日本NICT以光纖無線電技術實現高鐵無縫大容量通信

  實現高鐵時速500km下網絡通信的方法，高度期待移動鐵路無縫大容量通信：

  1、適當切換無線基站的通信方法，以便根據高速鐵路的行駛不會中斷通信。

  2、通過光纖傳輸毫米波(MMW)信號的光纖無線電技術可以實現20Gbit/s的大容量通信。

  3、即使在以500km/h的速度移動的超高速移動體中，也有望發(fā)展成為不受干擾的信號通信。

  ICCSZ訊（編譯：Aiur）日本4月26日消息，據日本情報通信研究機構（NICT）報道，NICT網絡系統實驗室利用沿鐵路線安裝無線基站方式和光纖無線電技術，將無線信號疊加在光纖上進行開發(fā)研究并做到在高速移動期間的穩(wěn)定通信。該實驗室開發(fā)了一種方法以適當切換無線基站，在高速移動期間實現不中斷通信并且成功地發(fā)射了20Gbps的無線信號，大約比當前的移動電話線路速率超過20倍。

  這項實驗成功表明，將來即使在超高速鐵路這類移動物體中，通過不斷切換無線基站的方式，可以在超過500公里的時速下也能實現平滑的高速通信。這項研究論文憑借非常高的價值被選入OFC2018最熱門標題論文中。（論文：High-Speed and Handover-Free Communications for High-Speed Trains Using Switched WDM Fiber-Wireless System）

  實驗背景

  由于智能手機越來越普及，人們對在高鐵旅行或同類環(huán)境下穩(wěn)定的通信需求越來越高。但是在高速旅行期間，連接的站臺頻繁切換時，信號連接會經常遭遇干擾。日本NICT聯合承擔了無線頻譜資源擴展研究與開發(fā)項目——“毫米波段高速移動回程技術的研究與開發(fā)”(研究代表：日立國際電氣)以及持續(xù)推動高鐵不間斷信號的網絡技術研發(fā)。同時，NICT已經著手研發(fā)一種網絡，其擁有毫米波無線波特征的光纖通信能力和大容量無線傳輸能力。

  開發(fā)結果

圖1 高速鐵路通信系統示意圖

  NICT開發(fā)出高速鐵路通信系統(圖1)在光纖無線網絡中基本必要技術，并且成功在無線基站間傳輸20Gbps的無線信號。新技術如下：

  一、作為無縫切換無線基站的技術，需要為每個無線基站分配不同波長的光信號，并根據列車的位置切換要高速傳送的光波長 (圖2) 。一種方法是控制光信號，將其發(fā)射至一個無線基站并減少來自兩個無線基站的無線信號干擾。 (圖3)

  二、高容量無線通信技術使用毫米波(MMW)信號(圖4)

  總體而言，在高鐵系統中，因為高鐵位置信息是受駕駛指揮室控制，所以根據位置信息來決定無線基站分布信號就變得可能。通過無線基站將信號及時分配給靠近行駛的列車，建設一種具有不間斷信號的通信系統成為可能，就像無線基站跟著列車運動一般。

  這次基本技術，如果毫米波無線基站間隔為1000米，當運行速度達到500公里時速時(兩個基站通過時間大約7秒)，將有望在切換無線基站時做到每秒發(fā)射20G比特的信號。

  未來前景

  未來，日本總務省將通過“無線頻譜擴展高速移動回程技術的研究與開發(fā)項目”完善光纖無線網絡技術以擴大無線頻譜，其他機構如日立國際電氣、公共利益基金會綜合鐵路技術實驗室、國家研究與發(fā)展公司海洋/港口/航空實驗室/航空航天實驗室與國家航空和航海研究實驗室等合作，對實際鐵路線進行示范試驗，加速聯合研究和開發(fā)，實現社會產-學-官合作。

  研究成果描述

  一、使用光纖無線技術的高速無線基站切換方式

圖2 無線基站切換示意圖

  圖2是本次高速無線基站切換技術發(fā)展示意圖，在波長開關中設置與從激光器發(fā)射的光的波長對應的天線。

  ① 當移動至無線基站1時

  在控制器的控制下，激光器發(fā)射無線基站1和基站2的光波長，并傳輸相同的信息。

  ②轉移至無線基站2的區(qū)域

  在控制器的控制下，激光器停止發(fā)射無線基站1的波長，改為發(fā)射基站3的光信號波長，并傳輸相同信息。

  二、一種減少來自兩個無線基站的無線信號干擾方式

圖3 實驗裝置和實驗結果的示意圖

  圖3是本次實驗結構示意圖，其結果是一個被接收的波形。通過進行發(fā)送控制，使來自天線1和天線2的無線電波的定時一致，即使在兩個波形重疊的情況下也能使原始波形不失真地再生。這項實驗結果便是，來自兩個無線基站的無線電波干擾大幅減少，無干擾通信有望實現。

  三、使用毫米波(MMW)高容量無線通信技術

圖4 使用光纖無線技術發(fā)射毫米波示意圖

  圖4是NICT利用迄今為止我們已經培育的光纖無線電技術傳輸毫米波的圖像。 兩個光頻率之間的差被設置為等于無線電波的頻率，并且在光纖中產生并傳輸具有較小頻率波動的光信號。 在無線基站中，毫米波段中的電信號由兩個光分量的干涉獲得，并且在放大之后，其作為無線電波從天線發(fā)射。 相反，也可以接收毫米波段的無線電波，將其轉換成光信號，并將其傳輸到光纖中。 由于光纖與銅線電纜相比具有非常小的傳播損耗，所以光纖無線電技術具有可以長距離傳輸高頻電信號的特征。

  名詞解釋

  沿線基站（cell）方式

      無線基站在其覆蓋區(qū)域中排列成一條直線。在普通的移動無線電中，需要將其放置在一個平面上以覆蓋表面，但鐵路和高速公路等將沿直線排列許多細長的單元。 通過限制無線電信號的輻射方向和增加天線的方向性，即使通常達到距離較短的毫米波也可以實現幾百米或更多的小區(qū)。 另外，由于移動方向在鐵路中是已知的，下一個移動小區(qū)比傳統移動無線電更容易預測，從而實現有效的信號分配。

  光纖無線電技術

  一種技術，通過光纖使用無線電信號來調制光信號，以直接傳輸無線電信號。該技術已經被用在無線電覆蓋較差區(qū)域的移動和陸地數字廣播系統中。

  無線基站切換

  在移動通信和同類環(huán)境中，當終端從無線基站覆蓋的區(qū)域移動到下一個基站區(qū)域時，終端的信息交換發(fā)生在無線基站上游側。在切換中，數據通信中斷通常發(fā)生在幾毫秒到幾秒之間，并且有效數據通信速度降低。另外，為了實現將來的大容量的無線通信，需要使用高頻的無線電波，但通常高頻的電波的到達距離較短，所以需要匹配多個基站。特別是在高速鐵路中，無線基站的切換頻繁發(fā)生導致通信中斷時間增加和連接性降低。在該系統中，由于預先已知位置信息，所以可以通過基于該信息執(zhí)行適當的信號分配來使通信中斷最小化。