5G無線通信技術及其在鐵路通信系統中應用

張廣福

【摘要】? ? 隨著5G無線通信技術進入商用，人類改造世界有了更新的技術力量。本文介紹了5G無線通信技術的特點和關鍵技術，并結合其特點對5G技術在鐵路通信系統中的應用場景進行闡述。

【關鍵詞】? ? 5G? ? 關鍵技術? ? 鐵路通信

引言

在5G時代，移動互聯的能力突破了傳統帶寬的限制，時延或大量終端的接入能力等問題得到根本解決，能夠把智能感應、大數據和智能學習的能力充分發揮出來，并整合這些能力，形成強大的服務體系。隨著我國鐵路技術的不斷進步及其在鐵路運輸生產中的廣泛應用，對鐵路通信系統提出新的要求。如果結合5G特點并利用其關鍵技術，將能夠滿足其不斷發展的需求，更加有效地保障行車安全，提高運輸效率。

一、5G概述

5G是一個真正意義上的的融合網絡，這個融合統一的標準將提供人與人、人與物、物與物之間高速、安全、自由的連接，這種席卷而來的融合力也在移動通信技術領域逐步顯現;5G無線通信技術的基本特點是：高速度、泛在網、低功耗、低時延、萬物互聯和重構安全體系;5G旨在解決高速率、低延時通信、海量互聯、智慧城市建設等方面的技術問題，如果說4G改變了人們生活的話，那么5G的到來將改變我們的社會，也就是說，這種新的改變，無論廣度還是深度都要深刻得多;5G不是一項技術，而是由大量技術形成了一個綜合體系，這些技術將在5G建設過程中不斷完善。

二、5G的關鍵技術

2.1 超密集異構網絡技術

為了把帶寬做的很寬，5G采用的是28GHZ——32GHZ的頻率，也就是毫米波。這種波基本沒有穿透能力。如果通信采用毫米波的頻率，意味著沒辦法穿透障礙，所以就需要用到很多微基站，做到密集部署。密集部署的網絡拉進了終端與節點間的距離，使得網絡的功率和頻譜效率大幅度提高。異構就是不同結構的意思。5G網絡需要采用一些措施來保障系統性能，主要有不同業務在網絡中的實現，各種節點間的協調方案、網絡的選擇以及節能配置方法等。這種將多種網絡組織起來形成一個體系的方式就叫超密集異構。

雖然說超密集異構網絡技術在5G通信傳輸中擁有很大發展空間和進步的余地，但是仍然有些缺點，主要可以體現為：一是各個節點排列得相對緊密，因此它們之間的距離就非常的有限，這樣使得系統內出現以下問題：由于同種類別的無線接入所造成的同頻干擾，以及不同種類別的無線接入所造成的分層干擾。而為了解決上述問題，將需要對5G通信傳輸進行更深入的探究;二是大量系統內部存在的用戶所部署的節點導致了干擾圖樣和拓撲結構出現較大范圍內的動態變化。綜上所述，我們要強化相關方面的技術研究來應對這些出現的問題。

2.2 邊緣計算技術

大寬帶業務的不斷增加，勢必將對網絡的傳輸帶寬造成很大的影響，所以運營商尋找一套合理的解決方案使其能夠降低對傳輸帶寬的需求愈發強烈。移動邊緣計算（Mobile Edge Computing， MEC）最初于2013年在IBM和諾基亞、西門子共同推出的一套計算平臺上出現。移動邊緣計算側重在移動網邊緣提供IT服務、云計算能力和智能服務、強調靠近移動用戶以減少網絡操作和服務交付的時延。移動邊緣計算技術使邊緣網絡具有業務處理的能力，同時下沉內容及應用，是降低時延的有效解決方案。移動邊緣計算改變了移動通信系統中網絡與業務分離的狀態，將業務平臺下沉到網絡邊緣，為移動用戶就近提供業務計算和數據緩存能力。移動邊緣計算將業務本地化，將內容本地緩存，業務的理想時延降至毫秒級，典型時延小于10ms。

邊緣計算作為一種新的部署方案，一方面通過把小型數據中心或帶有緩存計算處理能力的節點部署到網絡邊緣，與移動設備、傳感器和用戶緊密相連，減少核心網絡負載，降低數據傳輸時延。例如，在車聯網中，業務控制和數據傳輸的實時性要求高，如果數據分析和控制邏輯全部集中在較遠的云端完成，難以滿足業務的實時性需求。另一方面，邊緣計算可以提供流量卸載，移動終端可以根據應用對時延的容忍程度、自身的處理能力以及能耗等因素判斷是否需要流量卸載。通過流量卸載，計算密集型和時延敏感型應用可以在邊緣計算平臺上處理;在時延和回程鏈路負載允許的情況下，計算密集型應用可以進一步卸載到核心網絡 以獲得更充足和強大的計算資源。

2.3 全雙工技術

同時、同頻全雙工技術指的是無線通訊設備時間頻率均相同，且可同時發射接收無線信號。從而實現提升無線通信線路頻譜利用率這一目標。在5G移動通信中使用同時同頻全雙工技術。可以有效提高頻率利用率，提升信息傳輸效率。在5G通信傳輸中，全雙工計劃可以對無線頻譜資源進行充分的利用和發掘。在5G通信傳輸發展的過程中也遇到了一些比較難以解決的瓶頸問題，比如說，發射信號和接收信號的兩個終端之間始終有大幅度的頻率差別，因此而產生的自干擾現場非常嚴重，在對于5G通信傳輸的進一步發展產生了莫大的阻撓。所以，通過互相抵消的方法，把全雙工技術有效的應用在5G通信傳輸系統中，就能使得信號自干擾的問題得到合理解決。通過消除模擬端之間的相互干擾或是將干擾信號的數字端部分消除，并在此基礎上把它們合理的結合起來，則能夠有效解決或者緩解所謂的自干擾。

2.4 自組網絡

自組織網絡的含義就是網絡在定義的過程中，要根據不同的業務進行組織，即對于各種不同要求的網絡，可以通過一個自組織體系進行構建，在大的網絡體系下，為某些用戶提供特殊的服務，因此，自組織網絡的智能化將成為5G網絡必不可少的一項關鍵技術。

在傳統移動通信網絡中，主要依靠人工方式完成網絡部署及運維，既耗費大量人力資源又增加運行成本，而且網絡優化也不理想。在5G時代，原有的移動通訊網絡會面臨很多新的挑戰。比如怎么進行網絡部署、運營及維護。這主要是由于網絡存在多種無線接入技術，且網絡節點覆蓋能力各不相同，它們之間的關系錯綜復雜。

自組織網絡技術解決的關鍵問題主要有： 一是網絡部署階段的自規劃合資配置，二是網絡維護階段的自優化和自愈合。自規劃的目的是動態進行網絡規劃并執行，同時滿足系統的容量擴展、業務監測或優化結果等方面的需求。自配置即新增網絡節點的配置可以實現即插即用，具有低成本安裝簡易等優點。自優化的目的是減少業務工作量，達到提升網絡質量及性能的效果。至于自愈合，顧名思義，指的是構建的網絡系統，可以自動發現問題，找到問題，同時可以排除故障，大大減少維護成本，并避免對網絡質量和用戶體驗的影響。

三、5G無線通信技術在鐵路通信系統中的應用

3.1 更加完備的鐵路移動通信系統

現有的鐵路數字移動通信系統（GSM-R），雖然可以實現調度通信、列尾裝置信息傳送、無線機車信號和調車監控信息傳輸、機車同步操作信息傳輸、列車控制數據傳輸、區間移動公務通信、應急指揮通信話音和數據業務、旅客列車移動信息服務等信息傳遞功能。但是，現有GSM-R系統主要提供語音通信和數據通信業務，且移動終端到基站的傳輸速率很低，不能滿足高速鐵路通信日益增長的高速數據傳輸的需求;隨著鐵路大發展，特別是高速鐵路和客運專線鐵路安全、快速、高效的運營模式對鐵路通信網提出了越來越高的要求，未來鐵路移動通信網中移動終端的數量將成倍數增長;且隨著智能調度的推出以及視頻監控在列車運行控制系統中的大量應用，鐵路移動通信系統需要傳輸大量的視頻和圖像信息。

5G無線通信系統的全雙工技術、超密集異構技術，以及在GSM-R 系統中采用移動軟交換等技術，能夠滿足未來不斷涌現的新功能、新業務和應用場景需求，保證鐵路行車安全，提高運營效力。

3.2? 更加高效的車—車通信機制

列車自動駕駛系統中，兩列運行的車輛之間的信息交互，如果仍然只采用“車—地—車”的通信鏈路，存在配置設備多、系統接口和結構復雜、列車運行對中心設備依賴大的缺點。更高級別的列車自動駕駛控制系統不僅需要車輛和地面基礎設備的通信，還包括車輛與車輛之間的通信。這些通信連接需要承載極低時延和高可靠性的車輛控制指令，而這些指令對于安全駕駛極為重要。盡管這些指令通常不需要大帶寬，但是當車輛之間需要交換視頻信息時，較高的傳輸速率仍然是必要的。此外，當支持高速車輛的移動性時，無人參與的控制必須具備完全覆蓋條件。5G技術的低時延特性，必將使鐵路列車自動駕駛技術實現再一次飛躍，大大提高運營效率，降低運營成本。

3.3? 更加可靠的鐵路應急通信網絡

建設安全可靠、迅速快捷、機動靈活的鐵路應急通信網，是保證鐵路應急運輸及鐵路搶修指揮聯絡的重要手段。在緊急情況下，可靠的通信網絡對于應急救援非常重要，而且即使在突發事故中局部網絡損毀，這要求也不能放松。5G無線通信系統中，臨時的救援通信節點可以用來輔助受損的網絡，用戶終端也能夠承載中繼功能，幫助其它的終端技術仍然具有通信能力的網絡節點;5G技術的高可用性和高節電效率恰是未來應急通信網主需求;5G無線通信技術結合北斗導航定位系統，能夠使鐵路應急通信系統的功能更加完備。

3.4? 更加完善的旅客通信服務

火車站是典型的客流密集場所，通過建設5G車站，可以解決火車站大客流場景下的旅客高速上網、高清視頻通信等需求;乘客在高速行進的列車上，仍然希望能夠像在家里一樣使用網絡，例如，觀看高清視頻，玩兒游戲，或者遠程接入辦公云和虛擬現實的會議。而當列車在高速行進中時，在用戶體驗沒有顯著下降的情況下，較好地滿足上述需求將是具有挑戰性的任務。高速列車上通信最重要的兩個指標是用戶速率和端到端時延。5G無線通信系統較好的指標可以確保高帶寬、低時延的需求，給旅客完美的旅途體驗。

3.5? 構建鐵路智能通信網

鐵路智能通信網必須能夠快速的響應供給或者使用的變化，避免可能的大規模系統故障，并對運輸系統產生重大影響。例如，鐵路供電系統發生停電事故可能是由接觸網系統故障引起，而這些故障可能是由于不可預測的事件造成的，這種情況下，要避免停電則需要必要的反應能力，并采取相應的措施。監視和控制系統以及無線通信解決方案，對遠程保護發揮著重要的作用。及時、高可靠的重要信息交換是保證迅速做出響應的關鍵因素。5G技術的高頻率資源，實現萬物互聯，為智能通信網的構建創造了條件。

四、結束語

5G技術最突出的優勢在于能夠展現多項技術的優勢，促使問題高效處理，這對于鐵路通信來說，十分適用。5G通信技術在鐵路通信系統上的應用，將為各車載系統及鐵路運營管理等眾多系統，提供高可靠、低時延的無線通信載體，有效地提升傳輸效率，增強系統的可靠性和穩定性，使系統運行更加安全。

參? 考? 文? 獻

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