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应对高速公路、铁路的无线通信挑战
http://www.cww.net.cn   2010年12月11日 14:47    通信世界周刊    
作 者:特约撰稿人 马毅华

当前,中国高速公路总里程已超过6.5万公里,并将在未来2到3年内超过8万公里;中国高速铁路已建成的速度能力达到200km/h以上的客运专线已经超过7千公里,同时在建线路1万公里,未来高铁网络将覆盖全国所有的重要城市圈。可以预见,在不远的将来,高速公路和高速铁路也将成为无线通信需求汇聚的场所,充分保障高速公路、铁路的无线业务能力和体验对运营商收入具有重要意义。

当汽车和火车的运行速度还不是那么高,用户使用的业务始终比较简单,比如只限于短消息或者语音电话,交通器上的通信问题和一般通信问题并无太大区别。但是,当高铁速度达到200km/h以上甚至超过350km/h的速度时,并且用户在路上产生了高带宽的丰富业务需求时,高速公路、铁路上的通信就形成了无线通信中的一个专门课题,带来了诸多技术挑战。

业务、速度与覆盖的新要求

高速公路、铁路上的通信挑战主要来自三个方面,分别是业务、速度和覆盖。

在城区环境里,用户的带宽需求通常呈现和运动速度成反比的规律。比如用户在室内静止,带宽需求最大;步行时,带宽需求减少;城市里搭载交通工具时,带宽需求更少。但是在高速公路和高速铁路上,搭乘者时间充裕,汽车和火车也越来越平稳舒适,用户在此环境里产生的业务需求反而越来越接近于室内,高带宽的数据业务需求丰富。高速度下的高带宽业务对设备性能提出了更高的要求。

终端高速运动时,从基站发向终端的信号和终端发向基站的信号均会产生多普勒频偏,频偏大小和载波大小、运动速度成正比,而频偏会导致信号畸变,影响接收质量。当频偏到达一定程度时,甚至会出现信号完全不可接收。当交通器的运行速度达到150km/h至350km/h时,这样的高速度对各种制式的通信系统均会产生信号接收的挑战。此外,高速运动对终端在无线小区间的重选和切换也构成了影响,终端运动速度过高,重选和切换的失败可能增加。

高速公路、铁路的环境一般较城区更为空旷,无线传播条件优于城区,这是有利于覆盖的因素,但事实上,覆盖问题始终是高速公路、铁路通信所面对的难点。一方面,高速公路、铁路上的绝对用户密度小于城市,出于经济性的考虑,覆盖高速公路、铁路的基站密度也要尽量低,基站密度越低,覆盖难度越大;另一方面,车辆对信号的阻挡作用非常明显,高铁车厢对无线信号的衰减作用和城市建筑的墙壁相当,而密闭车窗的汽车对信号的衰减也很显著。

解决方案:增强设备能力和车载转发设备

解决高速公路、铁路通信问题的方案之一是增强设备能力,即基站和终端采用更复杂的消除频谱算法来对抗上下行的频偏,同时基站扩大小区覆盖范围,减少切换。

针对高速交通线路,基站可以专门建设,使得基站具备适应高速场景的特殊能力,但终端却不能特殊设计而必须是通用的。为了增强终端在高速场景下的能力,通用终端的成本势必要增加,基于设备能力的解决方案的可行度就在于终端为应付特殊场景而增加的成本是否较大。如果成本增加微乎其微,基于设备能力的方案是解决高速问题最直接有效的方案;如果成本增加得较大,这种方案就不经济了,因为在更常见的大量非特殊场景里,这部分成本均被浪费。

方案二即基于车载转发设备的解决方案与基于设备能力的方案不同,其出发点是让车辆配备标准化的信号转发设施,而减轻对终端能力的要求。这种方案要求车辆配备天线外置的信号转发设备,车载转发设备一方面可以起到直放站的作用,放大信号,增强覆盖;另一方面可以起到信号处理的作用,消除由于高速运动而产生的信号频率畸变,对信号进行频偏补偿后再转发到车内。

对于汽车,车载转发设备就是车辆通信终端的前端,可看做车载终端的调制解调器;对于高铁列车,车载转发设备应进一步包括覆盖车厢内部的内置天线分布系统,将频偏处理后的信号通过车内天线向车厢内转发,这样车厢内的终端就不必具备特殊能力来应付高速问题,减低了对终端的性能要求。

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