基于5G通信的鐵路車載大數據車地傳輸方案研究

柴金川

機車和動車組作為鐵路主要的裝備,安裝了大量傳感器,實現對制動、絕緣、防火、列車供電、走行部、視頻等狀態的監測,從而保障其安全運行,為列車壽命評估和故障預測奠定基礎。為了實現上述功能,需要車地設備間進行大量的數據通信及分析。檢測車上安裝了大量的檢測設備,對軌道、路基、接觸網、信號等專業基礎設施進行檢測,并產生大量的檢測數據。目前,少部分車載實時監測信息可通過GPRS傳輸至地面信息系統,但絕大多數業務數據的傳輸仍依靠WLAN［1］甚至人工下載方式,既不能保證實時性,又對檢修組織造成干擾,還需要消耗大量的人力和時間。因此,鐵路急需研究如何利用新一代移動通信技術實現車地數據傳輸的數字化和智能化發展。

5G通信技術除可實現人與人通信外,還增強了人與物、物與物的互聯,可支持增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）三大應用場景。世界各國紛紛提出5G技術試驗和商用計劃,我國更是將5G通信作為新基建之首。目前,國內外都已開始進行5G通信在鐵路領域中的應用研究和試驗。歐洲鐵路研究了基于5G技術的列控系統（Europe Train Control System,ETCS）,并開展了200 km/h以下的列控系統試驗；韓國在其專用軌道測試線上開展了基于5G技術的列車自動控制系統的試驗；日本采用28 GHz頻譜完成了4K監控視頻傳輸測試；我國在部分車站和線路實施了公網5G覆蓋工程,在幾個典型站場開展了毫米波點對點大容量數據傳輸應用,并正在環行鐵道試驗基地搭建鐵路5G-R專網試驗環境,準備開展相關試驗。

結合我國鐵路領域公網5G、專網5G-R和5G毫米波通信發展趨勢,并基于鐵路列車數據特點、車地通信場景,以及5G通信技術優勢,本文研究并提出了利用專網5G-R承載少量實時安全數據、利用公網5G承載一部分實時非安全數據、利用5G毫米波承載大量非實時數據的的高效率、高可靠性、低成本的車地數據傳輸技術方案,為鐵路智能化、數字化發展以及安全、高效運營提供技術支撐。

1 車載大數據車地傳輸場景

1.1 列車車載大數據

列車車載大數據主要包括行車應用數據、車載設備設施檢測監測數據、運輸服務數據等。其中:行車應用數據主要包括調度命令信息、無線車次號信息、列控信息、列車自動駕駛（ATO）信息、列車安全防護預警信息、列車接近預警信息、機車同步操控信息、列尾信息等；車載設備設施檢測監測數據主要包括列控車載設備動態監測系統（DMS）信息、電務車載通信設備動態監測（RMS）信息、機車信號遠程監控信息、動車組司機操控信息分析系統（EOAS）信息、機車遠程監測與診斷（CMD）信息、供電安全監測檢測系統（6C）信息、動車組車載信息無線傳送系統（WTDS）信息、客車運行安全監控系統（TCDS）信息、基礎設施動態綜合檢測信息、基礎設施健康管理系統信息等；運輸服務數據主要包括客運乘務管理信息、旅客列車視頻監控信息、在途和貨場貨運信息等［1?3］。

無線車次號信息、列控信息等行車應用數據通常為小數據量、可靠性和實時性要求高的數據。車載設備設施檢測監測數據和運輸服務數據為大量不同類型且通信要求不同的數據。其中,運營中的機車每個交路一般產生30 GB以上的6 A視頻監控數據；動車組各類系統每小時累計產生至少10 GB數據；檢測列車平均每月產生達170 GB的列車、接觸網、工務、電務各專業基礎設施檢測數據。隨著鐵路智能化、數字化運維的發展,車載各類數據仍在不斷增加。

鐵路車載大數據種類繁雜,既有速度、里程、位置等連續型數據,又有空調、車門信息等離散型數據；維度多,既有列控信息、無線車次號信息等實時數據,又有故障記錄和歷史統計等非實時性數據；可靠性要求不一,既有調度命令等安全性數據,又有乘務管理信息等非安全性數據；數據量不等,既有列控數據動態監測等小容量數據,又有視頻監控等大容量數據［3］。本文根據數據特征將車載大數據分為4類:實時安全車地傳輸數據、實時非安全車地傳輸數據、非實時安全車地傳輸數據和非實時非安全車地傳輸數據。其中,非實時傳輸數據占據較大比例。

1.2 鐵路車地通信場景

車載大數據車地通信以上行通信為主,即車載通信模塊向地面基站發送數據量大于地面基站向車載通信模塊發送數據量。鐵路車地通信場景主要分為兩大類:鐵路正線高速運行、鐵路站場低速運行或靜止［4］。

鐵路正線高速運行場景包括正線線路區間和高速通過車站場景。無線小區覆蓋采用沿鐵路線的線狀覆蓋方式,列車高速移動,車地通信信號強度和載干比周期性變化,并伴隨著較大的多普勒頻偏和頻繁的小區重選,無線小區內用戶較少。該場景下,無線通信條件惡劣,丟包、重傳、時延較嚴重,因此大大降低了數據有效傳輸速率。鐵路正線及車站車地通信場景示意見圖1。

圖1 鐵路正線及車站通信場景示意

鐵路站場車地通信場景包括鐵路車站（列車通過車站除外）、機務段、動車所等區域。無線小區覆蓋大部分采用面狀覆蓋,列車運行速度一般較低或處于停止狀態,無線小區內用戶較多。該場景下,無線通信條件優良,傳輸速率較接近理論值。鐵路機務段、動車所等站場通信場景示意見圖2。

圖2 鐵路機務段、動車所等站場通信場景示意

2 鐵路5G通信無線傳輸特性

5G通信包括6 GHz以下的中頻段和毫米波高頻段等各類頻譜頻段通信制式。中國移動采用2.6 GHz和4.9 GHz 2個頻段,共計250 MHz頻率帶寬；中國電信和中國聯通分別采用3.4 GHz和3.5 GHz頻段,各占100 MHz頻率帶寬,均屬于6 GHz以下的中頻段通信制式。中國廣電700 MHz頻段5G應用還處于探索階段,本文暫不考慮其在鐵路車地傳輸應用中的研究。鑒于鐵路區間為無線小區線狀覆蓋和列車高速移動的通信場景,鐵路專網5G-R也將選擇6 GHz以下的中頻段通信制式。我國高頻頻段5G毫米波頻段通信制式研究和應用已逐步趨于成熟,通常用于短距離大容量通信場景,作為6 GHz以下的中頻段通信的補充。結合5G通信發展應用趨勢及鐵路應用場景需求,主要介紹公網5G通信、鐵路專網5G-R通信和5G毫米波通信的無線傳輸特性。

2.1 公網5G通信和鐵路專網5G-R通信的無線傳輸特性

公網5G通信和鐵路專網5G-R通信的主體系統架構基本相同,均可實現無線連續無縫覆蓋并滿足用戶移動條件下的不間斷通信,二者差異主要集中在用戶側和應用側,見圖3［5?6］。

圖3 公網5G通信和鐵路專網5G-R通信主體系統架構

運營商公網5G采用TDD模式專用頻段和蜂窩同步組網方式,電磁環境純凈,系統干擾易協調。由于基站發射干擾基站接收,且發送數據具有拖尾效應,因此TDD系統要考慮基站之間的干擾。動態TDD時隙會導致嚴重干擾,而自包含時隙需考慮TDD的拖尾效應的保護時間,也會降低空口容量。因此,為適應鐵路大數據傳輸的場景,公網3.5 GHz頻段的子幀配比暫時考慮為DDDSU（上/下行子幀按照配比1∶4配置）,見圖4［7?8］。車載大數據車地傳輸主要為上行通信場景。為滿足鐵路列車移動狀態下的通信要求,車載通信模塊通常以MIMO2流為主,最大調制編碼階數設定為64QAM。當帶寬為100 MHz且TDD上行鏈路占比為1/5時,上行單用戶鏈路速率為180 Mbps。假設運營商可提供10%的上行資源專用于鐵路車地傳輸,則100 MHz帶寬單運營商下,動車組可采用的最高理論速率為18 Mbps。列車同時使用多家運營商傳輸數據時,可有效提高無線傳輸速率［9］。

圖4 5G無線幀結構及時隙配比

鐵路專網5G-R通信正在申報專用頻率,與公網5G頻譜相近且無線傳輸特性類似,但頻譜資源遠少于運營商頻譜資源,未來主要用于承載列控、ATO、調度通信等最高可靠、最低時延要求的安全運營業務,將以犧牲有效傳輸速率為代價,保障通信的低時延和可靠性［10］。因此,鐵路專網5G-R的有效傳輸速率也將遠小于公網5G的有效傳輸速率,可承載的數據量也將遠遠小于公網。

2.2 5G毫米波通信無線傳輸特性

5G毫米波通信是5G技術在高頻頻段的應用,即5G技術在30～300 GHz毫米波波段的通信。無線通信中,頻段越高,可用頻譜帶寬越大。根據香濃公式（見式1）,信道最大傳輸速率與頻譜帶寬成正比,可知毫米波高頻頻段無線傳輸速率會比6 GHz以下的中頻段傳輸速率更快。

式中:C為信道容量；B為頻譜帶寬；S/N為信道信噪比。

另外,天線的長短是由中心工作頻率的大小決定的,中心工作頻率與天線尺寸大小成反比關系,因此,頻率越高,天線尺寸越小,則有限面積內可布局的天線陣列越多,傳輸的數據流越多（見式2）,傳輸速率越高［11］。通常,在低頻段（1 GHz以下）,最高可采用8發8收的天線陣列；中頻段（1～6 GHz）最高可采用64發64收的天線陣列；在高頻毫米波頻段,可支持更多數量的天線陣列。大規模多入多出天線陣列,可增加同時傳輸的數據流數,提高信道傳輸速率。

式中:min(n1,n2)為接收和發送天線最小傳輸數據流數值；x為多天線增加的數據量。

盡管無線頻率越高,傳輸速率越快,但也將面臨電磁波自由空間傳播損耗越大（見式3）、有氧衰耗和穿透損耗越大、電磁波衍射繞射能力越弱、多普勒頻偏越明顯（見式4）、視距傳播距離越近、適用的空間通信距離越短等問題。

式中:f為電磁波頻率(MHz)；Lbf為電磁波自由空間傳播損耗(dB)；d為傳播距離(km)；fs為實時多普勒頻偏；fd為最大多普勒頻偏；c為電磁波傳播速率；v為電磁波收、發相對移動速率；θt為電磁波收、發方向和相對移動方向之間的夾角。

目前國內外已開展了不同頻段5G毫米波的研究和應用,其覆蓋距離和傳輸速率也各有特點,傳輸速率均遠大于6 GHz以下的中頻段傳輸速率；且隨著頻段增高,傳輸速率越大,有效通信距離越短［12?14］。我國在滿足相關技術要求的情況下,可免申請頻段59～64 GHz,遠離常用民用頻點,在特定區域內具有干擾小、大帶寬、可支持1～3 Gbps傳輸速率等優點,成為大數據、短距離、無線快速傳輸的較佳選擇［15?16］。華為Air flash毫米波技術采用59～64 GHz頻段,并在我國部分鐵路機車和深圳地鐵中進行了驗證和應用,可滿足300 m內低速移動或靜止場景下點對點1.5 Gbps的上行傳輸速率。5G毫米波速率遠遠大于公、專網5G通信系統速率,可用于承載鐵路大數據的快速傳輸。

3 車載大數據車地傳輸整體方案

未來鐵路5G-R作為專用無線通信網絡,將無縫覆蓋鐵路線路,有效保障鐵路數據的安全性和實時性；可用于承載調度通信、列控數據、ATO數據以及少量其他列車運行安全數據；但無法實現列車產生的其他各類大量數據的實時傳輸。

運營商掌握了大量的5G頻率資源,鐵路可充分利用公網5G網絡帶寬優勢承載大數據車地傳輸。雖然公網5G上行傳輸速率理論可達每秒百兆,但在列車高速移動場景下,上行有效傳輸速率將大幅下降；公網5G除承載車載大數據車地傳輸外,還需要承載其他各類公、專網用戶業務；公網5G無法完全保證無縫覆蓋所有鐵路線路,且具有一定的開放性,無法全封閉式傳輸鐵路數據。因此,公網5G無法完全保障列車數據安全、可靠、實時傳輸至鐵路內部網絡,最終至鐵路應用系統,即公網5G無法承載鐵路實時性極高、保密性較強的數據。

5G毫米波通信覆蓋距離較短,若鐵路全線覆蓋則耗費巨大；且鐵路正線列車高速移動環境下會產生較強的多普勒效應,導致無線傳輸性能大大降低［17?18］。因此,短時間內不適宜采用全線鋪設5G毫米波承載列車大數據實時傳輸,但可以在站場設置5G毫米波通信,并接入鐵路專用網絡,實現列車進出站和停站過程中大量數據的快速傳輸。

結合列車車載大數據車地傳輸場景和5G高/低頻無線傳輸特征,本文提出利用鐵路專網5G-R通信沿鐵路連續組網,并承載少量列車實時安全數據傳輸；利用公網5G通信沿鐵路連續組網,并承載少部分列車實時非安全數據傳輸；利用站場5G毫米波通信獨立組網,承載列車大量非實時安全和非安全數據點對點快速傳輸（見圖5）,形成列車車載大數據車地綜合傳輸方案,見圖6。

圖5 站場設置獨立組網5G毫米波通信系統

圖6 車載大數據車地綜合傳輸方案

4 結論

在充分分析鐵路車載大數據特征及車地通信場景的基礎上,結合公網5G、鐵路專網5G-R和5G毫米波通信特點,提出了融合公網5G、鐵路專網5G-R,以及毫米波通信技術的車載大數據車地傳輸技術方案。該方案既考慮了鐵路運維特征,又能夠充分發揮5G通信技術特點,以最高效率和最低成本,滿足我國鐵路數字化、智能化運維模式下的車地數據傳輸安全和快速傳輸需求。未來隨著5G通信技術的不斷發展和成熟,車載大數據車地傳輸方案也將不斷優化和完善。