5G環(huán)境下的高速鐵路通信系統(tǒng)應用研究

◇中國鐵路信息科技集團有限公司 邢雅娟 樂建煒

本文基于對高速鐵路通信發(fā)展現(xiàn)狀分析，進一步結(jié)合高速鐵路通信系統(tǒng)中應用的5G技術(shù)，以二者為基礎(chǔ)討論，剖析在5G技術(shù)環(huán)境下高速鐵路通信系統(tǒng)技術(shù)應用，并就如何突破當前高鐵通信系統(tǒng)瓶頸進行探討。

在當前逐步完善的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)背景下，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從根本上解決了4G中網(wǎng)絡(luò)時延和接入大量終端閾值等問題，突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，充分發(fā)揮了云數(shù)據(jù)、智能感應和AI智能學習等功能優(yōu)勢。2012年，國際電信聯(lián)盟提出了5G網(wǎng)絡(luò)的三大應用場景：超高可靠低時延通信（uRLLC）、增強型移動寬帶（eMBB）以及大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）。5G低于1ms時延相較之4G網(wǎng)絡(luò)中30ms-70ms時延有巨大突破和優(yōu)勢，其最主要優(yōu)勢為數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)時延方面，其數(shù)據(jù)速率最高可達10Gb/s。2020年更新的R16版本，更是完善了5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)切片功能，滿足了物聯(lián)網(wǎng)與車聯(lián)網(wǎng)的高可靠性業(yè)務(wù)需求，為鐵路智能管理和通信技術(shù)創(chuàng)新奠定了堅實基礎(chǔ)。

1 高速鐵路通信的發(fā)展與現(xiàn)狀分析

1.1 高速鐵路通信的發(fā)展歷程

自2008年，我國開通京津城際高速鐵路之后，其得以飛速發(fā)展，運營里程在2018年發(fā)展至25000公里。目前，鐵路運輸在我國物流貨運量中占比超過70%，在整體客運量中占比超過50%。盡管我國幅員遼闊、地理形勢復雜，但高鐵部門在不斷突破和努力下攻克了許多難關(guān)，例如2012年開通的哈大高鐵和2014年開通的蘭新高鐵，突破了季節(jié)溫差對鐵路基軌鋪設(shè)影響及風速對行駛影響等問題。伴隨著我國鐵路不斷發(fā)展，作為其重要組成部分之一的移動通信也成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點領(lǐng)域。2018年，鐵路部門首次將自動駕駛系統(tǒng)應用于京沈高鐵上，至此開啟了我國高鐵智能時代。隨后，鐵路智能管理系統(tǒng)、監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)及安全防范智能化等通信系統(tǒng)相繼建設(shè)，這些先進通信技術(shù)均為我國高鐵通信領(lǐng)域發(fā)展起到了推進作用。

1.2 高速鐵路通信的現(xiàn)狀分析

當前國際鐵路領(lǐng)域使用較多的通信系統(tǒng)為綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSMR），可實現(xiàn)對列車系統(tǒng)的管理、監(jiān)控及調(diào)度。但該系統(tǒng)為乘客于列車上連接網(wǎng)絡(luò)和通訊同化方面的體驗設(shè)計不完善，乘客使用的便攜通信設(shè)備無法接入專用移動網(wǎng)絡(luò)。并且，GSM-R在高速數(shù)據(jù)傳輸方面也逐漸無法滿足鐵路通信發(fā)展需求。當列車進入不同通信基站范圍時，該系統(tǒng)會自動切換網(wǎng)絡(luò)。在高鐵列車時速高達350Km的情況下，系統(tǒng)自動切換的頻率為6s次，不僅切換過于頻繁不利于乘客擁有良好的網(wǎng)絡(luò)使用體驗，并且當前技術(shù)無法確保切換過程的穩(wěn)定性。

伴隨著第四代移動通信技術(shù)發(fā)展，高鐵通信普遍依托于4G網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是由于列車運動速度過快，在多普勒效應（Doppler Effect）影響下很容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)信號錯位問題，并且盡管4G系統(tǒng)現(xiàn)有的補償算法對此類負面效應有部分抑制功能，但效率相對低下。在此背景下，高鐵列車在移動通信安全性及可靠性方面有著更高的要求，為了進一步滿足乘客的通信需求，以及高鐵自身通信的需要，因此需要建設(shè)與之配套的更高級別的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以滿足不斷提高的安全性、穩(wěn)性定和可靠性等三方面的通信網(wǎng)絡(luò)要求。

2 5G環(huán)境下的高速鐵路通信系統(tǒng)優(yōu)勢分析

依托于邊緣計算技術(shù)、全雙工技術(shù)及超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三項核心技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)具有低時延高帶寬的優(yōu)勢。其中，邊緣計算技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)就近提供了數(shù)據(jù)緩存能力和業(yè)務(wù)計算能力，改變了通信網(wǎng)絡(luò)于業(yè)務(wù)分離的狀態(tài)，降低網(wǎng)絡(luò)時延，使業(yè)務(wù)平臺下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣；全雙工技術(shù)能夠充分利用和發(fā)掘無線頻譜資源，提高信息傳輸效率和頻率利用率；超密集異構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)了組織多種網(wǎng)絡(luò)并形成體系的目的，可以保障5G網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)各種節(jié)點，實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)及節(jié)能配置等功能[2]。

2.1 更利于構(gòu)建完備的鐵路移動通訊系統(tǒng)

上文中提到的GSM-R移動通信系統(tǒng)雖實現(xiàn)了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、機車同步操作信息船速、旅客列車移動信息、區(qū)間移動公務(wù)通信、調(diào)度通信、調(diào)車監(jiān)控信心傳輸、列尾裝置信息傳送、應急指揮通信話音等功能，但數(shù)據(jù)從基站至移動終端傳輸?shù)兀琅f難以滿足日漸提高的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著時代的發(fā)展，客運專線鐵路和高速鐵路運營模式在快速、安全、高效三方面對鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的要求愈來愈高，移動終端數(shù)量成倍增長；并且在高速列車智能化發(fā)展的背景下，系統(tǒng)與列車運行控制中對視頻監(jiān)控和智能調(diào)度需要大量數(shù)據(jù)傳輸，5G系統(tǒng)中的超密集異構(gòu)技術(shù)和全雙工技術(shù)能夠有效解決這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題。

2.2 更利于提供完善的旅客通信服務(wù)

為了在列車高速運動過程中，滿足旅客在日常生活中對網(wǎng)絡(luò)使用的要求，例如線上會議、遠程云辦公、觀看高清視頻等問題，高鐵列車通信的兩項指標通常會設(shè)為端到端時延和用戶速率。5G系統(tǒng)的低時延和高帶寬兩個特性可以滿足兩項指標，為高鐵旅客提供良好的網(wǎng)絡(luò)使用體驗。而在客流密集場所，如火車站候車大廳，可以通過建設(shè)車站W(wǎng)i-Fi/5G融合組網(wǎng)的方法解決大客流環(huán)境下進行高清視頻通信、高速上網(wǎng)等需求。

2.3 更利于搭建可靠的鐵路應急通信網(wǎng)絡(luò)

鐵路應急通信網(wǎng)絡(luò)是為了保障鐵路搶修指揮和應急運輸而建設(shè)的，該系統(tǒng)即便在局部網(wǎng)絡(luò)突發(fā)故障時也要保持正常通信狀態(tài)。在列車運行的緊急情況中，應急救援在通信網(wǎng)絡(luò)可靠性方面有嚴格要求，使用5G技術(shù)可以使鐵路應急通信系統(tǒng)功能更完備，其表現(xiàn)為：結(jié)合5G技術(shù)使用北斗導航定位；結(jié)合5G技術(shù)用戶終端的中繼功能，輔助受損網(wǎng)絡(luò)，使用臨時救援通信節(jié)點保障通信效率和穩(wěn)定性。另外，面對未來應急通信網(wǎng)主的多元需求，5G技術(shù)的高節(jié)點效率和可用性兩項特點可以解決相關(guān)問題。

2.4 更利于建設(shè)高效的車-車通信機制

車-車通信機制為一種列車自動駕駛系統(tǒng)中交互信息傳輸機制，其運行對中心設(shè)備依賴大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接口復雜，配置設(shè)備繁多，對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，且無人化控制系統(tǒng)需在支持高速列車移動情況下達到全覆蓋的條件。如圖1所示，5G系統(tǒng)低時延的特性能為該機制提供了優(yōu)秀的解決方案，有效降低列車運行成本。

圖1 4G、5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對比圖

3 5G環(huán)境下的高速鐵路通信系統(tǒng)技術(shù)應用

3.1 基于5G系統(tǒng)的輔助式衛(wèi)星定位系統(tǒng)應用

由于鋪設(shè)鐵路地形復雜的可能性，列車處于隧道和涵洞等特殊路段時存在“丟星現(xiàn)象”，衛(wèi)星信號遮蔽和反射功能易受影響，將產(chǎn)生嚴重的多徑效應。為了提高衛(wèi)星信號接收速度和靈敏度，需要移動通信系統(tǒng)提供輔助。5G系統(tǒng)特性可以使列車接受并且利用衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，高效查詢衛(wèi)星信息，在列車發(fā)出定位請求情況下準確獲得衛(wèi)星信息，解算列車位置信息。

3.2 基于5G系統(tǒng)的高速鐵路智能管控系統(tǒng)應用

5G通信系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)和云計算等方面存在技術(shù)性的突破和發(fā)展，可以實現(xiàn)列車運行中智能管理、集中管理及智能調(diào)度等功能，在高速鐵路通信系統(tǒng)中有著重要作用。5G通信系統(tǒng)的高傳輸速率特性，能夠使高速列車配備的檢測系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)庫對接，實現(xiàn)實時傳輸路軌狀況等功能，從而對傳輸數(shù)據(jù)進行實時分析，預判并檢測可能存在的故障，減小列車運營故障率，從而保障列車運行安全。另外，由于5G通信系統(tǒng)連接設(shè)備密度增大，讓列車與路側(cè)配套系統(tǒng)間通信及車到車間通信在端到端時延為毫秒級的情況下得以實現(xiàn)，從而實現(xiàn)列車自動駕駛化與安全控制。

4 結(jié)束語

綜上所述，5G 技術(shù)最突出的優(yōu)勢在于能夠展現(xiàn)多項技術(shù)的優(yōu)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(shù)在鐵路通信系統(tǒng)上的應用，將為各車載系統(tǒng)及鐵路運營管理等眾多系統(tǒng)，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(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使系統(tǒng)運行更加安全。