主頁（http://www.by236.com）：鐵路衛星通信的發展現狀與技術挑戰

呂婷婷 李帥 程宇新 吳建軍

北京大學信息科學技術學院衛星與無線通信實驗室

一、引言

鐵路衛星通信屬于陸地衛星移動通信（LMS）的一種特殊形式，在數據、圖像以及音頻傳輸方面具有獨特的優勢，有望成為鐵路數據通信網的重要一環。與其它陸地通信手段相比，鐵路衛星通信具有地理上不受限制、通信距離遠和分配靈活等優勢，并且衛星波束覆蓋范圍較大，其通信鏈路也可以延伸到相對偏遠的沿路地區。盡管遇到地面移動通信3G/4G的強有力挑戰和競爭，但鐵路衛星通信由于其覆蓋范圍廣的獨特優勢，仍具有一定的生存空間，尤其在如青藏鐵路等的一些偏遠地區。隨著時代的發展，一向處于落后狀態的鐵路通信系統，在采用了衛星通信設備以后，有可能因此發生巨大的變化。

鐵路衛星數據通信網拓撲結構為星狀網，電話通信拓撲結構為網狀網。網絡管理系統可以動態分配衛星轉發器帶寬，動態分配衛星轉發器信道，動態配置網絡節點和節點的信道容量。鐵路衛星通信網是鐵路專用網，它是具有一個獨立網絡管理的衛星通信系統，又是鐵路通信網的一個重要組成部分。它為鐵路運輸管理、運輸指揮、鐵路工程等提供專用通信服務，也為廣大鐵路職工提供公務通信服務，還對公眾開放服務，如國內/國際旅客列車移動電話通信、旅客列車移動電視接收、旅客列車移動圖像/電話通信、全路漫游尋呼等。

二、鐵路衛星通信發展現狀

1．國外鐵路衛星通信發展現狀

國外一些地區已經部署鐵路衛星通信系統并已投入商用，例如俄羅斯、非洲、歐亞等地。

Hughes公司成功實現了基于鐵路交通的微小衛星通信地球站(VSAT)的安裝應用，目前主要在印度和俄羅斯進行部署。在俄羅斯的鐵路衛星項目中，通過VSAT實現的寬帶連接已部署應用在從莫斯科到納茲蘭的長達1900km的鐵路上。

通過在火車頂部安裝一個低剖面，三軸固定天線，并且與HX200衛星路由聯合運用，在這段長1900 km的鐵路旅程中，網絡能夠維持穩定持續接入。乘客能夠通過網絡接入進而瀏覽網頁，并維持安全加密的HTTPS 連接，甚至在發生信號干擾時，也能夠維持網絡接入。

2.我國鐵路衛星通信的發展歷程

我國鐵路衛星通信網發展有4個階段。第一階段主要是規劃鐵路衛星通信網并建立試驗性鐵路衛星通信系統；第二階段是建設鐵路衛星固定業務通信網階段；第三階段是鐵路衛星通信網的開發應用階段，開發應用的內容可包括星上資源的有效利用、網絡資源的有效配置、通信業務的最佳配置與動態管理等。目前我國鐵路衛星通信網還處于試驗性階段，并沒有投入到商用。

20世紀80年代初期，中國鐵道部開始探討衛星通信在鐵路的應用，組織北方交通大學、鐵道科學研究院通信信號研究設計院于1988年5月共同完成了“衛星通信在鐵路上發展的研究”，為發展鐵路衛星通信提供了決策依據。同期，參與中國廣播衛星公司1987年建立并運營的國內第一個VSAT（甚小孔徑終端）衛星數據通信網，鐵道部分別在北京、烏魯木齊、蘭州和柳州設立了衛星小數據站，為鐵道部電子中心和3個鐵路局電子中心之間提供衛星數據通信業務。1990年分別在廣州和�？谠O立了衛星小電話站，利用VSAT衛星電話系統提供兩地的衛星電話業務。1993年底，鐵道部購買亞洲衛星2號Ku頻段1/4 轉發器作為空間段，并于1995年,開始建設聯結鐵道部和各鐵路局及鐵路分局間的VSAT衛星通信網。該衛星網經過固定地球站和可搬移地球站與鐵路地面通信網相連接，提供話音、數據、會議電視等通信服務。1997年開始建設聯結全國鐵路各鐵路局及鐵路分局主要車站的VSAT衛星數據通信網，并經過地球站和鐵路地面數據通信網相連接，為鐵路運輸管理信息系統、鐵路調度信息系統和客票發售系統提供衛星數據通信服務。

1992年9月, 中國鐵道部、中國交通部和國際海事衛星組織合作，利用GPS（全球定位系統）接收機和海事衛星數據，傳輸鏈路建成列車位置報告系統；利用海事衛星-M站建成列車衛星移動電話通信系統，進行了列車衛星移動通信和衛星列車定位的試驗。

三、鐵路衛星通信面臨的挑戰與技術需求

1．面臨的問題與挑戰

（1）移動性問題

所有的移動應用，包括天空、海上和陸地移動都面臨類似的挑戰，那就是物理視距(LoS)障礙導致的信號干擾，其中陸地移動可能會面臨最極端的和不可預知的障礙物。

鐵路和公路交通面臨的挑戰包括：建筑物、樹木、隧道等結構所帶來的視距(LoS)堵塞；跨國和跨服務提供商界限；惡劣的物理環境，如高溫、振動、電磁干擾等。

在高速列車上衛星通信會面臨額外的挑戰：更大的多普勒頻移；覆蓋波束內部移動中信號的幅度變化；跨衛星信號波束覆蓋區；天線尺寸限制。

（2）同步時鐘問題

在固定的衛星裝置中，調制解調器或路由器從衛星接收到同步信號進而完成鎖定，這被用于合成本地時鐘。它有兩個目的，一是確保傳輸中心頻率是正確的，二是完成時間同步。在時分多址(TDMA)系統中，這種同步是至關重要的，否則不同的調制解調器可能導致時間基準不一致而且會相互干擾。

在鐵路移動應用中，由于高速運動及大量障礙物的影響，并不總能保證衛星信號的正常接收。如果衛星信號發生中斷超過幾秒鐘，就要求再生的本地時鐘必須要來自另一個源。在短暫的中斷（通常小于30秒）中，調制解調器的內部時鐘可以以“慣輪（free-wheel）”或“飛輪(fly-wheel)”來縮小差距。然而，這種靠慣性滑行的方式在長時間內是不夠充分準確的。在缺乏外部參考時鐘的情況下，調制解調器必須關閉發射機以防止干擾影響其他使用相同鏈路的終端。

（3）越區切換問題

當火車跨越衛星波束的覆蓋范圍時，接收信號電平可能會發生變化，特別是波束的邊緣。大氣環境變化也可能導致接收和傳輸信號衰減。為了保持高質量的服務，衛星調制解調器和集線器必須通過動態改變使用的調制方式或編碼格式，并通過改變在路線方向的衛星的發射功率來抵抗這些不穩定因素。

運動速度是面臨的另一個挑戰。調制解調器必須考慮信號的多普勒頻移。多普勒頻移會引起符號采樣的變化，導致接收信號惡化，增加了調制解調器的調制復雜度。因此，已知火車的速度和方向是至關重要的，這樣才能正確地計算出多普勒頻移大小。

在一些情況下，列車可以從一個衛星覆蓋區越過到另一個衛星的覆蓋區，或者在使用點波束進行工作的新高吞吐量（HTS）衛星的情況下，火車從一個點波束到另一個不停移動。在這兩種情況下，衛星系統必須能夠無縫從一個波束通信切換到另一個波束。

在一些需要提供無縫越區切換的場景，比如當火車經過車站，或者是穿過有建筑物阻擋，或者地下區域時。為了能在這些區域中提供無縫通信接入，這對于衛星通信而言也是一個挑戰。下圖展示的是在經過車站時，衛星通信通過與蜂窩網絡，wifi等結合來應對挑戰的方案。

2.技術方案需求

為了更好的應對這些挑戰，相應的解決方案應該達到如下的要求：

1）全面支持IPv6，以面向未來的網絡，并適應無上限數量的用戶設備接入；

2）自適應編碼和調制（ACM），以滿足當列車通過不同形狀輪廓的衛星覆蓋區時，下行衛星信道能夠不斷進行針對性優化；

3）TDMA信道傳播，以克服離軸發射問題，并允許使用非常小的天線，以減輕相鄰衛星干擾；

4）實現多普勒補償以對抗頻移；

5）IP穩態維持以確保IP會話，即使期間有長時間的聯系中斷，比如當火車穿過隧道；

6）抗震底盤承受高的熱度、濕度、灰塵和振動的環境；

自動波束切換，以確定位置，并定時命令天線切換到一個新的衛星。

四、衛星-鐵路互聯系統實現

列車上組建的基本衛星基礎設施包括一個穩定的VSAT天線、GPS接收機以及衛星網關/路由器系統。

因為網絡流量共享一個單一的傳輸路徑，所以對相關的服務進行區分非常重要。一個好的衛星系統應提供虛擬局域網（VLAN），質量服務保證（QoS）和規則導向的雙向路由的相關支持。這使得最高優先級的流量，如火車遠程信息處理和語音流量，優先于低優先級的流量，如乘客上網等等。

在一些情況下，列車很可能需要頻繁增減車廂，因此在火車上使用有線局域網（LAN）基礎設施存在一定的困難。一個wi-fi網狀網絡可能更適合實現車載LAN / 無線局域網（WLAN），特別是對于較短的列車。然而，由于列車的固有線性性質，可能需要進行車輛間布線，尤其是對更長的列車，來解決WLAN的瓶頸。企業級無線網系統應支持多個VLAN，服務集標識符（SSID）和同時多頻段技術，從而為設備提供分離的數據和連接，以及其他必要的功能來實現這種架構的分離。

鐵路衛星通信系統通常采用具有低輪廓天線的車載終端，具有以下的特點：完全獨立的穩定系統；兩軸可調極化方向；完全自動獲取和追蹤模式的能力；持續性的微波追蹤和慣性穩定的結合；射頻信號中斷之后的快速重新獲��；可防電磁干擾；可遠程電腦監控；同時使用了SR40 IP調制器，單平臺實現CDMA擴展頻譜和SCPC的結合。

五、結束語

鐵路衛星通信可以為鐵路運輸管理、運輸指揮、鐵路工程等提供專用通信服務，也可對公眾開放服務，如國內/國際旅客列車移動電話通信、旅客列車移動電視接收、旅客列車移動圖像/電話通信、全路漫游尋呼等。本文對國內外鐵路衛星通信的發展現狀、技術挑戰以及相應的解決方案進行了簡單的介紹，以期引起衛星業界對鐵路衛星通信這一市場的關注。