千呼万唤始出来：高铁用上WiFi咋就那么难？

高铁WIFI终是何物

慢慢长途回家路，手机上网电影和图书。在列车可以做些什么事情呢度过漫长的旅途呢？看书、吃零食、睡觉，不过在这个智能手机泛滥的时代，玩手机已经成为了大多数人的选择。在手机上可以做的事情就多了，看视频、看电子书、上网、聊天、玩游戏等等。

根据CNNIC《第39次 中国互联网络发展状况统计报告》，我国网民规模7.31亿，互联网普及率53.2%，在网民中使用手机上网的比例为95.1%，台式电脑和笔记本电脑比例为60.1%，手机上网成为主流。手机视频用户接近5亿，增长率为23.4%，随着4G自费降低，5G时代到来，手机办公越来越普及，手机娱乐成为主流。

高铁WIFI呼声高

视角转向高铁，高铁的舒适度已经不言而喻然，而高铁上的手机使用体验却不尽如人意。

上个网，经常刷不出页面；聊聊天，无法连接到服务器；读篇小说，需要联网才能刷新下一个章节；听首歌，只能听下载好的。看个视频，在线看的话那是不可能的。玩游戏，单机还好网游就是坑队友。要是列车恰好钻进隧道，会马上和世界离线若干分钟。

事实证明，没有网络的智能手机像砖头一样乏味。

什么？没有网络？因为在列车上！

为什么在列车上没有网络？这是一个众说纷纭的问题。有人说是手机信号不好，有人说是运营商网络不行，有人说铁路公司不作为，有人说国家缺少铁路网络规划。

2014年还闹了新闻《中铁副总工：火车开通WiFi影响机车信号》，作为旁观的笔者，我体会到民众对网络的需求之强烈而愤怒，也体会到了这位副总工对于高铁安全而严谨的工作态度，更深有体会媒体为了吸引关注而偏颇事实有意挑拨舆论，以夺人眼目的可耻伎俩。

车地通信是个难题

上面提到的问题的答案是: 目前没有一种完美的技术可以支持高速列车和地面之间高速稳定通信。

难题在什么地方：列车运行速度之快，没有办法和地面建立稳定的大容量通信通道。

这里会有人质疑，飞机不是运行速度也快吗，不一样可以和地面通话？通话这样低带宽需求的业务，可以通过专有频段的无线电波通信系统实现，频段可参照《中华人民共和无线电频率划分规定》。如若飞机要实现互联网应用的在线服务，就需要借助卫星，这样代价昂贵的服务，普通乘客难以消费；至于在线视频等大带宽业务，几乎是不可能的。

也有人会质疑，列车难到就不和地面通信了吗，列车调度怎么实现的？在高铁出现之前，铁路列调系统采用的是459M的Analog FDMA技术，提供1.2kbit/s的数据业务传输速率。随着电气化铁路的发展和列车提速，我国普遍使用的CTCS-3列调系统采用专用无限通信系统GSM-R 900MHZ 作为车地通信技术，提供171.4kbit/s的数据业务传输速率，为列调专用，无法为乘客提供数据接入业务。

乘客上网方式有两种，目前乘客上网可以采取以下两种方式。

方案一，手机开启数据业务，采用3G/4G上网。

和在地面时一样，打开手机移动数据，使用三大运营商提供的流量套餐进行上网。这种上网方式，上文提到的遇到信号不好，掉线等种种问题是无法避免的。

方案二，车载WIFI上网。

乘客手机终端连接到列车上的WIFI信号，机载WIFI设备插入本地运营商SIM卡，认证后采用3G/4G信号传输机车内的数据。

方案二和方案一本质上并没有什么区别，只不过方案二乘客手机没有直接连接到轨道附近的基站，而由机载设备代为连接。上网体验的瓶颈仍然在于车-地之间，通信链路是公网的3G/4G信号，只是把公网信号转变为了WIFI，网络质量取决于公网对列车的覆盖，所以掉线、没信号的问题依然会存在。

要想获得更好的网络通信质量，需要一套完整的车地通信系统，车地通信技术都有哪些呢？

车地通信技术都有哪些

• 应答器

应答器在轨道交通有非常长的历史，从内燃机车时代就已经成为铁路标配，在电气化铁路时代获得高速发展。

应答器基本原理是匝道中间的应答器采用电磁感应原理与车载天线进行电磁耦合，从而交换信息。工作过程是，车载天线向地面连续辐射高频电磁能量，当机车经过应答器时，应答器接收到电磁能量并激活，ROM所存储的信息经过控制电路被加载到高频信号，向机车传送，整个过程构成了数字调频系统。

应答器还可以分为无源应答器和有源应答器。无源应答器把信息固定存储在ROM中，只读出不改变，发送内容包括：里程标、区间长度、限速值、坡道值等。有源应答器所存储的信息是可变的，相当于计算机的RAM系统，除了发送无源应答器的信息之外，还可以发送实时信息，如股道号、进出站、通过等。

当机车经过地面应答器时，查询器以27.095MHZ的无线射频激活应答器，应答器接受电磁能量，应答器开始工作，向列车查询器发射预置的信息数据，中心频率4.2MHZ，信息传输速率564kbit/s。

有了应答器的信息，机车上司机就可以根据计算机计算结果知道走到哪里了，知道是不是准备开始上下坡了，车速应该是多少。有源应答器因为可以发送可变信息，可以认为是第一次实现了车地通信。

可以看到应答器是一种定点安装设备，特定功能，小数据量传输。铁路沿线无法全线设置应答器，一方面是成本高，一方面是无法实时通信。

应答器对于机车地理位置信息、简单路况、地面控制信息是可以有效传递的，但是车地之间大容量实时通信无法满足，所以乘客上网采取应答器不可取。

• 轨道电路

轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，两端加以电气绝缘或电气分割，并接上送电和受电设备构成的电路。

轨道电路的原理是：当两根钢轨完整，且无车占用，即轨道电路空闲时，电流通过两根钢轨和轨道继电器，使轨道继电器吸起，前接点闭合，信号开放。当列车占用轨道电路时，电流通过机车车辆轮对，轨道电路被分路。由于轮对电阻比轨道继电器电阻小得多，使电源输出电流显著加大，限流电阻上的压降随之增加，两根钢轨间的电压降低，流经轨道继电器的电流减少到它的落下值，使轨道继电器落下，后接点闭合，信号关闭。同时，当轨道电路发生断轨、断线时，同样会使轨道继电器落下。

因此，利用轨道电路可以自动检测列车、车辆的位置，控制信号机的显示；

另外，通过轨道电路可以将地面信号传递给机车，机车上的轮对接触铁轨，通过车载轨道电路读取器读取地面列控中心发来的控制信息，根据这些信息控制列车运行。

轨道电路是列车占道检查、车辆完整性检查、轨道检查的重要手段，但是轨道电路本身由于电气化特性的制约，无法再车地之间提供大容量的传输通道，因此乘客上网无法采用轨道电路方案。

• GSM-R/LTE-R

我们熟知的手机通信系统GSM、CDMA、LTE等在运营商领域广泛应用，为全球几十亿的人口提供通话和上网服务。

国际铁路联盟UIC针对铁路行业的特点推动各方面完成了铁路行业特性的移动通信系统GSM-R。

我国铁道部（现铁路总公司）2000年正式确定GSM-R为我国铁路专用通信的的发展方向。GSM-R在GSM公众移动通信系统平台上增加了铁路运输专用调度通信系统。在铁路上的应用业务分为调度与司机通信业务、列车控控制业务。

调度与司机通信：①调度台呼叫机车台，机车上的车台在运行时注册后，调度员通过拨打车台注册的车次功能号码呼叫司机，不需要记忆车台MSISDN号码。②司机可以通过网络呼叫调度员。③通过对运营维护人员进行编组，可以实现语音组呼叫。④GPRS数据业务传输调度员对机车发送的调度命令。

列控业务：GSM-R提供的双向数据通信可以保持永久的数据电路，保证数据实时可靠传输，用于对实时性要求高的额列控数据传输。

GSM-R理论通信速率为384kbit/s, 无法满足大量铁路非安全数据业务需求，如视频监控，乘客信息，列车日志等业务的传输。

随着LTE技术在公共网络的广泛部署，LTE技术各方面逐渐成熟。GSM-R向LTE-R的演技也在同步进行，我国的朔黄重载铁路已经率先部署了LTE-R系统。LTE-R更低的时延和更大的带宽可以大幅度拓宽车地之间的大容量通信。

可以看到，GSM-R是一种有效的车地通信方式，铁路沿线的移动通信专网为列车调度数据提供了高效稳定的网络方案，但是对于乘客上网以兆为单位的带宽而言，GSM-R不可能实现。

可行的方案是演进到LTE-R，考虑到与列车生产网隔离，乘客上网的专用网络可能需要重新建设，这就涉及到沿线基站的升级改造，以2016年高速铁路运营2万公里为例，在网 4000多个站点，乘客上网要部署一套并行的网络将是一项浩大的工程，短期内难以实现。

• WLAN

无线局域网WLAN作为一种重要的无线通信技术，是对有线网络的重要补充和延伸，被广泛应用于各行各业，小到家庭网络大到企业办公网，WLAN无处不在。与之相关IEEE 802.11无线网络标准的发展已经非常成熟和完善，2011年发布的802.11 ac支持1Gbit/s的物理速率，市场上的消费品已经逐渐支持该标准。

那么基于WLAN的通信技术能不能用于高速列车的高速通信呢？

答案是：还没有进行这方面的尝试，也由于WLAN技术的特点，无法使用于高速移动下的场景。

典型的企业级WLAN组网如下：

用户通过终端连接到附近无线接入点AP，AC控制器负责集中控制多个AP，AC授权之后用户即可接入互联网。

在轨道交通场景下，需要如下组网:

车载AP在机车行经过轨旁安装的AP时，需要和地面设备进行对接，协商通信协议。由于机车通常会高速行进，车载节点需要在地面无线接入点间进行频繁切换，无线链路链接需要频繁建立和失效，网络路由也需要频繁更新。这两点移动特性，是使用环境相对固定的传统WLAN需要克服的技术难点。

WLAN作为车地通信网络承载方案，在地铁中已经获得了应用，承载业务主要有CBTC、乘客上网和视频监控。深圳地铁曾经出现过WIFI干扰地铁运营的新闻，但是没有直接结果证明是由WIFI引起的。

WLAN在高铁上的应用目前没有，原因在于高铁运行速度之快，现有的WLAN网络切换速度跟不上，出现频繁掉线的情况。另外WLAN需要在沿线每200米设置一个AP，高铁线路长，需要规划建网，投资金额巨大，短时间内无法大规模应用。

• 微波

微波一种应用广泛的长距离通信技术。微波是用是频率为300MHZ~300GHZ的电磁波，也称为毫米波。我国4G手机信号使用的电磁波谱如表格5所示。在20MHZ的频谱资源上，可以实现最大100Mbit/s的传输带宽。

相比与LTE频谱微波使用的电磁波谱频率更高，这意味这有更宽的频谱资源，更大的传输容量。ITU-R频谱资源分布情况如图：

在传统的频段6~42GHZ上，当波道宽度为56MHZ时，可以实现最大传输速率500Mbit/s；在最新开发的E-band频段71~86GHZ上，当波道宽度为750MHZ时，可以实现最大传输速率4Gbit/s，当波道宽度为2000MHZ时，可以实现10Gbit/s。

• 泄漏同轴电缆

泄漏同轴电缆通信就是以同轴电缆作无线电台的天线，用它进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强，而不受周围环境的影响，通信可靠性高，不容易受到外来信号干扰，而且泄漏同轴电缆系统可以提供多信道服务。

泄漏电缆方案可以为高速列车上的旅客提供稳定的2Mbps的车地通信带宽,但是其信号覆盖范围因为受同轴电缆传输损耗的限制而较小，并且实施该方案造价昂贵！安装要求高，并不适合大范围推广使用。

• 卫星通信方案

卫星技术的车地通信方案也在各国得到了广泛的应用。这种技术是把卫星技术、GPRS(通用无线分组业务)和UMTS(通用移动通信系统)技术与Wifi技术相结合，为列车提供互联网服务。

这种因特网接入是由卫星和Wifi中继器实现，卫星负责广域覆盖，WIFI中继器覆盖隧道、车站。这是一种双向的卫星系统，当卫星不能覆盖到列车时，Wifi中继器将会接管无线接入,使上传和下载业务不会中断。

卫星通信方案可以一定程度上解决高速车地通信问题，但该方案在300k/h的高时速下并不能很好地保证网络连接的稳定性。列车运行产生的电磁干扰、隧道桥梁及树枝的遮挡都可能严重干扰卫星信号。因为这种方案目前尚不成熟,无法大范围推广。

由上面的分析可知，经过筛选，可能入选的三种方案为LTE-R，WLAN，微波。

三种技术方案各有优势和缺点，不管是哪一种方案，目前乘客上网体验还没法做到和地面上网体验一致。随着技术的演进和市场推动，各技术路线突破自身瓶颈之后，将极大促进高铁上网将更加便捷快速。

顺势出击的复兴号

2017年6月25日中国铁路总公司牵头研制、具有完全自主知识产权的的中国标准动车组正式下线，于26日在京沪高铁双向首发。配备了全车厢WIFI覆盖的动车组。

面对呼声极高的高铁WIFI，中国标准动车组首次下线即实现了全车厢覆盖，是中国高铁技术进步的体现，也是民众需求牵引市场的典型案例。

来源：知乎

点击图片，查看更多精彩内容