對(duì)高鐵寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)的思考

方旭明

摘要：探討控制面與用戶面分離的高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及相關(guān)的頻譜融合和干擾協(xié)調(diào)問(wèn)題。認(rèn)為有別于公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)，高鐵移動(dòng)通信技術(shù)包括兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)：傳輸性能和可靠性能，目前正是開(kāi)展高鐵高可靠和大容量移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的最佳時(shí)期。相關(guān)研究表明，對(duì)于未來(lái)高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)的高性能傳輸需求，需要更多地在物理層之上設(shè)計(jì)有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：高鐵； 寬帶移動(dòng)通信；5G； 架構(gòu)； 頻譜融合； 干擾協(xié)調(diào)

隨著中國(guó)裝備制造業(yè)的快速崛起，近年來(lái)高鐵發(fā)展水平開(kāi)始舉世矚目。尤其從“十一五”開(kāi)始，中國(guó)已成為世界上一次建成里程最長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度最快的高鐵國(guó)家。按照《綜合交通網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國(guó)高鐵總規(guī)模將達(dá)到1.8萬(wàn)公里，將占世界高鐵總里程的一半以上。高鐵技術(shù)正逐漸成為中國(guó)走向世界的一個(gè)國(guó)家品牌。與此同時(shí)，另一個(gè)引以為傲的國(guó)家品牌是移動(dòng)通信技術(shù)。如何保證并持續(xù)提升中國(guó)高鐵的整體技術(shù)實(shí)力，并借著移動(dòng)通信技術(shù)向第5代移動(dòng)通信（5G）演進(jìn)的契機(jī)，使中國(guó)高鐵移動(dòng)通信技術(shù)也躍上一個(gè)新的臺(tái)階，這是我們從國(guó)家戰(zhàn)略上必須思考和提前布局的問(wèn)題。

客觀地說(shuō)，目前世界范圍內(nèi)的高鐵移動(dòng)通信水平與公網(wǎng)移動(dòng)通信水平相比還有較大的差距，特別是旅客在高鐵上移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)體驗(yàn)是影響高鐵形象的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。主要性能指標(biāo)如帶寬、接通率、掉話率、切換失敗率等在高速移動(dòng)場(chǎng)景下大大惡化，其主要原因在于高移動(dòng)性對(duì)移動(dòng)通信帶來(lái)了以下問(wèn)題：

·大多普勒頻移擴(kuò)展、大時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展

·信道快速時(shí)變、信道估計(jì)和信道預(yù)測(cè)困難

·隧道、山區(qū)、U型槽等環(huán)境非常復(fù)雜

·高速切換、頻繁切換和群切換等

值得慶幸的是，以提升移動(dòng)通信服務(wù)質(zhì)量（QoS）為目標(biāo)的5G關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)展開(kāi)，一些新的技術(shù)，如基于云的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)和新型協(xié)作網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制面/用戶面（C/U面）分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)毫米波、載波聚合或動(dòng)態(tài)頻譜分配的頻譜融合技術(shù)均可能成為潛在的解決上述問(wèn)題的手段。

此外，對(duì)于未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)，無(wú)論是公用系統(tǒng)還是專用系統(tǒng)，帶寬資源需求與頻譜資源供給之間的矛盾日益擴(kuò)大，如何在許可證頻譜之外尋求更廣闊的頻譜資源？一個(gè)自然而然的思路就是利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，在現(xiàn)有的非許可證頻譜中尋求支持，合理地利用微波和毫米波頻段的非許可證頻段。

因此，考慮下一代移動(dòng)通信技術(shù)的普適性，同時(shí)考慮未來(lái)高鐵移動(dòng)通信的需求和特點(diǎn)，需要開(kāi)展基于5G關(guān)鍵技術(shù)的高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。我們相信，開(kāi)展上述問(wèn)題研究符合國(guó)家的科技發(fā)展戰(zhàn)略和重大需求，也符合通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，有利于下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和高鐵相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的突破。

1 高鐵寬帶移動(dòng)通信現(xiàn)狀

及發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1 與非許可證頻段融合的移動(dòng)通信

研究現(xiàn)狀

目前，傳播特性良好的低頻段已十分擁擠，為了滿足未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中用戶的海量帶寬需求，運(yùn)營(yíng)商需要向擁有較寬連續(xù)頻譜的高頻頻段甚至毫米波頻段擴(kuò)展。本研究提出聚合利用許可證頻段與非許可證頻段、毫米波頻段的頻譜融合技術(shù)。有別于傳統(tǒng)的頻譜聚合技術(shù)，這里聚合的成員頻譜數(shù)量多、跨度大。因此，我們將其定義為頻譜融合。

近年來(lái)，頻譜聚合得到了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注與重視，并取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[1]概述了頻譜聚合的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[2]從認(rèn)知理論出發(fā)，研究了一種基于用戶帶寬需求的頻譜聚合策略，可以有效避免頻譜碎片的產(chǎn)生，同時(shí)減小終端復(fù)雜度，但文章中只研究了許可證頻段的頻譜聚合。文獻(xiàn)[3]指出頻譜聚合時(shí)需要考慮成員載波的帶寬限制，但其僅分析了相近帶寬聚合，沒(méi)有分析載波之間的頻譜距離。從現(xiàn)有研究現(xiàn)狀看，現(xiàn)有研究成果主要還停留在許可證頻段的頻譜聚合，并且聚合的成員頻譜跨度小，頻譜特性差異較小，成員頻譜數(shù)量和成員頻譜帶寬種類有限。對(duì)于聚合分布在許可證頻段和非許可證頻段的跨度更大、數(shù)量更多的成員頻譜，會(huì)存在比傳統(tǒng)頻譜聚合技術(shù)中的衰耗差異更大、覆蓋更不均勻、上下業(yè)務(wù)更不對(duì)稱及切換頻繁等一系列問(wèn)題。

1.2 C/U分離的移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)

研究現(xiàn)狀

隨著安全列車視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、旅客移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)需求的出現(xiàn)，未來(lái)高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)需要支持更大容量的傳輸。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展初期，高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)形式是數(shù)據(jù)量較小的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，通過(guò)同構(gòu)網(wǎng)小區(qū)分裂技術(shù)便可以滿足網(wǎng)絡(luò)的容量需求，因此耦合的控制面與用戶面架構(gòu)并沒(méi)有引起太多關(guān)注[4]。然而隨著移動(dòng)用戶的不斷增加及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的興起，小區(qū)分裂導(dǎo)致的嚴(yán)重小區(qū)間干擾及較高的建網(wǎng)成本限制了同構(gòu)網(wǎng)的發(fā)展。在異構(gòu)網(wǎng)中，覆蓋范圍較小的低功率節(jié)點(diǎn)分布在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)，采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)后，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)更大的傳輸容量[5]。然而，用戶在異構(gòu)網(wǎng)中移動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻繁的切換甚至重新接入，這不但影響了用戶體驗(yàn)，也增加了網(wǎng)絡(luò)的信令開(kāi)銷，這就是耦合的控制面與用戶面架構(gòu)在異構(gòu)網(wǎng)中暴露的缺陷。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，盡管現(xiàn)有的LTE/SAE系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)在核心網(wǎng)中分離了控制面與用戶面，然而在物理傳輸過(guò)程中這兩個(gè)平面仍然是耦合的。文獻(xiàn)[7-9]初步研究了高鐵移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中控制面與用戶面分離的基本架構(gòu)和切換問(wèn)題。

1.3 基于頻譜融合的移動(dòng)通信系統(tǒng)

架構(gòu)研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于下一代云無(wú)線接入架構(gòu)的研究都是針對(duì)公眾移動(dòng)通信場(chǎng)景，缺乏基于高鐵移動(dòng)通信場(chǎng)景的。然而上述問(wèn)題也同樣存在于高鐵專用移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了保障行車安全，列車之間存在發(fā)車時(shí)間間隔，即在某一時(shí)刻某一線路上的列車數(shù)目很少，這導(dǎo)致高鐵專網(wǎng)基站的利用率很低。此外，對(duì)于基站間相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，高速移動(dòng)意味著頻繁的越區(qū)切換，降低了無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?，?yán)重威脅行車安全。因此，需要充分利用高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)的特殊性，研究基于該場(chǎng)景的云無(wú)線接入架構(gòu)，并將鐵路沿線的基帶處理單元集中在一起，實(shí)現(xiàn)全局控制，這不但可以提高基站利用率、增強(qiáng)頻譜融合靈活性，還可以通過(guò)靈活的資源配置實(shí)現(xiàn)群小區(qū)構(gòu)造，降低切換流程復(fù)雜度，提高列控、列調(diào)信息的傳輸可靠性。目前，在這一領(lǐng)域還沒(méi)有看到有顯示度的成果。

1.4 高鐵不同頻段融合系統(tǒng)的干擾

協(xié)調(diào)技術(shù)研究現(xiàn)狀

最近，如何有效利用非許可證頻段提高移動(dòng)系統(tǒng)容量成為業(yè)界特別關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。在非許可證頻段的使用問(wèn)題中，最重要的就是要解決占用非許可證頻段的系統(tǒng)與其他使用非許可證頻段系統(tǒng)之間干擾影響的問(wèn)題。由于非許可證頻段上干擾的發(fā)生在空域和頻域上具有隨機(jī)性，文獻(xiàn)[10]提出了一種新的空間-頻段上的干擾分析模型，文中假設(shè)在任何區(qū)域內(nèi)以及任何頻段上單位面積和單位頻段上的干擾強(qiáng)度λ/Hz/m2服從泊松過(guò)程，為非許可證頻段上的干擾分析提供了合理的數(shù)學(xué)模型。但是文中只涉及到干擾強(qiáng)度的檢測(cè)，并沒(méi)有分析干擾強(qiáng)度和非許可證頻段接入與退出的關(guān)系。文獻(xiàn)[11]使用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)對(duì)可用非許可證頻段進(jìn)行感知與檢測(cè)，并對(duì)系統(tǒng)接收端與發(fā)送端的作用進(jìn)行了分析與研究，但是文獻(xiàn)中提出的非許可證頻段資源感知方法和流程在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中并不適用，需要進(jìn)一步改進(jìn)。因?yàn)榉窃S可證頻段為非授權(quán)特性，當(dāng)通信系統(tǒng)使用該頻段時(shí)，隨時(shí)有可能由于被干擾而造成通信中斷。文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)馬爾科夫鏈定量分析了兩個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)非許可證頻段時(shí)因?yàn)橄嗷ジ蓴_而造成的通信中斷的概率，但是文中并沒(méi)有針對(duì)干擾協(xié)調(diào)提出具體有效的解決方案。文獻(xiàn)[14-15]采用一種新的幀結(jié)構(gòu)，通過(guò)周期性地在每一個(gè)無(wú)線幀內(nèi)的前幾個(gè)子幀進(jìn)行頻譜感應(yīng)，隨后在后面的子幀上根據(jù)頻譜感應(yīng)結(jié)果進(jìn)行非許可證頻段上的數(shù)據(jù)傳輸，避免非許可證頻段上干擾的發(fā)生。但是文中的方案只適用于次用戶占用其他系統(tǒng)許可證頻段的場(chǎng)景。

2 高鐵寬帶移動(dòng)通信研究

方向和思路

2.1非許可證頻段與許可證頻段的

融合

未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)將面臨用戶的海量帶寬需求，帶寬是個(gè)永恒的問(wèn)題。高鐵運(yùn)行線路有一定的特殊性，即很多地段非許可證頻段均空閑，但與傳統(tǒng)認(rèn)知無(wú)線電不同的是，這里合理使用非許可證頻段不存在主從用戶，所以不存在頻譜的避讓問(wèn)題。因此，從擴(kuò)大系統(tǒng)頻譜和降低頻譜使用成本考慮，在使用許可證頻段的高鐵公網(wǎng)或高鐵專網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)中融合非許可證頻段是非常有意義的。但是具有較大頻譜間隔并包含毫米波段的多段頻譜融合利用在理論和技術(shù)上還存在許多挑戰(zhàn)。建議相關(guān)人員可以分析高頻非許可證頻段在高速移動(dòng)場(chǎng)景下的信道特性和適用條件，研究解決高頻偏、高衰耗、高頻切換、車體穿透損耗等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，使融合非許可證頻段與許可證頻段的頻譜能適應(yīng)高鐵場(chǎng)景，解決未來(lái)高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)中用戶的海量帶寬需求。

對(duì)于高鐵場(chǎng)景下非許可證頻段與許可證頻段的融合，其主要問(wèn)題是非許可證頻段與許可證頻段不連續(xù)，及各段頻譜存在信道特性不一、傳播損耗差異大、容量不等、多普勒頻移相差很大等問(wèn)題，要在這些譜段上傳輸一個(gè)完整的信息流，需要解決如何將信息流在有一定頻率間隔的頻段上進(jìn)行高效的調(diào)度分發(fā)以及如何將從各個(gè)頻段上接收到的信息流進(jìn)行可靠匯聚，從而達(dá)到連續(xù)譜傳輸?shù)男Ч?。由于融合頻段的總頻譜寬度和跨度較大，建議相關(guān)人員可以對(duì)各譜段在物理層進(jìn)行獨(dú)立的編碼調(diào)制，并在鏈路層進(jìn)行信息流的高效調(diào)度和可靠匯聚。具體建議包括：

（1）針對(duì)高鐵場(chǎng)景非許可證頻段與許可證頻段融合信道的估計(jì)進(jìn)行研究，即根據(jù)高鐵場(chǎng)景下位置和速度可先驗(yàn)獲取等特點(diǎn)，估計(jì)不同頻段在給定位置的信道特征、多普勒頻偏、本地頻譜政策、頻譜利用狀態(tài)等。

（2）針對(duì)非許可證頻段與許可證頻段信道特性的差異，設(shè)計(jì)速率適配機(jī)制。對(duì)于非許可證頻段與許可證頻段的跨頻段融合，如果各成員頻譜分配相同的功率，由于高頻成員頻譜的信道衰減大于低頻成員頻譜，高頻成員頻譜的覆蓋范圍則會(huì)小于低頻的，以至于小區(qū)不同位置的用戶可以調(diào)度的成員頻譜數(shù)目不同。因此，需要在融合環(huán)境下，研究適當(dāng)?shù)墓β蔬m配機(jī)制，使得融合后的各成員頻譜具有近似的覆蓋范圍。

（3）針對(duì)需融合的頻段寬度和跨度較大的情況，設(shè)計(jì)高效可靠的調(diào)度和匯聚策略，即研究如何將信息流在有一定頻率間隔的頻段上進(jìn)行高效的調(diào)度分發(fā)以及如何將從各個(gè)頻段上接收到的信息流進(jìn)行可靠的匯聚，從而達(dá)到連續(xù)譜傳輸?shù)男Ч?/p>

（4）研究高鐵場(chǎng)景非許可證頻段與許可證頻段融合的自適應(yīng)控制機(jī)制。即針對(duì)非許可證頻段與許可證頻段的跨頻段融合具有傳輸特性和成員頻譜可用狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的自適應(yīng)控制機(jī)制，適應(yīng)各成員譜段的動(dòng)態(tài)特性，并進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度及功率和速率適配，從而充分利用可能的分集增益來(lái)提高各成員頻譜融合傳輸?shù)娜萘亢涂煽啃浴?/p>

2.2 C/U面分離的高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)

架構(gòu)

考慮到在異構(gòu)網(wǎng)日趨密集化的現(xiàn)狀下，耦合的控制面與用戶面架構(gòu)已暴露出的問(wèn)題，未來(lái)高鐵5G系統(tǒng)在提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量進(jìn)行不同頻段融合時(shí)，應(yīng)考慮將重要的控制面甚至列控與列調(diào)用戶面信息與傳統(tǒng)意義上的用戶面信息解耦設(shè)計(jì)，合理利用GSM-R系統(tǒng)中的現(xiàn)有帶寬，均衡不同頻段的差異，對(duì)系統(tǒng)頻段彈性設(shè)計(jì)。為此，必須研究高鐵移動(dòng)場(chǎng)景下基于分離的控制面與用戶面架構(gòu)。具體研究包括：

（1）控制面與用戶面解耦架構(gòu)的研究，即基于現(xiàn)有在功能上控制面與用戶面已分離的LTE/SAE架構(gòu)，再進(jìn)一步研究如何在物理傳輸上徹底分離控制面與用戶面。

（2）基于解耦架構(gòu)的頻譜融合研究，即通過(guò)解耦的控制面與用戶面架構(gòu)將擁有較寬連續(xù)頻譜的高頻頻段與GSM-R遺留的、擁有良好傳輸特性的低頻頻段融合。由于控制面信息甚至列控、列調(diào)用戶面信息對(duì)傳輸可靠性要求較高，可以由擁有良好傳輸特性的宏小區(qū)有限低頻頻帶來(lái)承載；旅客業(yè)務(wù)的用戶面對(duì)傳輸容量需求較高，可以由擁有較寬連續(xù)頻譜的小小區(qū)高頻頻段承載，即將控制面與用戶面根據(jù)各自的需求放置在擁有不同特性的頻段傳輸，并在頻域上分離兩個(gè)平面，均衡不同頻段的差異。

（3）解耦架構(gòu)對(duì)信息傳輸可靠性影響的研究。在解耦架構(gòu)中，列控、列調(diào)信息及旅客業(yè)務(wù)的控制面信息仍由原有的、傳輸特性良好的低頻頻段承載，因此保持著原有的傳輸可靠性。但由于旅客業(yè)務(wù)的用戶面數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到了高頻頻段，需要聯(lián)合考慮旅客業(yè)務(wù)的控制面及用戶面的頻譜傳輸特性來(lái)分析解耦架構(gòu)對(duì)旅客業(yè)務(wù)傳輸可靠性的影響。

（4）新型幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即研究解耦架構(gòu)下的信道映射及物理幀結(jié)構(gòu)。在解耦架構(gòu)中，由于控制面與用戶面在物理上就被分離到了不同的小區(qū)基站，因此兩個(gè)平面在信道映射過(guò)程中是完全分離的，在無(wú)線傳輸過(guò)程中兩個(gè)平面也將占用幀結(jié)構(gòu)的不同資源位置。

2.3與現(xiàn)有LTE/LTE-A系統(tǒng)兼容

對(duì)比公眾移動(dòng)通信場(chǎng)景，高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)存在很多特殊性，這給5G無(wú)線通信技術(shù)如云無(wú)線接入架構(gòu)的實(shí)施和應(yīng)用帶來(lái)一些優(yōu)勢(shì)?；诖?，我們需要研究基于頻譜融合的與現(xiàn)有LTE/LTE-A系統(tǒng)兼容的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體包括：

（1）高鐵場(chǎng)景下云無(wú)線接入架構(gòu)的研究。通過(guò)將全部鐵路沿線基站的基帶處理單元（BBU）集中到統(tǒng)一的BBU池，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的全局控制和分配，這樣不但可以提高處理資源的利用率、增強(qiáng)頻譜融合的靈活性，還可以簡(jiǎn)化遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）的結(jié)構(gòu)和功能，降低網(wǎng)絡(luò)升級(jí)及演進(jìn)成本。此外，我們可以考慮在回傳網(wǎng)段采用技術(shù)日漸成熟的毫米波實(shí)現(xiàn)頻譜融合，節(jié)約光纖，增強(qiáng)布網(wǎng)靈活性。

（2）基于云接入架構(gòu)的群小區(qū)構(gòu)造方法研究。云無(wú)線接入架構(gòu)集中了全部的處理資源，可以實(shí)現(xiàn)靈活的資源配置，當(dāng)列車需要從服務(wù)RRU切換到目標(biāo)RRU時(shí)，通過(guò)將目標(biāo)RRU的處理資源配置到當(dāng)前服務(wù)RRU的BBU中，即將兩個(gè)RRU構(gòu)造為一個(gè)群小區(qū)，就可以避免復(fù)雜的切換流程，降低切換耗時(shí)，提高列控信息的無(wú)線傳輸可靠性。

（3）切換信令及流程的設(shè)計(jì)，基于（1）和（2）研究云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的群小區(qū)構(gòu)造方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的切換信令流程。

2.4多頻段干擾協(xié)調(diào)

我們需要研究評(píng)估公網(wǎng)系統(tǒng)和高鐵專網(wǎng)系統(tǒng)在占用非許可證頻段之后對(duì)現(xiàn)有非許可證頻段的系統(tǒng)的干擾影響，以及非許可證頻段的公網(wǎng)系統(tǒng)和高鐵專網(wǎng)系統(tǒng)的干擾影響，還需要研究非許可證頻段感知方法、適用條件、退出機(jī)制等等，以及在使用兩類不同頻段時(shí)的干擾協(xié)調(diào)方法。

由于非許可證頻段為無(wú)需授權(quán)的公共頻段，所以接入非許可證頻段后的高鐵專網(wǎng)系統(tǒng)與其他使用該非許可證頻段系統(tǒng)之間存在干擾問(wèn)題，這直接會(huì)影響在非許可證頻段上進(jìn)行通信傳輸?shù)目煽啃浴８蓴_協(xié)調(diào)方案主要包括3個(gè)方面：接入及退出機(jī)制、可用非許可證頻段資源感知方法，以及非許可證頻段資源分配方案。這三者之間相輔相成，缺一不可。只有制訂了合理的非許可證頻段接入及退出機(jī)制，才能保證接入可用非許可證頻段進(jìn)行通信時(shí)不會(huì)受到其他系統(tǒng)的干擾，同時(shí)在已接入的非許可證頻段上受到其他系統(tǒng)的強(qiáng)干擾時(shí)，及時(shí)退出該頻段以保證通信的可靠性；只有采用更加有效的可用非許可證頻段資源感知方法，才能使下一代高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)正確地感應(yīng)到可用的非許可證頻段；相應(yīng)地，設(shè)計(jì)更加合理的非許可證頻段資源分配方案，才能使有限的非許可證頻段得到高效的使用，為系統(tǒng)帶來(lái)更高的吞吐率。具體包括：

（1）接入及退出機(jī)制。通過(guò)頻譜感應(yīng)技術(shù)對(duì)非許可證頻段上信道進(jìn)行干擾強(qiáng)度檢測(cè)，假設(shè)信道是系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分配的最小單位（如在長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)中，信道為子載波間隔，寬度為15 kHz）。接入及退出機(jī)制的制訂中需要設(shè)定合理的干擾門限，干擾門限是在保證該信道通信質(zhì)量的條件下所能容忍的最大的干擾能量限度。若檢測(cè)到還未接入的非許可證頻段信道上干擾強(qiáng)度小于干擾門限，則該信道為可接入信道；若檢測(cè)到已接入的非許可證頻段信道上干擾強(qiáng)度高于干擾門限，則該信道已不能進(jìn)行有效通信，系統(tǒng)應(yīng)退出該信道。

（2）可用非許可證頻段資源感知方法。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，頻譜感知只能在接收端進(jìn)行，接收端通過(guò)頻譜感應(yīng)檢測(cè)到可接入非許可證頻段資源，并反饋給發(fā)送端。發(fā)送端根據(jù)接收端的反饋指示，在相應(yīng)的非許可證頻段信道上進(jìn)行信息的發(fā)送。具體過(guò)程如圖1所示。

在接收端，系統(tǒng)通過(guò)頻譜感知檢測(cè)非許可證頻段信道上的干擾強(qiáng)度。并根據(jù)自身的接入及退出機(jī)制，將不同非許可證頻段信道上的干擾強(qiáng)度與干擾門限相對(duì)比，選擇出可利用的非許可證頻段信道。隨后，通過(guò)反饋信道將可利用的非許可證頻段信道發(fā)送給發(fā)送端，同時(shí)需要將各個(gè)可利用非許可證信道的干擾強(qiáng)度發(fā)送給發(fā)送端，作為發(fā)送端進(jìn)行非許可證頻段資源管理與分配的指標(biāo)依據(jù)。發(fā)送端接收到接收端發(fā)送的反饋信息后，通過(guò)自身的非許可證頻段資源分配方案選擇非許可證信道對(duì)接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。由于非許可證頻段上干擾的發(fā)生在時(shí)域以及頻域上都具有隨機(jī)性，所以系統(tǒng)需要周期性地對(duì)非許可證頻段上的無(wú)線環(huán)境進(jìn)行感應(yīng)以及評(píng)估。但是在實(shí)際通信中，上行的接收端為基站，發(fā)送端為移動(dòng)臺(tái)；而下行的接收端為移動(dòng)臺(tái)，發(fā)送端為基站。由于手持移動(dòng)臺(tái)功能上的限制，上行和下行可用非許可證頻段資源感知的過(guò)程不同。

（3）非許可證頻段資源分配方案。小區(qū)內(nèi)不同位置的移動(dòng)臺(tái)會(huì)受到不同頻段、不同強(qiáng)度的干擾，所以不同位置上的移動(dòng)臺(tái)頻譜感應(yīng)到可利用非許可證頻段也會(huì)不同。一個(gè)移動(dòng)臺(tái)可能會(huì)感應(yīng)到一個(gè)或多個(gè)可用非許可證頻段信道。當(dāng)擁有多個(gè)可用非許可證頻段信道時(shí)，其中部分非許可證頻段信道對(duì)于其他移動(dòng)臺(tái)一樣可用，在這種情況下，基站只有合理地分配和管理這些非許可證頻段的信道，才能有效提升系統(tǒng)容量。

3結(jié)束語(yǔ)

文章探討了高鐵5G系統(tǒng)研究中的前瞻問(wèn)題，特別從架構(gòu)及相關(guān)的頻譜融合和干擾協(xié)調(diào)等方面探討了其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及解決思路。對(duì)于未來(lái)高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)干擾消除和提升系統(tǒng)可靠性，如果采用控制面與用戶面分離的架構(gòu)，再輔之于物理層上的多點(diǎn)協(xié)作傳輸?shù)燃夹g(shù)，應(yīng)該比單純?cè)谖锢韺由峡垢蓴_處理更加有效。以上研究思路和經(jīng)驗(yàn)可以為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

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