5G無線通信技術及其在鐵路通信系統中應用

許艷芹

摘 要：我國進入到5G時代后，傳統帶寬在移動互聯的作用下有了明顯變化，直接改善了時延、大量終端接入等問題，體現出智能感應與大數據技術等諸多優勢，整合成為完善的服務體系。鐵路網絡不斷完善的現代，鐵路運輸與生產離不開鐵路通信系統的作用，應用5G無線通信技術，有利于行車安全、運輸效率的提升。所以，下面針對5G無線通信與該技術在鐵路通信技術中的應用展開討論。

關鍵詞：5G無線通信;鐵路通信系統;超密集異構網絡技術;邊緣計算技術

0 引言

鐵路發展至今，經歷了多種鐵路專用移動通信系統，包括450 MHz列車無線調度通信系統、900 MHz GSM-R系統等。而目前在用的主要的鐵路數字移動通信GSM-R系統在國內發展將近15年，隨著全球公共移動通信市場技術更新，作為GSM-R系統技術基礎的GSM系統技術將逐漸從新建，擴容及維持走向徹底退出公共移動通信市場的階段，逐步步入第五代移動通信（5G）階段。5G的變化將在容量、時延和應用方面提供許多新的可能性，有了5G，我們開啟了鐵路數字化的可能性，5G技術標準的推出是未來鐵路移動通信系統（FRMCS）標準的基礎。而目前中國國家鐵路集團有限公司啟東了新一代移動通信系統技術演進的研究工作。

1 5G系統

5G是最新一代蜂窩移動通信技術。國際電信聯盟（ITU）將5G命名為IMT-2020，其技術指標由3GPP統一制定。3GPP將5G應用分為移動互聯網和物聯網兩大類。2015年，ITU明確了5G的三大應用場景，即增強型移動寬帶（eMBB）、大規模物聯網（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）。其中，eMBB場景關注通信性能，如數據速率和用戶體驗率等;mMTC場景關注連接密度、設備多樣性及可變性等;uRLLC場景對數據的延遲和可靠性要求較高。2019年3月，3GPP發布R15標準，支持eMBB場景;2020年7月3日，3GPP發布R16標準，將全面支持三大應用場景，是5G標準走向完善的一個關鍵性版本。中國的5G頻段大致分為FR1和FR2區域，包括低頻段的Sub-6GHz（FR1：450 MHz～6 000 MHz）和高頻段的毫米波（FR2：24 250 MHz～52 600 MHz）。由于低頻頻段的資源有限，而5G對帶寬的需求量很大，因此大部分5G網絡都會部署在高頻頻段。5G關鍵技術主要分為無線技術和網絡技術兩方面。無線技術主要包括大規模天線、超密集組網以及新型多址等技術;網絡技術主要包括軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）等。當前，全球運營商及相關行業紛紛開展基于5G的研究及孵化，覆蓋移動監測控制、超高清視頻、AR/VR、無人機、車聯網、智慧電網、智慧教育以及智慧醫療等行業領域。

2 5G無線通信技術及其在鐵路通信系統中應用

2.1 5G系統下應用的高鐵通信技術

5G系統融合了多種技術，主要有：第一，大規模MIMO技術。在發射端和接收端配備更多的天線，在相同的無線信道上同時發送和接收多個數據信號，也使信號通過多個鏈路進行傳送和接收，數據速率和鏈路可靠性得到進一步加強，從而改善通信質量。在實際應用中，多天線的基站發射的信號可以同時瞄準多個用戶，而不向其他方向擴散，構造朝向多個目標用戶的不同波束。通過相同的無線電信道發送和接收多個數據信號，可以有效提高頻譜效率，同時也能提高網絡容量和服務的用戶數量;通過提供精確的窄波束，減小對其他用戶的干擾，提高信號質量。這項技術對高鐵通信的管理工作有重要作用，可以在合理的分配頻率下保證網絡穩定，促使列車間的調動工作順利進行。第二，毫米波通信技術。4G系統的最高頻率為2 GHz左右，可用頻譜帶寬只有100 MHz。毫米波頻率在30 GHz～300 GHz之間，頻譜寬較寬，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，因此能提供穩定的傳輸信道;由于波長在1 mm～10 mm之間，波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內和移動設備上集成大規模天線陣，實現超高速數據傳輸。第三，超低時延技術。5G技術降低時延的思路：一是大幅度降低空口傳輸時延。采用新型幀結構，利用更短的子幀長度，在同一子幀內完成確認反饋;二是要盡可能減少轉發節點，縮短源節點到目的節點之間的“距離”，在實際應用中，可以采用終端直接通信（D2D）模式，讓設備之間可以直接通信而不再需要網絡;采用移動邊緣計算技術（MEC），將計算、處理和存儲推向移動邊界，讓海量的數據能夠進行實時和快速的處理，以減少時延。第四，異構網絡技術。將不同類型網絡融合起來，增加不同站點之間的密度，根據用戶的特點（如車載用戶）、業務特點（如實時性要求高）和網絡的特點，來為用戶選擇合適的網絡，滿足終端業務的多樣性需求的同時也提供了更好的服務質量。此技術能在原網絡基礎上增大覆蓋范圍，有效提升系統容量，使得通信系統更具靈活性，同時也降低了網絡維護成本;通過5G網絡可以無處不在進行服務和無縫切換，使通信系統功能更加完善和智能化，促使鐵路設備運行更加可靠。第五，全雙工接口技術。在同一信道上同時進行信號的接收和發送，不再局限于設備信號的時間和頻段，能夠將頻譜效率提高一倍，有效節約成本。在連接不同鏈路時，還可以監測列車運行狀態，有效保障了列車運行的安全性。

2.2 設備流控

設備通過對輸入、輸出流量進行控制，達到防止設備過載并維持設備穩定的目的。設備流控有以下2種方式：（1）控制面流控。假設在用戶接入場景，有過多的終端用戶嘗試通過隨機接入連接1個基站，且用戶數量超出基站對應能力，基站主控單元會啟動流控機制，對于已被拒絕接入的用戶，丟棄該用戶對應的初始接入信息，同時降低可發起隨機接入的用戶數。直至系統負載下降，再逐漸提升可發起隨機接入的用戶數。與接入場景原理類似，控制面還可進行初始接入消息流控、切換請求消息流控、尋呼消息流控等操作。（2）用戶面流控。分為下行流控和上行流控。在終端、基站、核心網的用戶面協議棧，下行數據在基站中流向為GTP-U→PDCP→RLC→MAC，當RLC和MAC單元負載過重時，通知GTP-U模塊降低下行報文發送速率，RLC和MAC單元同時降低下行調度用戶數，通過這2種方式實現流控，直至負載恢復至可承受能力范圍，再逐漸提高下行報文發送速率及調度用戶數。上行流控數據流向相反，原理一致。

2.3 邊緣計算技術

隨著鐵路通信系統大寬帶業務的拓寬，網絡傳輸帶寬面臨一定的影響，需要在系統運行中總結可行的解決方案，降低對傳輸帶寬的需求。移動邊緣計算技術作為5G無線通信技術之一，在鐵路通信系統中也有相對普遍的應用。移動邊緣計算的重點在于移動網邊緣IT服務，通過強大的云計算、人工智能功能，最大限度地靠近移動用戶，縮短因網絡操作、服務交付導致的時延。除此之外，移動邊緣計算技術為邊緣網絡賦予處理各項業務的技能，下沉內容、應用以達到降低時延的目的。基于鐵路通信系統的運行現狀，發現移動邊緣計算將原本移動通信系統網絡、業務彼此分離的問題解決，業務平臺下沉至網絡邊緣，此時移動用戶遵循就近原則，便可以享受到業務計算、數據緩存功能。使用移動邊緣計算技術，系統中的各項業務支持本地化處理，內容直接在本地緩存，降低理想時延至毫秒級。邊緣計算技術在鐵路通信系統中屬于全新部署規劃，利用小型數據中心、緩存計算處理節點，將各項業務部署到網絡邊緣，連接移動設備、傳感器、用戶之后，系統核心網絡負載也會有所有降低，進而縮短數據傳輸時延。比如車聯網具備業務控制、數據傳輸功能，且這兩項功能對實時性的要求非常高，若數據分析、控制邏輯集中于云端，那么業務實時性要求很難達到。另外，邊緣計算技術具有流量卸載功能，通過移動終端便可以直接按照應用進行判斷，根據時延容忍性、處理水平、能耗等，判斷流量卸載的必要性。流量卸載之后計算密集型、時延敏感型應用的處理便可以直接在邊緣計算平臺上進行，如果時延、回程鏈路負載均滿足規范，那么計算密集型應用卸載可以直接到核心網絡，從而獲取更為充足的計算資源。

2.4 超密集異構網絡技術

隨著高鐵向智能化、數字化和信息化的方向發展，無線通信業務量需求呈指數增長，新興業務對移動通信系統的傳輸頻帶提出了更高的要求，現有鐵路移動通信系統無法承載智能化調度、移動視頻監控及運營管理等高數據速率業務需求，鐵路通信無線頻譜資源短缺問題愈加突出。對此，超密集異構網絡技術融合多種無線接入技術，覆蓋不同范圍、承擔不同功能的大、小基站在空間中采用極度密集部署的方式，能夠滿足未來高鐵通信系統的多元化需求。據預測，在宏基站的覆蓋范圍內，未來低功率節點的部署密度將升至當前密度的10倍以上，節點間距將降至10 m以下，甚至每個節點均有對應的用戶。

2.5 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網絡中不可或缺的一項關鍵技術。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，不但人力資源和運行成本巨大，而且網絡優化也不理想。在5G時代，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，原有的移動通訊網絡在進行網絡部署、運營及維護方面會面臨很多新的挑戰。

3 結語

綜上所述，5G將為鐵路帶來基于移動寬帶的新的機遇和應用。對列車運行和安全有至關重要的應用，如緊急通信、調車、地面維護、列車自動運行系統（ATO）、列車自動控制系統（ATC）和列車自動保護系統（ATP）。有助于提高鐵路運行性能的應用，如列車發車程序和遙測，以及還可以支持無線互聯網和票務系統、視頻系統等。

參考文獻：

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