关于高速铁路公网覆盖的通信传输技术研究与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：姓名：李明（1988），男，汉族，黑龙江五常人，本科，工程师，研究方向为通信工程。-42-关于高速铁路公网覆盖的通信传输技术研究与应用 李 明 中铁二十三局集团电务工程有限公司，天津 300380 摘要：摘要：本文深入探讨了高速铁路公网覆盖的通信传输技术，重点关注无线和有线传输技术的融合、数据交换技术的应用，以及网络安全技术的重要性。通过对高速铁路隧道内通信传输特点的分析，本研究展示了多网融合技术如何在不同环境下应对信号衰减、干扰管理等挑战，并提出了有效的技术解决方案。文中还探讨了未来通信技术的发展趋势，如波束成形、MIMO 技术，以及毫米波通信在高速铁路隧道公网覆盖中的应用前景。关键词：关键词：高速铁路；公网覆盖；通信传输技术；无线传输；有线传输；数据交换；网络安全；多网融合 中图分类号：中图分类号：TU723 0 引言 在高速铁路运输系统中，确保稳定可靠的通信传输是至关重要的。随着高速铁路网络的不断扩展和列车运行速度的提升，传统的通信系统面临着越来越多的挑战，尤其是在铁路隧道等特殊环境下。因此，本文旨在研究和应用基于公网覆盖的通信传输技术，探索如何在高速铁路隧道等复杂环境中实现高效、稳定的通信。本文首先分析了高速铁路通信系统的基本要求和隧道内部的特殊通信条件，随后详细探讨了现有的通信技术及其在高速铁路环境中的应用。最后，本文还探讨了未来通信技术的发展趋势，以及它们如何帮助解决当前面临的技术挑战。1 高速铁路公网覆盖的通信传输技术 高速铁路系统的公网通信覆盖是基于一系列先进的通信技术构建的，主要包括：1.1 无线传输技术 这是高速铁路公网覆盖的核心技术。它主要用于传输语音、数据和图像等信息。目前，此技术主要依赖于微波传输、卫星通信和先进的移动通信技术。微波传输，以其高频率电磁波传输远距离信息的能力，特别适用于高速铁路环境。同时，卫星通信技术为跨国和跨区域通信提供支持。随着 5G 技术的发展，移动通信技术为列车上的乘客提供了高速且无缝的通信体验。1.2 有线传输技术 这涉及通过物理媒介（如光缆）进行信息传输。在高速铁路中，该技术主要用于将信息有效地传输到各个站点和终端设备。鉴于铁路的特殊运行环境，这类技术须具备高抗干扰性、远距离传输能力和快速传输速率。光纤技术，因其高带宽和低衰减特性，成为高速铁路公网覆盖的首选方案。1.3 数据交换技术 这是确保信息在不同设备间有效交换的关键技术。在高速铁路公网覆盖中，此项技术通常通过先进的路由器和交换机实现。随着物联网（IoT）和边缘计算的发展，实时性和稳定性需求得到了更好的满足，确保了数据传输的高效和可靠。1.4 网络安全技术 在确保信息安全方面，网络安全技术起着至关重要的作用。这包括了先进的网络防火墙、入侵检测系统（IDS）和强大的数据加密技术。随着人工智能和机器学习的应用，网络安全系统已能更加智能地识别潜在的威胁，保障铁路通信系统的安全稳定运行。综上所述，高速铁路公网覆盖的通信传输技术融合了无线传输、有线传输、数据交换和网络安全等多个方面，利用了 5G、物联网、边缘计算以及人工智能等现代科技的优势。这些技术的综合运用不仅确保了信息的快速传递，还为高速列车的安全、高效运行提供了坚实的技术支撑。2 高速铁路隧道内的通信传输特点分析 高铁隧道无线覆盖作为一个大型基础设施项目，在实施过程中展现出一系列特有的复杂特点：2.1 高速移动环境下的通信系统挑战 中国科技期刊数据库 工业 A-43-多普勒频偏的影响：由于列车高速运行，多普勒效应对无线信号频率造成显著的影响，从而影响通信质量。列车穿透损耗：列车结构对无线信号的阻碍造成信号强度的大幅下降。用户切换与小区重选：高速移动环境下，用户设备频繁进行基站切换和网络重选，对无线网络稳定性构成挑战。公网与专网通信干扰：需要确保公网通信系统与列车专用通信网络之间不相互干扰。2.2 施工中的多单位交叉作业风险 在同一施工点，来自不同专业背景和行业的多家单位同时作业，这增加了作业的复杂性，可能导致安全风险和成品保护问题。2.3 较为恶劣的施工环境 通风与灰尘问题：隧道内通风条件不佳，灰尘多，对施工人员的健康和作业效率产生不利影响。光照与湿度问题：隧道内环境阴暗潮湿，对施工视线和人员安全造成影响。设备品质要求高：必须选用能承受恶劣环境的器材和设备，满足防水、防潮、防尘及承受高风压的要求。2.4 施工时间的限制性 与高铁运营时间的同步性：无线覆盖工程需与高铁地铁的电气工程同步实施，受到运营时间表的限制。天窗时间限制：已运营的高铁地铁项目需在官方批准的特定时间内进行施工，对项目实施的时间安排产生重大影响。2.5 特种作业的需求 高铁地铁工程涉及众多特种作业，如高空作业、带电作业、焊接作业等，增加了项目的技术复杂度和安全风险。2.6 营业线作业的高风险 天窗时间作业：需要在严格的时间窗口内完成作业，影响工程进度和安排。车辆通行风险：施工期间需注意车辆通行，确保施工安全。安全预警和保护措施：施工过程中必须有高铁地铁方的安全防护员在场，确保作业的安全性。高铁隧道无线覆盖项目的这些特点，显示了其在实施过程中需要考虑的各种复杂因素，包括技术挑战、安全风险以及环境适应性等，这些都对项目的规划和执行提出了高标准的要求。3 应用案例与实际研究 3.1 工程概况 某高速铁路客运专线设计速度为 250km/h，线路全长 371km，全线共 34 座隧道，隧道总长度 64km。3.2 方案比选 隧道内覆盖通常分天线和泄漏电缆两种方式，这两种方式各有优点，采用天线覆盖方式安装相对方便，平均每个站建设成本较泄露电缆造价便宜 25%，但漏缆覆盖场强均匀，并且隧道环境不利于天线辐射，并且本项目是高速客运专线。从覆盖效果、安全性、可维护性、站点数量等因素综合考虑，漏泄电缆覆盖更适合高铁铁路的隧道覆盖。相比单泄漏电缆路由方案，双泄漏电缆路由方案具有抗干扰能力强、系统扩展性高的优点，且具备提供 LTE MIMO 的能力，因此，本工程隧道内覆盖，在移动、电信、联通三家运营商多系统接入的情况下，采用双泄漏电缆路由方案提供无线信号覆盖。3.3 总体施工情况（1）隧道接入移动 GL（1800MHz）、移动 TDD-LTE（F/A）、联通 U2100（2100MHz）、联通 L2100（2100MHz）、电信 LTE（800MHz）、电信 LTE（1800MHz）共 6 套系统，其中移动 TDD-LTE（F/A 频段）共用 1 套 2 端口设备，联通 U2100（2100MHz）与联通 L2100（2100MHz）共用一台 4 端口设备。（2）隧道内新设两条 1-5/8 英寸漏缆，挂设在距轨面 2.1 米和 2.6 米的位置，在隧道口用定向天线延伸隧道内信号至隧道外，保证切换顺利进行。定向天线挂设在隧道口新设的钢杆上（并满足倒杆距离要求），隧道口设置 2 根钢杆，其中移动 RRU、定向天线、POI 挂设在一根钢杆上，联通和电信 RRU、定向天线挂设在另一根钢杆上。（3）在隧道口及隧道内综合洞室、通信洞室或电力洞室内新设 RRU，结合漏泄同轴电缆方式对隧道内进行覆盖。（4）根据各系统 RRU 设备间距的要求，充分利用中国科技期刊数据库 工业 A-44-隧道口场地和隧道内洞室资源，最大限度满足各系统覆盖指标要求。（5）本工程所有新设的 RRU 由铁路隧道内电力箱变供电，箱变至各个设备点的供电方式为串联式。新设电缆需采用耐寒、低烟、无卤、阻燃的电力电缆，敷设在电力槽道内，与既有铁路电力电缆采取隔离措施。（6）本工程在设备点设置光缆交接箱，隧道口光缆交接箱采用落地式安装，隧道洞室内光缆终端盒采用壁挂式安装。（7）隧道内沿弱电槽道敷设 1 条 GYTZA 型光缆，根据不同情况敷设 24 芯、48 芯、72 芯、96 芯或 144芯，在隧道洞室内每个设备点，光缆采用环形引接方式接入设备点设置的光缆终端盒。每个设备点成端 8芯，其中移动使用 4 芯，联通使用 2 芯，电信使用 2芯。3.4 无线组网方式 本工程采用“分布式基站漏泄电缆定向天线”的方式进行覆盖。使用铁路红线外的 BBU 信源，RRU 和 POI 设置于隧道口室外钢杆或隧道洞室内。在隧道内，RRU 向 POI 馈入信号，POI 对多制式信号合路后通过漏缆对隧道内进行覆盖；在隧道外利用定向天线将隧道内信号或场坪站信号延伸覆盖至隧道外。为实现 4G 系统 MIMO 功能，本次设计隧道内采用两条漏泄电缆。结合隧道长度及设备洞室情况，本工程隧道组网方案有以下两种类型：（1）短距离（小于 0.3km）隧道的组网 本工程短距离隧道内均无洞室，隧道内不能设置RRU 设备。在隧道口合适的位置设置场坪站，场坪站新设 2 根钢杆，其中移动 RRU、定向天线、POI 挂设在一根钢杆上，联通和电信 RRU、定向天线挂设在另一根钢杆上，实现对公网设备所在隧道口外延伸区域的覆盖。（2）长距离（大于 0.3km）隧道的组网 对于长距离隧道，考虑到隧道口红线外征地等原因，优先将公网设备设置于隧道洞室内，根据公网设备链路预算结果及隧道内可利用洞室情况合理设计公网设备安装位置。3.5 多网融合技术 高速铁路通信系统通常由移动、联通、电信三大运营商的 4G、5G 网络组成。为了提倡共建共享，公网覆盖系统被设计为多频段共用同一信号分布系统。在这样的设置中，不同频率信号间的干扰主要体现在系统下行对其他系统上行的干扰，主要分为阻塞干扰、杂散干扰、互调干扰。阻塞干扰发生时，一个较大干扰信号进入接收机前端的低噪放大器，可能会将放大器推入到非线性区域，导致其对有用的微弱信号的放大倍数降低，甚至完全抑制。这会严重影响接收机对微弱信号的放大能力，可能导致数据传输速率下降或连接中断。在多系统设计时，为避免这种情况，必须确保到达接收机输入端的强干扰信号功率不超过系统指标要求的阻塞电平。杂散干扰主要是由于接收机的灵敏度不高造成的。发射机输出的大功率信号在产生过程中可能会在发射信号的频带之外产生较高的杂散。如果这些杂散信号的幅度高且落入某个系统接收频段内，则会导致接收系统的输入信噪比降低，从而恶化通信质量。互调干扰是当两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生与有用信号频率相近的频率，对通信系统构成干扰。这种干扰在移动通信系统中常见，主要包括发射机互调、接收机互调及外部效应引起的互调。使用现代数字信号处理技术，如自适应滤波器和干扰消除算法，可以有效地减轻这种干扰的影响。为了减少干扰的影响，保证足够的收发隔离度，应从两方面入手：(1)在 POI 内加装滤波器以增加电路隔离；(2)将系统的发射信号与接收信号分开，利用空间隔离来增加系统的隔离度。根据实践经验，上行漏缆与下行漏缆间距 0.3m 即可满足隔离度要求（隔离度60dB）。然而，在实际工程中，考虑到一定的冗余，建议两漏缆布放间距为 0.4m，以更好地满足隔离度要求，有效防止上下行干扰。高速铁路通信中的多网融合技术的部署与优化是确保高速铁路通信系统顺畅运行的关键。通过建立稳定可靠的网络基础设施、选择和整合适合的多网融合技术、优化数据传输和信号覆盖，以及加强网络安全保障措施，可以提供更快速、更可靠、更稳定的通信服务。未来，随着科技的不断发展，如毫米波通信和MIMO 技术的应用，高速铁路通信中多网融合技术的部署。中国科技期刊数据库 工业 A-45-4 基于公网覆盖的通信传输技术发展前景 在未来高速铁路隧道公网覆盖的通信传输技术领域，我们预见将会有显著的进步，特别是在应对隧道内部复杂的通信环境方面。随着 5G 及未来 6G 技术的发展，以及物联网和人工智能技术的融合，预计将实现更高的数据传输速度、更低的延迟和更强的信号穿透能力。这些进步对于提高隧道内部的信号覆盖和通信质量至关重要。特别是在隧道这种特殊环境中，传统的通信技术面临着诸如信号衰减、多路径干扰等挑战，而新兴技术将提供更为有效的解决方案。先进的通信技术，如波束成形、MIMO（多输入多输出）技术，以及毫米波通信，都有望在高速铁路隧道通信中发挥重要作用。波束成形可以增强信号的方向性，减少干扰，而 MIMO 技术通过使用多个天线来传输和接收信号，可以大幅提高数据吞吐量和信号稳定性。此外，毫米波通信则因其高频率特性，在短距离内提供极高的数据传输速率。除了硬件和网络技术的改进，软件层面的创新，如智能信号处理算法、自适应网络管理系统，也将在未来的高速铁路隧道通信系统中扮演重要角色。这些技术能够智能地管理网络流量、优化信号路径，并提供更加强大的网络安全保护，确保数据传输的安全性和可靠性。总之，未来的高速铁路隧道通信系统预计将更加智能化和高效，能够为旅客提供更加稳定和高质量的通信服务，同时也为运营商带来更高的网络管理效率和安全性。随着技术的不断进步，这些系统将变得更加先进，为高速铁路旅行提供更加丰富和满意的体验。5 结束语 在探索高速铁路公网覆盖的通信传输技术研究与应用的过程中，我们已经见证了多项创新技术的发展和实施，它们为高速铁路系统带来了革命性的变化。随着 5G、6G 等前沿通信技术的不断演进，以及物联网和人工智能的深度融合，未来的高速铁路通信系统将更加智能化、高效化，能够提供无缝、稳定且高速的网络连接。这不仅将极大地提升乘客的旅行体验，同时也为运营管理和应急响应提供了强大的技术支持。在未来的研究中，我们应继续探索更多创新解决方案，以应对高速铁路通信领域面临的新挑战，不断推动通信技术在高速铁路领域的应用，为实现更安全、更便捷、更智能的铁路运输系统贡献力量。参考文献 1谢毅;肖杰.高速铁路发展现状及趋势研究J.高速铁路技术,2021(02).2艾渤;章嘉懿;何睿斯;马国玉;钟章队.面向智能高铁业务和应用的 5G 基础理论与关键技术J.中国科学基金,2020(02).