5G環(huán)境下高速鐵路通信系統(tǒng)應用研究

向 欣 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230041）

5G網(wǎng)絡通信已經(jīng)影響了人們的生活與通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，目前國內(nèi)三大運營商已上線了5G商用套餐，標志著5G網(wǎng)絡建設的第一步已經(jīng)到位，5G網(wǎng)絡時代已經(jīng)初步形成。對鐵路運輸業(yè)來說，5G能提高高速鐵路的通信網(wǎng)絡通信質(zhì)量，通過有效運用5G的各種技術，不僅能讓列車的通信、運行和管理更加有序，而且還能提高智能高鐵智慧化水平。

1 5G移動通信技術

第五代移動通信技術（5G）是第四代移動通信技術（4G）之后的新一代移動通信技術。5G的核心性關鍵技術主要包括大規(guī)模MIMO技術、網(wǎng)絡體系架構、超密集組網(wǎng)、全頻譜式接入和全雙工通信技術。相較于4G技術，5G具有顯著的優(yōu)勢，包括數(shù)據(jù)傳輸速度快，網(wǎng)絡速度高達4G技術的100倍，帶寬是4G技術的1000倍，網(wǎng)絡延時縮短至≤1ms，實現(xiàn)了端與端延時毫秒級，能精確地對準時間，給用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的使用體驗；而且5G網(wǎng)絡容量超大，可接入眾多設備進行工作，覆蓋范圍廣泛，進而滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求實現(xiàn)萬物互聯(lián)，能耗與成本較低，使用范圍更加廣泛。最重要的是5G能夠支持500km/h的終端移動速度，這一優(yōu)點使得5G移動通信技術對中國高速鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展有著極其重要的作用。

2 我國高鐵通信系統(tǒng)

高速鐵路是當前中國非常重要的交通基礎設施，在我國客運與貨運上承擔著重要的分量，我國的高速鐵路在世界上屬于先進水平，具有完善的高鐵技術體系。而高速鐵路通信系統(tǒng)又在整個高速鐵路運輸過程中扮演著不可或缺的角色，承擔著確保高速鐵路列車行駛安全及保障高速鐵路列車運輸與管理工作順利展開的重任。但隨著通信技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已有的鐵路專用通信技術已經(jīng)無法滿足高速鐵路通信的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅饕ǜ咚倭熊囘\行速度快，使高鐵通信系統(tǒng)產(chǎn)生頻偏，讓沿線的各類基站信號接收不穩(wěn)定；各通信系統(tǒng)樞紐站的距離相對較遠，使得各個站點需要服務的范圍太廣；高速鐵路的旅客較多，增加了網(wǎng)絡的使用量和基站負荷，導致移動信號下降；高鐵速度太快，移動通信網(wǎng)絡需要不斷切換，會導致掉線、切換失敗或緩慢等問題。現(xiàn)有的4G系統(tǒng)會應用一些補償算法對這些有害效應進行一定程度的抑制，但效果并不理想，這也導致在高鐵列車上的通話以及網(wǎng)絡連接效果等功能無法得到保證。

3 5G系統(tǒng)下應用的高鐵通信技術

5G系統(tǒng)融合了多種技術，主要有：第一，大規(guī)模MIMO技術。在發(fā)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(fā)送和接收多個數(shù)據(jù)信號，也使信號通過多個鏈路進行傳送和接收，數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性得到進一步加強，從而改善通信質(zhì)量。在實際應用中，多天線的基站發(fā)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(fā)送和接收多個數(shù)據(jù)信號，可以有效提高頻譜效率，同時也能提高網(wǎng)絡容量和服務的用戶數(shù)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(zhì)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(wǎng)絡穩(wěn)定，促使列車間的調(diào)動工作順利進行。第二，毫米波通信技術。4G系統(tǒng)的最高頻率為2GHz左右，可用頻譜帶寬只有100MHz。毫米波頻率在30GHz～300GHz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(wěn)定的傳輸信道；由于波長在1～10mm之間，波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)和移動設備上集成大規(guī)模天線陣，實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)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(nèi)完成確認反饋；二是要盡可能減少轉發(fā)節(jié)點，縮短源節(jié)點到目的節(jié)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(wǎng)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(shù)據(jù)能夠進行實時和快速的處理，以減少時延。第四，異構網(wǎng)絡技術。將不同類型網(wǎng)絡融合起來，增加不同站點之間的密度，根據(jù)用戶的特點（如車載用戶）、業(yè)務特點（如實時性要求高）和網(wǎng)絡的特點，來為用戶選擇合適的網(wǎng)絡，滿足終端業(yè)務的多樣性需求的同時也提供了更好的服務質(zhì)量。此技術能在原網(wǎng)絡基礎上增大覆蓋范圍，有效提升系統(tǒng)容量，使得通信系統(tǒng)更具靈活性，同時也降低了網(wǎng)絡維護成本；通過5G網(wǎng)絡可以無處不在進行服務和無縫切換，使通信系統(tǒng)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(fā)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(jié)約成本。在連接不同鏈路時，還可以監(jiān)測列車運行狀態(tài)，有效保障了列車運行的安全性。

4 鐵路通信系統(tǒng)應用5G技術的典型場景

特殊環(huán)境。火車站是典型的客流密集場所，采用室內(nèi)5G組網(wǎng)分布覆蓋，可以滿足旅客超高清移動視頻直播、視頻通話、視頻會議和視頻監(jiān)控等需求，同時也為5G賦能智慧火車站提供了可能，進一步提升鐵路系統(tǒng)以及火車站的管理效率和服務品質(zhì)。高鐵隧道。我國山區(qū)較多，隧道也較多，可采用特型天線，在短距離直線隧道前后采用天線進行覆蓋。一般情況下，可以在隧道中與隧道口安裝特型天線進行覆蓋，兩側不同區(qū)域覆蓋增加用戶信號。如隧道太長，可考慮新型漏纜，每隔500m設置設備洞室，安裝5G的移動基站設備BBU和RRU。高鐵沿線。采用宏站覆蓋，盡量利用舊的4G基站，配置高增益窄波束天線，讓覆蓋性能與信號的分布和銜接更好。

調(diào)度通信。5G網(wǎng)絡滿足超高流量密度運用，可達到每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度，具備Gb/s級的用戶體驗速率，可以滿足列車無線列調(diào)區(qū)段內(nèi)的調(diào)度員、車站值班員和機車司機、車長之間的無線通信。除了通過數(shù)字調(diào)度通信系統(tǒng)中的調(diào)度電話、專用電話、站間區(qū)間電話等傳統(tǒng)調(diào)度語音通信外，還可以進行視頻通話等功能。由于具備完整的優(yōu)先級處理、質(zhì)量保證機制和集群調(diào)度功能，可用于控制中心調(diào)度與各站、段值班員、司機之間的單呼、組呼、全呼、強插、強拆等不同優(yōu)先級通話等調(diào)度通信業(yè)務。

集成的多媒體通信。在多媒體通信功能方面，5G也能加強多媒體信息傳輸技術，將原本單一的文本格式短消息擴展升級為富媒體消息，消息內(nèi)容不再僅僅是文本，還能支持圖片、音頻、視頻、位置、聯(lián)系人等多種形式。鐵路運營應用中，會議電視系統(tǒng)、流媒體應用、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)等多媒體面臨的主要問題就是信道容量問題和大容量通信傳輸問題，而5G通信技術正好能有效解決這些問題。

網(wǎng)絡化行車控制。5G技術擁有高帶寬，能實現(xiàn)毫秒（ms）級端到端時延，可以支持500km/h以上的超高移動性速率，因此能夠穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)各類車載設備間和車地設備間的通信，可以實時監(jiān)控列車運行，實現(xiàn)自動化調(diào)度和主動安全控制功能；實時監(jiān)測列車及行車線路狀態(tài)，將路軌狀況、列車狀況等上傳到數(shù)據(jù)庫，再通過實時分析，對可能出現(xiàn)的故障進行檢測及預判，提出合理的解決方案，從而減小了列車運行中的故障率，保障了列車的運行安全。這也為未來實現(xiàn)無人駕駛、遠程駕駛或者增強現(xiàn)實（AR）智能駕駛技術，打造下一代自動駕駛系統(tǒng)等智能鐵路的行車控制系統(tǒng)提供了可能。

云化行車數(shù)據(jù)管理。列車在運行過程中，將產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的鐵路無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信能力有限，需要將大量基礎數(shù)據(jù)保留在車載設備本地，車載設備數(shù)據(jù)變更的時間效率和組織效率低下。而基于5G網(wǎng)絡的車地設備，可以進行大容量數(shù)據(jù)轉儲，5G轉儲系統(tǒng)通過車輛部分（視頻自動記錄）、車站和場站（視頻自動轉儲）和中心機房（視頻自動分析）三部分的協(xié)調(diào)運作，可實現(xiàn)下載數(shù)據(jù)Gb/s秒級快傳。或者將業(yè)務數(shù)據(jù)上傳至云網(wǎng)絡，通過實時更新和下載系列關鍵數(shù)據(jù)，快速進行實時響應、傳達動作指令，實現(xiàn)調(diào)度通信列車智能精準控制，也將進一步提升高速鐵路智能化管理水平。