日本NICT以光纤无线电技术实现高铁无缝大容量通信

  实现高铁时速500km下网络通信的方法，高度期待移动铁路无缝大容量通信：

  1、适当切换无线基站的通信方法，以便根据高速铁路的行驶不会中断通信。

  2、通过光纤传输毫米波(MMW)信号的光纤无线电技术可以实现20Gbit/s的大容量通信。

  3、即使在以500km/h的速度移动的超高速移动体中，也有望发展成为不受干扰的信号通信。

  ICCSZ讯（编译：Aiur）日本4月26日消息，据日本情报通信研究机构（NICT）报道，NICT网络系统实验室利用沿铁路线安装无线基站方式和光纤无线电技术，将无线信号叠加在光纤上进行开发研究并做到在高速移动期间的稳定通信。该实验室开发了一种方法以适当切换无线基站，在高速移动期间实现不中断通信并且成功地发射了20Gbps的无线信号，大约比当前的移动电话线路速率超过20倍。

  这项实验成功表明，将来即使在超高速铁路这类移动物体中，通过不断切换无线基站的方式，可以在超过500公里的时速下也能实现平滑的高速通信。这项研究论文凭借非常高的价值被选入OFC2018最热门标题论文中。（论文：High-Speed and Handover-Free Communications for High-Speed Trains Using Switched WDM Fiber-Wireless System）

  实验背景

  由于智能手机越来越普及，人们对在高铁旅行或同类环境下稳定的通信需求越来越高。但是在高速旅行期间，连接的站台频繁切换时，信号连接会经常遭遇干扰。日本NICT联合承担了无线频谱资源扩展研究与开发项目——“毫米波段高速移动回程技术的研究与开发”(研究代表：日立国际电气)以及持续推动高铁不间断信号的网络技术研发。同时，NICT已经着手研发一种网络，其拥有毫米波无线波特征的光纤通信能力和大容量无线传输能力。

  开发结果

图1 高速铁路通信系统示意图

  NICT开发出高速铁路通信系统(图1)在光纤无线网络中基本必要技术，并且成功在无线基站间传输20Gbps的无线信号。新技术如下：

  一、作为无缝切换无线基站的技术，需要为每个无线基站分配不同波长的光信号，并根据列车的位置切换要高速传送的光波长 (图2) 。一种方法是控制光信号，将其发射至一个无线基站并减少来自两个无线基站的无线信号干扰。 (图3)

  二、高容量无线通信技术使用毫米波(MMW)信号(图4)

  总体而言，在高铁系统中，因为高铁位置信息是受驾驶指挥室控制，所以根据位置信息来决定无线基站分布信号就变得可能。通过无线基站将信号及时分配给靠近行驶的列车，建设一种具有不间断信号的通信系统成为可能，就像无线基站跟着列车运动一般。

  这次基本技术，如果毫米波无线基站间隔为1000米，当运行速度达到500公里时速时(两个基站通过时间大约7秒)，将有望在切换无线基站时做到每秒发射20G比特的信号。

  未来前景

  未来，日本总务省将通过“无线频谱扩展高速移动回程技术的研究与开发项目”完善光纤无线网络技术以扩大无线频谱，其他机构如日立国际电气、公共利益基金会综合铁路技术实验室、国家研究与发展公司海洋/港口/航空实验室/航空航天实验室与国家航空和航海研究实验室等合作，对实际铁路线进行示范试验，加速联合研究和开发，实现社会产-学-官合作。

  研究成果描述

  一、使用光纤无线技术的高速无线基站切换方式

图2 无线基站切换示意图

  图2是本次高速无线基站切换技术发展示意图，在波长开关中设置与从激光器发射的光的波长对应的天线。

  ① 当移动至无线基站1时

  在控制器的控制下，激光器发射无线基站1和基站2的光波长，并传输相同的信息。

  ②转移至无线基站2的区域

  在控制器的控制下，激光器停止发射无线基站1的波长，改为发射基站3的光信号波长，并传输相同信息。

  二、一种减少来自两个无线基站的无线信号干扰方式

图3 实验装置和实验结果的示意图

  图3是本次实验结构示意图，其结果是一个被接收的波形。通过进行发送控制，使来自天线1和天线2的无线电波的定时一致，即使在两个波形重叠的情况下也能使原始波形不失真地再生。这项实验结果便是，来自两个无线基站的无线电波干扰大幅减少，无干扰通信有望实现。

  三、使用毫米波(MMW)高容量无线通信技术

图4 使用光纤无线技术发射毫米波示意图

  图4是NICT利用迄今为止我们已经培育的光纤无线电技术传输毫米波的图像。 两个光频率之间的差被设置为等于无线电波的频率，并且在光纤中产生并传输具有较小频率波动的光信号。 在无线基站中，毫米波段中的电信号由两个光分量的干涉获得，并且在放大之后，其作为无线电波从天线发射。 相反，也可以接收毫米波段的无线电波，将其转换成光信号，并将其传输到光纤中。 由于光纤与铜线电缆相比具有非常小的传播损耗，所以光纤无线电技术具有可以长距离传输高频电信号的特征。

  名词解释

  沿线基站（cell）方式

      无线基站在其覆盖区域中排列成一条直线。在普通的移动无线电中，需要将其放置在一个平面上以覆盖表面，但铁路和高速公路等将沿直线排列许多细长的单元。 通过限制无线电信号的辐射方向和增加天线的方向性，即使通常达到距离较短的毫米波也可以实现几百米或更多的小区。 另外，由于移动方向在铁路中是已知的，下一个移动小区比传统移动无线电更容易预测，从而实现有效的信号分配。

  光纤无线电技术

  一种技术，通过光纤使用无线电信号来调制光信号，以直接传输无线电信号。该技术已经被用在无线电覆盖较差区域的移动和陆地数字广播系统中。

  无线基站切换

  在移动通信和同类环境中，当终端从无线基站覆盖的区域移动到下一个基站区域时，终端的信息交换发生在无线基站上游侧。在切换中，数据通信中断通常发生在几毫秒到几秒之间，并且有效数据通信速度降低。另外，为了实现将来的大容量的无线通信，需要使用高频的无线电波，但通常高频的电波的到达距离较短，所以需要匹配多个基站。特别是在高速铁路中，无线基站的切换频繁发生导致通信中断时间增加和连接性降低。在该系统中，由于预先已知位置信息，所以可以通过基于该信息执行适当的信号分配来使通信中断最小化。