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对高铁宽带移动通信系统架构演进的思考

作者：方旭明

来源：《中兴通讯技术》2015年第03期

摘要：探讨控制面与用户面分离的高铁移动通信系统网络架构设计，以及相关的频谱融合

和干扰协调问题。认为有别于公众移动通信系统，高铁移动通信技术包括两个重要的技术指

标：传输性能和可靠性能，目前正是开展高铁高可靠和大容量移动通信系统研究的最佳时期。

相关研究表明，对于未来高铁移动通信系统的高性能传输需求，需要更多地在物理层之上设计

有效的解决方案。

关键词：高铁；宽带移动通信；5G；架构；频谱融合；干扰协调

随着中国装备制造业的快速崛起，近年来高铁发展水平开始举世瞩目。尤其从“十一五”开

始，中国已成为世界上一次建成里程最长、运营速度最快的高铁国家。按照《综合交通网中长

期发展规划》，到2020年，中国高铁总规模将达到1.8万公里，将占世界高铁总里程的一半

以上。高铁技术正逐渐成为中国走向世界的一个国家品牌。与此同时，另一个引以为傲的国家

品牌是移动通信技术。如何保证并持续提升中国高铁的整体技术实力，并借着移动通信技术向

第5代移动通信（5G）演进的契机，使中国高铁移动通信技术也跃上一个新的台阶，这是我

们从国家战略上必须思考和提前布局的问题。

客观地说，目前世界范围内的高铁移动通信水平与公网移动通信水平相比还有较大的差

距，特别是旅客在高铁上移动互联网的服务体验是影响高铁形象的一个严重问题。主要性能指

标如带宽、接通率、掉话率、切换失败率等在高速移动场景下大大恶化，其主要原因在于高移

动性对移动通信带来了以下问题：

大多·普勒频移扩展、大时延扩展和角度扩展

信道快速·时变、信道估计和信道预测困难

隧道、山区、·U型槽等环境非常复杂

高速切换、·频繁切换和群切换等

值得庆幸的是，以提升移动通信服务质量（QoS）为目标的5G关键技术的研究已经展

开，一些新的技术，如基于云的无线接入网络和新型协作网络架构，控制面/用户面（C/U

面）分离的网络架构，通过毫米波、载波聚合或动态频谱分配的频谱融合技术均可能成为潜在

的解决上述问题的手段。

此外，对于未来移动通信系统，无论是公用系统还是专用系统，带宽资源需求与频谱资源

供给之间的矛盾日益扩大，如何在许可证频谱之外寻求更广阔的频谱资源？一个自然而然的思

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路就是利用认知无线电技术，在现有的非许可证频谱中寻求支持，合理地利用微波和毫米波频

段的非许可证频段。

因此，考虑下一代移动通信技术的普适性，同时考虑未来高铁移动通信的需求和特点，需

要开展基于5G关键技术的高铁移动通信系统关键技术研究。我们相信，开展上述问题研究符

合国家的科技发展战略和重大需求，也符合通信产业发展的需要，有利于下一代移动通信网络

和高铁相关的关键技术的突破。

高铁宽带移动通信现状1

及发展动态

与非许可证频段融合的移动通信1.1

研究现状

目前，传播特性良好的低频段已十分拥挤，为了满足未来移动通信系统中用户的海量带宽

需求，运营商需要向拥有较宽连续频谱的高频频段甚至毫米波频段扩展。本研究提出聚合利用

许可证频段与非许可证频段、毫米波频段的频谱融合技术。有别于传统的频谱聚合技术，这里

聚合的成员频谱数量多、跨度大。因此，我们将其定义为频谱融合。

近年来，频谱聚合得到了学术界的高度关注与重视，并取得了一些研究成果。文献[1]概

述了频谱聚合的发展现状、关键技术、技术挑战及发展趋势。文献[2]从认知理论出发，研究

了一种基于用户带宽需求的频谱聚合策略，可以有效避免频谱碎片的产生，同时减小终端复杂

度，但文章中只研究了许可证频段的频谱聚合。文献[3]指出频谱聚合时需要考虑成员载波的

带宽限制，但其仅分析了相近带宽聚合，没有分析载波之间的频谱距离。从现有研究现状看，

现有研究成果主要还停留在许可证频段的频谱聚合，并且聚合的成员频谱跨度小，频谱特性差

异较小，成员频谱数量和成员频谱带宽种类有限。对于聚合分布在许可证频段和非许可证频段

的跨度更大、数量更多的成员频谱，会存在比传统频谱聚合技术中的衰耗差异更大、覆盖更不

均匀、上下业务更不对称及切换频繁等一系列问题。

1.2C/U分离的移动通信系统架构