括互聯(lián)網(wǎng)、旅客在途語音數(shù)據(jù)、高清視頻、在線辦公、云數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。

以未來5G用戶傳輸速率為參考，5G用戶體驗(yàn)速率(真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下公眾用戶可得到的最低傳輸速率)可達(dá)0.1～1 Gbit/s，傳輸全緩沖業(yè)務(wù)時(shí)，帶寬與5%用戶頻譜效率相乘的結(jié)果即為用戶體驗(yàn)速率。以Hyperloop One迪拜項(xiàng)目列車為例，假設(shè)整列車定員數(shù)為15人，5G終端滲透率為80%，則單列車5G終端用戶數(shù)為12個(gè)，用戶附著比為70%，用戶并發(fā)率為10%，因此，單用戶平均吞吐量要求為7～70 Mbit/s，整列車乘客吞吐量為84～840 Mbit/s，在列車會(huì)車時(shí)，需求吞吐量將翻倍。

3 高速飛行列車車地通信架構(gòu)

3.1 現(xiàn)行輪軌高速鐵路車地?zé)o線通信架構(gòu)

現(xiàn)行輪軌高速鐵路無線通信接入可采用衛(wèi)星接入、地面蜂窩、同軸泄漏電纜接入等幾種形式[11]，其中，蜂窩接入主要是三種方式，見圖2(a)～圖2(c)[12]。

(1) 移動(dòng)終端直接與蜂窩基站連接(Direct Link)：這種方式對(duì)基站和用戶終端軟硬件配置較少，因此也是最簡(jiǎn)單的一種方式，不用重新分配頻帶，見圖2(a)。但是，由于列車的高速移動(dòng)帶來了快衰落，為保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，對(duì)終端復(fù)雜度提出了較高地要求，此外，由于無線信號(hào)受到列車車體的屏蔽影響，產(chǎn)生較大的信號(hào)傳輸損耗，從而導(dǎo)致移動(dòng)終端功耗較大。

(2) 車載直放站方式：車廂對(duì)無線信號(hào)的屏蔽作用導(dǎo)致接收端較低的信號(hào)電平，利用車載直放站可以提高收發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度，見圖2(b)。車載直放站成本低，有利于快速擴(kuò)展基站覆蓋，這是其優(yōu)勢(shì)所在，但是直放站也存在如下缺點(diǎn)：直放站對(duì)信號(hào)僅做放大轉(zhuǎn)發(fā)處理，不能增加系統(tǒng)容量；直放站不能根據(jù)運(yùn)行場(chǎng)景的快速變化而實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)放大倍數(shù)；當(dāng)車窗或車門打開時(shí)，接收端會(huì)收到兩個(gè)信號(hào)，引入了非反射多徑。

(3) 車載中繼站(Mobile Relay)：為了克服上述車體穿透損耗和車載直放站的問題，提出車載中繼站兩跳結(jié)構(gòu)，見圖2(c)，所謂兩跳結(jié)構(gòu)，是指將多個(gè)接入點(diǎn)安裝在各個(gè)車廂內(nèi)，車載中繼設(shè)備首先對(duì)這些接入點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，然后與地面之間采用特定的無線傳輸通道進(jìn)行通信，兩跳是指回程鏈路和接入鏈路，其中回程鏈路(Backhaul Link)是指基站和車載中繼之間的鏈路，接入鏈路(Access Link)是指車載中繼和用戶終端之間的鏈路[13]。兩跳結(jié)構(gòu)成功地避免了信號(hào)穿透車體損耗較大的問題。在車載中繼站結(jié)構(gòu)中，越區(qū)切換操作是由車載中繼完成的，由于車載中繼匯聚了車內(nèi)所有的通信數(shù)據(jù)，因此可以將車載中繼當(dāng)成單個(gè)用戶，這樣就完美避免了群切換的出現(xiàn)，信令風(fēng)暴問題也可以得到有效解決，同時(shí)中繼站可以采用更為復(fù)雜的信號(hào)處理算法來保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(a)高速鐵路直接覆蓋Direct Link

(b)高速鐵路車載直放站Repeater

(c)高速鐵路車載中繼站

(d)真空管車載中繼站

(e)真空管車載直放站

(f)真空管漏波透鏡圖2 輪軌高速鐵路和高速飛行列車的幾種無線接入方式

3.2 無線耦合及新型漏波系統(tǒng)

參考高速鐵路無線覆蓋的幾種方式，同時(shí)考慮高速飛行列車無線接入的特殊性，由于真空管道的隔離，真空管外側(cè)基站無法使用基于直接鏈路(Direct Link)和車載直放站的無線自由波方式對(duì)高速飛行列車實(shí)施無線覆蓋，因此，采用漏波系統(tǒng)對(duì)真空管列車進(jìn)行覆蓋可能是目前較為合適可行的一種方式。采用漏波系統(tǒng)進(jìn)行耦合傳輸，如果將漏波結(jié)構(gòu)安裝在真空管道頂部(圖2)，通過特殊的波導(dǎo)開口設(shè)計(jì)，漏波覆蓋場(chǎng)在金屬腔體內(nèi)部以柱面波的方式擴(kuò)散輻射，見圖3。圖中，在列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向和漏波場(chǎng)輻射方向的切向夾角為0°，徑向夾角為90°，此時(shí)電波傳播不存在Doppler效應(yīng)。簡(jiǎn)單說明這一現(xiàn)象，若移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度為v，則所接收載波發(fā)生的多普勒頻移為[14]

( 1 )

式中：fd，n為第n條路徑上平面波的多普勒頻移；fm為最大多普勒頻移；λ為波長；c為光速，c=3×108m/s；fc為載波頻率。列車在高速運(yùn)行時(shí)，安裝在車頂處的天線與漏泄電磁波的入射角總是90°，根據(jù)式( 1 )可得fd，n=0，因此理論上可以完全消除多普勒頻移。

圖3 漏波系統(tǒng)覆蓋結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證多普勒消除的可能性，本文對(duì)漏泄波導(dǎo)上方的接收信號(hào)相位分布進(jìn)行仿真，見圖3。接收天線位于波導(dǎo)上方40 cm處，從右向左移動(dòng)，在各個(gè)位置采集接收信號(hào)相位數(shù)據(jù)。波導(dǎo)全長7 m，因?yàn)榭拷▽?dǎo)兩端處的場(chǎng)不太穩(wěn)定，所以采集數(shù)據(jù)的范圍取波導(dǎo)中間段，從1～4 m，共3 m的范圍，每隔10 cm采一次數(shù)據(jù)，共31個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。天線接收信號(hào)的相位分布見圖4，由圖4可見，相位分布均勻，波動(dòng)較小，有效抑制了多普勒效應(yīng)。后期可以通過減小漏泄率，獲得更加平坦的相位分布，進(jìn)一步抑制多普勒效應(yīng)。

圖4 漏泄波導(dǎo)上方相位分布

并且，漏波覆蓋場(chǎng)在金屬腔體內(nèi)部以平面波的方式分布均勻且覆蓋范圍有限(由于車載天線和漏波系統(tǒng)距離較近，漏波系統(tǒng)輻射信號(hào)較強(qiáng)，因此電波反射或散射對(duì)系統(tǒng)的多徑效應(yīng)可能相對(duì)較弱)，此時(shí)傳統(tǒng)輪軌高速鐵路車地通信的時(shí)變頻率選擇性衰落信道可能轉(zhuǎn)化為良態(tài)的靜止信道(無頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落，即無多徑和Doppler效應(yīng))。因此，無線傳輸中甚至可以不使用OFDM、LDPC等復(fù)雜的調(diào)制編碼技術(shù)，而通過簡(jiǎn)化通信方式節(jié)約傳輸開銷，真空管車地傳輸可以采用更為高效地空口無線接入方式。

漏波系統(tǒng)已在軌道交通專用無線通信中發(fā)揮重要的作用，近年來也被廣泛用于軌道交通公眾無線通信系統(tǒng)。漏波系統(tǒng)沿車體運(yùn)行方向鋪設(shè)，具有與電波覆蓋高度融合的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)與輻射特性對(duì)電波覆蓋起著決定性作用，使傳統(tǒng)天線方式存在的“電波獨(dú)自傳播很長距離”的情況不再出現(xiàn)。因此，相比自由空間“電波傳播”的概念，“電波覆蓋”概念更適用于真空管道內(nèi)的漏波系統(tǒng)。在高速飛行列車運(yùn)行環(huán)境下采用漏波系統(tǒng)提供電波覆蓋，具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是可以有效解決傳統(tǒng)分布式天線系統(tǒng)帶來的大衰落問題和多普勒效應(yīng)問題，使管道內(nèi)的電波覆蓋具有良好的平坦度，這對(duì)保障通信的可靠性、安全性具有重要意義。二是漏波結(jié)構(gòu)可以與真空管道的金屬管壁實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)與加工，不僅能夠提高漏波系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，而且能降低其生產(chǎn)與鋪設(shè)的成本。三是可以很好地解決真空管道在地面、地下和海底架設(shè)時(shí)無線覆蓋方式的統(tǒng)一性問題。四是可以在車載中繼站與漏波系統(tǒng)間構(gòu)建無線通信鏈路，而如果車廂的部分結(jié)構(gòu)采用透波材料，也可以不采用中繼站，直接在漏波系統(tǒng)與車廂內(nèi)用戶終端之間實(shí)現(xiàn)鏈路構(gòu)建，從而為高速飛行列車面向用戶的無線通信接入提供了多種選擇方案。

高速飛行列車擬采用的高頻段、寬帶通信對(duì)漏波系統(tǒng)提出了較高的要求。傳統(tǒng)漏波系統(tǒng)(包括漏泄同軸電纜、漏泄矩形波導(dǎo)等)主要應(yīng)用于低頻段，極化單一、傳輸損耗隨頻率增大而增大等是目前存在的主要問題。為了滿足高速飛行列車運(yùn)行環(huán)境下的高速率數(shù)據(jù)傳輸要求，以及面向用戶終端的極化多樣性要求，需要設(shè)計(jì)具有高頻、寬帶特性的新型漏波系統(tǒng)，并使其具有傳輸損耗低、多極化、場(chǎng)強(qiáng)分布平穩(wěn)等特性。

此外，傳統(tǒng)的漏波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很少考慮環(huán)境適應(yīng)性問題。而在真空管道內(nèi)部，全封閉金屬管道對(duì)漏波系統(tǒng)的輻射特性有較大影響，其邊界條件完全不同于傳統(tǒng)隧道環(huán)境，這使得對(duì)真空管道內(nèi)電波覆蓋的分析具有一定的獨(dú)特性和復(fù)雜性。因此，設(shè)計(jì)應(yīng)用于真空管道的漏波系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮漏波結(jié)構(gòu)與管道環(huán)境融合后的輻射特性變化，使其能夠在管道內(nèi)具有良好的電波覆蓋均勻度。

3.3 高速飛行列車車地?zé)o線通信架構(gòu)

(1) 漏波系統(tǒng)+車載中繼站：和高鐵車載中繼站相同(圖2(d))，真空管車載中繼通過車廂外部天線與接入網(wǎng)相耦合建立無線鏈路，安全業(yè)務(wù)和非安全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過車載中繼站和地面建立無線連接。高速飛行列車車載中繼站最為主要的問題是解決不同QoS(對(duì)應(yīng)安全業(yè)務(wù)和非安全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù))的無線資源分配問題。

車載中繼站為了保障傳輸?shù)目煽啃裕虼私Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且隨著真空管內(nèi)電波傳播信道條件的改善，車載中繼站架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就不突出了。此外，構(gòu)建車載中繼站也存在一些問題：車地?zé)o線鏈路需要特別建立(物理層、鏈路層等)，包括地面的安全類和非安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和需求業(yè)務(wù)的匯聚、車載中繼站數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分發(fā)等，這樣增加車地通信系統(tǒng)的復(fù)雜性，影響車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜?；并且，車載匯聚中繼轉(zhuǎn)發(fā)必然增加車地通信的傳輸時(shí)延，影響安全類數(shù)據(jù)的時(shí)間敏感性。此外，無論對(duì)于輪軌高速鐵路、普速鐵路還是地鐵等軌道交通通信系統(tǒng)，已有比較成熟的車地傳輸解決方案，如LTE-R、GSM-R、基于802.11的CBTC系統(tǒng)等，如能繼承和融合已有的解決方案，則可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，加速高速飛行列車車地通信產(chǎn)業(yè)化。

(2) 漏波系統(tǒng)直接覆蓋：采用漏波系統(tǒng)直接覆蓋車廂，針對(duì)安全類和非安全類數(shù)據(jù)的車地傳輸可以認(rèn)為是“一外一里”，即安全類的數(shù)據(jù)傳輸，僅需覆蓋到車廂外部即可(“一外”)，無線耦合后的信號(hào)經(jīng)過有線電纜方式連接到車廂內(nèi)部相應(yīng)的控制部分；對(duì)于非安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(乘客用戶數(shù)據(jù))，需要覆蓋到車廂內(nèi)部(“一里”)，建立由漏波系統(tǒng)到用戶的無線鏈路?！耙煌狻钡母采w，采用傳統(tǒng)漏波覆蓋方式就可以解決，針對(duì)“一里”問題，真空管漏波系統(tǒng)直接覆蓋分為兩種架構(gòu)：

① 漏波系統(tǒng)+直放站(簡(jiǎn)稱“漏波直放系統(tǒng)”) 與輪軌高鐵的車載直放站相同，高速飛行列車漏波直放系統(tǒng)可以較為方便地提高收發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度。在信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)放大方面更具優(yōu)勢(shì)，真空管漏波直放系統(tǒng)由于所構(gòu)建的車地耦合信道為良態(tài)的靜止信道，在穩(wěn)定覆蓋距離上信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，因此，直放站對(duì)信號(hào)放大倍數(shù)的跟蹤調(diào)整較為容易。此外，由于車地漏波系統(tǒng)覆蓋范圍有限，車窗或車門開啟也不會(huì)引入非反射多徑。

② 漏波+電磁波折射透鏡(簡(jiǎn)稱“漏波透鏡系統(tǒng)”) 車載直放站的作用是消除由于車地穿透損耗對(duì)“一里”用戶信號(hào)的影響，事實(shí)上，如果在車廂頂部開天窗，并且安裝具有特殊折射功能的電磁透鏡，則在適當(dāng)增加漏波發(fā)射功率時(shí)可以實(shí)現(xiàn)漏波系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)“一里”用戶的直接覆蓋。由于漏波系統(tǒng)的輻射波在車頂位置為垂直方向入射，在電磁透鏡設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮選用具有特定等效折射率分布的透鏡，對(duì)入射波進(jìn)行波束調(diào)控，在車內(nèi)實(shí)現(xiàn)更加均勻的場(chǎng)覆蓋。

傳統(tǒng)漏波結(jié)構(gòu)形成的發(fā)散波束近似為柱面波(真空管道橫截平面內(nèi))，因此列車車體外部區(qū)域也有場(chǎng)分布，在管道內(nèi)壁和列車殼體的反射作用下產(chǎn)生的回波對(duì)漏波系統(tǒng)造成干擾，同時(shí)由于進(jìn)入車體的功率不多，也造成了較大的功率浪費(fèi)。針對(duì)這一問題提出一種漏波近場(chǎng)匯聚技術(shù)，通過多漏波系統(tǒng)波束賦形結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)漏波近場(chǎng)匯聚，即將多個(gè)漏波結(jié)構(gòu)組成一定陣列，通過波束賦形，使這些漏波結(jié)構(gòu)形成的近場(chǎng)分布匯聚于一個(gè)“焦點(diǎn)”，這個(gè)“焦點(diǎn)”沿列車運(yùn)行方向無線延伸構(gòu)成“焦點(diǎn)線”，且沿線場(chǎng)強(qiáng)均勻不變，此時(shí)列車車體外場(chǎng)強(qiáng)可以認(rèn)為很弱或?yàn)闊o場(chǎng)，為解決回波干擾問題，同時(shí)為有效提升功率利用率提供了一種可能方案。此外，漏波近場(chǎng)匯聚可與“漏波透鏡系統(tǒng)”相結(jié)合，令“焦點(diǎn)線”在列車頂部開口透鏡上，電磁波穿過具有一定波束調(diào)控特性的電磁透鏡后發(fā)散覆蓋到車內(nèi)，可使車廂內(nèi)電場(chǎng)覆蓋更均勻。

4 C-RAN和免切換移動(dòng)蜂窩技術(shù)

4.1 C-RAN實(shí)現(xiàn)移動(dòng)蜂窩技術(shù)

高速飛行列車免切換移動(dòng)蜂窩技術(shù)可以通過基于云(Cloud)的集中式(Centralized)無線接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)[15]。與其他蜂窩架構(gòu)不同，C-RAN最大的特征在于大規(guī)模集中部署，即將基站間共有的、可以通用的基帶處理資源集中到一個(gè)基帶處理池(通常利用大型的計(jì)算機(jī)群實(shí)現(xiàn))中，允許成千上萬的RRU連接到集中式基帶池，基帶池對(duì)這些資源實(shí)行集中控制。這種方式的好處在于避免了用戶的基帶處理和資源只能由用戶端某些固定的資源單獨(dú)完成，而基帶處理池根據(jù)當(dāng)前的資源使用情況靈活地為用戶分配處理資源，可大幅提高利用資源的靈活性及效率[16]。

高速飛行列車的C-RAN系統(tǒng)架構(gòu)見圖5。C-RAN的分布式基站由BBU與RRU組成，RRU只負(fù)責(zé)數(shù)字-模擬變換后的射頻收發(fā)功能，BBU實(shí)際上是一個(gè)巨大的計(jì)算資源群，RRU不屬于任何固定的BBU，所有數(shù)字基帶處理功能都是集中式的，BBU形成的虛擬基帶池模糊了小區(qū)的概念[17]，在每個(gè)RRU上發(fā)送或接收信號(hào)的處理可以在BBU基帶池中的虛擬基帶處理單元中完成，而這個(gè)虛擬基帶的處理能力是由實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)分配基帶池中的部分處理能力構(gòu)成的，由于引入了實(shí)時(shí)云計(jì)算，使物理資源能夠在全局范圍內(nèi)得到最佳利用，整體分配和調(diào)度無線資源，而且可以有效解決“潮汐效應(yīng)”帶來的資源浪費(fèi)問題，降低網(wǎng)絡(luò)成本，并可以通過協(xié)作式處理技術(shù)提升部分網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶性能。在這種架構(gòu)中，基帶處理單元進(jìn)行集中式部署，形成基帶處理單元資源池，并通過光纖與遠(yuǎn)端漏波系統(tǒng)單元相連接，中心節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)高速飛行列車的準(zhǔn)確位置控制漏波系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，并且準(zhǔn)確控制小區(qū)物理數(shù)據(jù)流的切換。與傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)相比，采用實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)的云架構(gòu)，特別是真空管道條帶分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以完全實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理資源使用的全局優(yōu)化。

圖5 高速飛行列車C-RAN系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 移動(dòng)小區(qū)

高速飛行列車極快的速度也導(dǎo)致頻繁的越區(qū)切換，針對(duì)這一問題，傳統(tǒng)輪軌高速鐵路無線通信可以通過擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍來減少切換次數(shù)，然而，在小區(qū)邊界仍然發(fā)生切換導(dǎo)致的性能退化。傳統(tǒng)輪軌無線通信接入方案都是基于固定小區(qū)或固定段，也就是說，在固定小區(qū)(或固定段)中，每次列車穿越相鄰小區(qū)交界處時(shí)，首先需要斷開與“舊基站”的無線鏈路，然后建立與“新基站”的無線鏈路。隨著列車速度的大幅增加，這種越區(qū)切換過程將趨于極其頻繁，不可避免地導(dǎo)致通信性能下降。此外，由于真空管道狹小的密閉空間存在波導(dǎo)現(xiàn)象，可能導(dǎo)致固定小區(qū)恒定覆蓋無法實(shí)現(xiàn)。

為了保證用戶的無縫移動(dòng)性和服務(wù)質(zhì)量，最基本的要求是用戶通過切換區(qū)域的時(shí)間比切換處理時(shí)長，否則無法完成切換過程，這導(dǎo)致用戶的QoS下降甚至掉線。在高速移動(dòng)的情況下，由于用戶終端駐留時(shí)間比小區(qū)選擇過程時(shí)長要短，所以也容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題，比如斷網(wǎng)和小區(qū)選擇失敗。考慮到高速鐵路沿線狹長類型的網(wǎng)絡(luò)覆蓋特點(diǎn)以及可能存在的復(fù)雜地理環(huán)境，工業(yè)界使用光纖射頻拉遠(yuǎn)的方式(BBU+RRU)將六邊形小區(qū)轉(zhuǎn)化為帶狀小區(qū)[18]，大幅降低了越區(qū)切換的次數(shù)，但是高速飛行列車的超高時(shí)速可能將小區(qū)帶狀化的增益吞沒，光纖射頻拉遠(yuǎn)的技術(shù)仍然沒有從根本上解決切換帶來的系統(tǒng)性能下降。

因此，基于固定小區(qū)(固定段)的無線接入方案不適合速度超過1 000 km/h的高速飛行列車。現(xiàn)假設(shè)基站(BS)跟隨用戶設(shè)備(UE)的運(yùn)動(dòng)方向、速度而運(yùn)動(dòng)，則BS與UE之間建立的通信鏈路就相當(dāng)于固定通信鏈路，無論UE的速度多快，都能實(shí)現(xiàn)高速率傳輸?；谏鲜鏊枷肟梢钥偨Y(jié)出物理移動(dòng)基站方案[19-20]，然而事實(shí)上，在列車速度極高的情況下，物理移動(dòng)基站是不可實(shí)現(xiàn)的。因此移動(dòng)基站可以用移動(dòng)小區(qū)(移動(dòng)頻率)[21]來代替，移動(dòng)小區(qū)(移動(dòng)頻率)概念可以實(shí)現(xiàn)類似移動(dòng)基站的效果。

C-RAN技術(shù)可以支持移動(dòng)小區(qū)概念的實(shí)現(xiàn)。高速飛行列車運(yùn)行軌跡是固定的，利用相應(yīng)傳感器可以精確測(cè)得管道內(nèi)列車的時(shí)速、位置，云處理端實(shí)時(shí)獲取列車的當(dāng)前位置、移動(dòng)方向和速度信息，根據(jù)這些信息，云處理端部署列車通過光傳輸網(wǎng)絡(luò)接入的下一個(gè)RAU，使系統(tǒng)中無需發(fā)生切換。云處理端與RAU之間通過光纖環(huán)路連接，云處理端內(nèi)部通過一種基本的光交換結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的切換，見圖6(a)。光纖采用密集波分復(fù)用技術(shù)DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)實(shí)現(xiàn)單條管線內(nèi)多路信號(hào)的同時(shí)傳輸，每個(gè)RAU與一個(gè)固定光波波長匹配，每個(gè)RAU安裝光分插復(fù)用器OADM(Optical Add-Drop Multiplexer)實(shí)現(xiàn)與固定波長的匹配。利用RoF技術(shù)，打破原本RF頻率與光載波波長之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將RF信號(hào)調(diào)制到不同的光載波，可以實(shí)現(xiàn)切換時(shí)不需要改變射頻信號(hào)的調(diào)制載波頻率，小區(qū)移動(dòng)基本原理見圖6(b)。

T1時(shí)刻：列車處于RAUi-1覆蓋范圍內(nèi)，頻率為fi的RF信號(hào)被調(diào)制到光載波λi-1上，被RAUi-1接收處理還原后輻射給列車車頂天線。

T2時(shí)刻：列車運(yùn)行到下一個(gè)RAU服務(wù)區(qū)，當(dāng)列車處于RAUi-1與RAUi服務(wù)重疊區(qū)適當(dāng)位置時(shí)(云處理端基于快速越區(qū)切換算法[22]，根據(jù)列車的實(shí)時(shí)位置、速度等信息計(jì)算得到)，仍將無線傳輸數(shù)據(jù)調(diào)至為射頻信號(hào)fi，而運(yùn)載射頻信號(hào)的光載波則發(fā)生了變化，即fi將被調(diào)制到光載波λi上，被RAUi接收，解調(diào)為無線信號(hào)fi，輻射至RAUi覆蓋區(qū)，同時(shí)關(guān)閉RAUi-1的輻射開關(guān)，保證只有覆蓋列車的RAU處于輻射激活狀態(tài)。

(a)云處理端和RAU內(nèi)部

(b)小區(qū)移動(dòng)基本原理圖6 移動(dòng)小區(qū)切換原理

上述方法中，相當(dāng)于云處理端光信號(hào)切換過程代替?zhèn)鹘y(tǒng)的越區(qū)切換過程，由于光信號(hào)切換時(shí)延為5×10-6～10 ms之間，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)切換時(shí)延(0.1～1 s)，完全能滿足高速飛行列車的頻繁切換要求。列車在移動(dòng)過程中與不同的RAU進(jìn)行通信，但列車天線始終以相同的頻率與RAU通信而不需要進(jìn)行變頻操作，若忽略上述光信號(hào)切換延遲，可以等效于小區(qū)(頻率)跟隨列車同步移動(dòng)，移動(dòng)小區(qū)概念由此得來。

5 結(jié)束語

中國的高速鐵路技術(shù)正引領(lǐng)世界，但隨著“一帶一路”倡議和高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略實(shí)施的不斷深入，面對(duì)日本505 km/h超導(dǎo)磁懸浮交通工程和美國“超級(jí)高鐵”等高速軌道運(yùn)輸技術(shù)的挑戰(zhàn)，真空(或低壓)管道式磁懸浮地面交通是達(dá)到超高速的唯一途徑。為保持我國高速鐵路技術(shù)的繼續(xù)引領(lǐng)，應(yīng)積極在基本科學(xué)問題上開展前瞻性研究，充分發(fā)揮中國原創(chuàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，加快1 000 km/h及以上真空管道超高速鐵路運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)的研究和工程論證，搶占制高點(diǎn)，引領(lǐng)發(fā)展超高速真空管道的未來軌道交通技術(shù)，有助于我國在軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的繼續(xù)領(lǐng)先。