5G技術(shù)及其在鐵路通信中的應(yīng)用*

劉志英

0 引 言

當(dāng)前，4G技術(shù)的功能較為健全，為人們的生活提供了極大便利，但仍然處在不斷發(fā)展的過程中，為5G時(shí)代的全面到來奠定了一定基礎(chǔ)。5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在多個(gè)方面，如頻帶利用率高、通信性能好等，這對(duì)鐵路運(yùn)輸業(yè)來說十分必要。因此，鐵路通信系統(tǒng)可有效運(yùn)用5G系統(tǒng)中包含的各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，確保列車的調(diào)度更加合理。

1 5G概述

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，從最初第一代的模擬技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入無線寬帶的4G時(shí)代，且5G技術(shù)已經(jīng)初步形成，相信在短時(shí)間內(nèi)將會(huì)得到普遍應(yīng)用。與4G相比，5G技術(shù)的傳輸成本較低。具體來說，5G技術(shù)主要有以下幾方面特點(diǎn)。第一，能夠使用戶獲得更加優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)，這主要是因?yàn)槠淠軌蛑С侄囗?xiàng)移動(dòng)業(yè)務(wù)且傳輸速度較快，如圖1所示。第二，5G技術(shù)的突破點(diǎn)在于能夠同時(shí)為多個(gè)用戶進(jìn)行服務(wù)，且系統(tǒng)的整體性能在原有基礎(chǔ)上有了明顯提升。第三，5G技術(shù)在支持多項(xiàng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，能夠全面覆蓋室內(nèi)無線，且覆蓋范圍明顯增加。第四，5G技術(shù)的傳輸速度高達(dá)幾十吉比特每秒[1]。例如，用4G技術(shù)下載一部高清電影需要耗時(shí)10 min，而5G技術(shù)只需1 s就能完成下載。另外，相比4G技術(shù)，5G技術(shù)的能耗量也十分低，如圖2所示。

圖1 5G傳輸速率

圖2 5G能耗量

2 鐵路通信技術(shù)

2.1 概況

鐵路通信是整個(gè)鐵路運(yùn)輸過程中一個(gè)至關(guān)重要的部分，主要有以下作用。第一，對(duì)鐵路進(jìn)行集中管理，進(jìn)而確保列車行駛的安全性。第二，實(shí)現(xiàn)信息化管理，通過信息的傳輸與控制，與其他部門進(jìn)行合作，促使運(yùn)輸與管理工作能夠更加順利地開展。因此，一旦通信方面出現(xiàn)問題，將會(huì)影響整個(gè)鐵路的運(yùn)輸工作，進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)等多個(gè)層面的損失。第三，鐵路運(yùn)輸通信的重點(diǎn)在于確保運(yùn)輸生產(chǎn)能夠順利進(jìn)行，因此需要對(duì)行車進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)度與指揮。

在鐵路運(yùn)輸過程中，通信技術(shù)發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前技術(shù)、功能不斷完善，無論是在技術(shù)水平還是使用范圍上，都較之前有了一定進(jìn)步。通信技術(shù)的主要功能是加強(qiáng)對(duì)鐵路系統(tǒng)多個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)與控制，并實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的傳輸，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)的分析與管理，得出相應(yīng)的分析結(jié)果，以此為依據(jù)完成運(yùn)輸策略的制定。通信技術(shù)的功能主要包括以下幾點(diǎn)。第一，控制行車，保障其運(yùn)輸過程中的安全。第二，管理列車自動(dòng)化調(diào)度的整個(gè)過程。第三，全面監(jiān)測(cè)行車路線的路面情況，并完成監(jiān)測(cè)信息的反饋。第四，定期檢查設(shè)備，及時(shí)處理設(shè)備故障。

另外，通信技術(shù)的作用體現(xiàn)在多個(gè)方面。除了與整個(gè)行車系統(tǒng)有關(guān)之外，也與維修等系統(tǒng)有著較強(qiáng)關(guān)聯(lián)[2]。只有這幾個(gè)系統(tǒng)結(jié)合，才有完整的控制系統(tǒng)，進(jìn)而使整個(gè)鐵路系統(tǒng)能夠時(shí)刻處于通信技術(shù)的監(jiān)測(cè)與管理下，有效保障行車安全和生產(chǎn)運(yùn)輸過程的規(guī)范化。

2.2 特點(diǎn)

鐵路通信技術(shù)的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面。第一，不同通信樞紐間的間隔距離相對(duì)較遠(yuǎn)，且每個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的服務(wù)范圍較廣。第二，用戶數(shù)量相對(duì)較少且間隔較遠(yuǎn)，需要通過復(fù)用終端設(shè)備進(jìn)行通信，有效保障通信質(zhì)量。第三，通信技術(shù)擔(dān)負(fù)著傳達(dá)鐵路信息的職責(zé)，且其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有絕對(duì)的可靠性。第四，通信網(wǎng)必須有足夠的承受能力，能夠有效應(yīng)對(duì)各種自然災(zāi)害和突發(fā)事件，并且在較為緊急的情況下能夠啟動(dòng)應(yīng)急方案，將修復(fù)時(shí)間控制在最小范圍[3]。第四，通信技術(shù)能夠加強(qiáng)鐵路運(yùn)輸過程中不同層級(jí)人員之間的溝通與交流，進(jìn)而控制列車的各項(xiàng)問題。第五，利用無線網(wǎng)絡(luò)能夠保障一些信號(hào)不穩(wěn)定或不連續(xù)地區(qū)的通信質(zhì)量。盡管當(dāng)前通信技術(shù)在鐵路運(yùn)輸中得到了廣泛應(yīng)用，但仍存在一些不完善之處，如通信設(shè)施容易受到電磁干擾等。因此，必須應(yīng)用更多先進(jìn)技術(shù)，有效提高鐵路運(yùn)輸質(zhì)量。

3 5G系統(tǒng)指標(biāo)

5G系統(tǒng)能夠融合多種技術(shù)，因此在鐵路運(yùn)輸過程中可充分利用5G的通信技術(shù)。下面將詳細(xì)介紹5G系統(tǒng)的主要指標(biāo)。

3.1 頻帶利用率

鐵路通信形成之初至現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)過了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。因此，管網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，其中融合了較多先進(jìn)技術(shù)。在對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率進(jìn)行衡量時(shí)，可運(yùn)用多種指標(biāo)，并以此為依據(jù)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。其中，最重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)就是頻帶利用率。通過這項(xiàng)指標(biāo)能夠更加直觀地了解系統(tǒng)性能。從鐵路通信對(duì)頻帶的應(yīng)用程度來看，當(dāng)前仍處在較低的層次，主要原因在于無線電波的穿透能力過強(qiáng)，導(dǎo)致頻帶損耗量較大[4]，自然就使得頻帶的利用率始終難以得到有效提升。而5G的到來則有效解決了這一問題，系統(tǒng)中所包含的各項(xiàng)技術(shù)能夠使頻帶利用率在原有基礎(chǔ)上得到有效提升，進(jìn)而將頻帶損耗量控制在最小范圍。

3.2 系統(tǒng)性能

5G系統(tǒng)中包括多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能夠有效保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。這些先進(jìn)技術(shù)可利用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，進(jìn)而使系統(tǒng)功能在原有基礎(chǔ)上得到有效提升。同時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)揮控制、交換等多項(xiàng)功能，有效提升資源利用率。5G系統(tǒng)還具有群呼等功能，能夠?qū)α熊囘M(jìn)行科學(xué)合理調(diào)度，使通信頻率的分配更加有效。

3.3 集中管理

5G時(shí)代系統(tǒng)控制的要點(diǎn)在于資源的配置，進(jìn)而使列車維修、應(yīng)急救援等多項(xiàng)問題得到有效處理。5G技術(shù)還能有效節(jié)約開支，起到控制成本的作用。另外，5G技術(shù)能夠發(fā)揮智能化管理的作用，進(jìn)而有效提高系統(tǒng)的管理效率。

4 5G的應(yīng)用

4.1 多天線技術(shù)

MIMO多天線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，具有較高的空間分辨率，能夠獲取更多空間資源，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶的自由通信，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上有效提升頻譜效率。第二，能夠局限波束的范圍，將外界干擾控制在最小范圍。第三，控制發(fā)射功率，有效提升整體的功率效率。第四，提升預(yù)編碼和檢測(cè)器的質(zhì)量，能夠抵抗許多干擾因素。多天線技術(shù)的研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行具體說明。第一，信道建模，需要在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上獲取相應(yīng)參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真處理。這項(xiàng)工作較為復(fù)雜，因此技術(shù)方面要求相對(duì)較高。第二，空間分址，即在大維矩陣空間中獲取更多資源[5]。目前，華為、大唐多個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)達(dá)到了這一要求。另外，當(dāng)前規(guī)模最大的是空分多址，這項(xiàng)技術(shù)能夠有效提升5G技術(shù)的性能，但其具有較大難度，還須加大研究力度。第三，信道導(dǎo)頻，由于天線數(shù)量較多，因此估計(jì)時(shí)需要較大的開銷，而信道估計(jì)也是目前要解決的一個(gè)重要問題，只有在此基礎(chǔ)上才能順利實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的MIMO多天線技術(shù)。該技術(shù)在鐵路通信的管理工作中能夠充分發(fā)揮作用，有效保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，并且合理分配頻率，促使調(diào)動(dòng)工作順利完成。同時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率也與天線數(shù)量有著較高關(guān)聯(lián)性，因而能夠合理利用頻譜資源。此外，多天線技術(shù)能夠進(jìn)行功率發(fā)送，進(jìn)而充分展現(xiàn)鐵路設(shè)備的功能，使通信系統(tǒng)的布局更加合理。

4.2 全雙工技術(shù)

全雙工是5G技術(shù)中的一項(xiàng)接口技術(shù)，優(yōu)勢(shì)在于能夠使終端設(shè)備信號(hào)的發(fā)送不局限于時(shí)間和頻段，且使頻譜效率在原有基礎(chǔ)上提升了一倍左右，但同頻信號(hào)會(huì)使接收信號(hào)受到影響。因此，這項(xiàng)技術(shù)需要解決的問題是如何控制干擾。當(dāng)前，在消除干擾時(shí)采用的主要方法是數(shù)字域法，即對(duì)干擾參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，起到消除干擾的作用。當(dāng)前使用的技術(shù)已經(jīng)基本能夠有效控制干擾，但在此基礎(chǔ)上所建模型十分簡(jiǎn)單，且研究多局限于理論層面，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還需做進(jìn)一步研究。要控制功率、能耗等，促使技術(shù)更加完善。從目前的應(yīng)用情況來看，盡管全雙工技術(shù)有一些缺陷，但在鐵路通信中仍然具有優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)中的不同鏈路順利實(shí)現(xiàn)通信[6]，且有效提高了資源利用率，明顯提升了設(shè)備的信息傳輸效率，也使列車的各項(xiàng)運(yùn)行信息能夠處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)下，有效保障了列車運(yùn)行的安全性。同時(shí)，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)還能夠?qū)⑾到y(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制在最小范圍，促使列車運(yùn)行更加可靠。另外，該技術(shù)的應(yīng)用也解決了資源耗量過大的問題，縮減了成本支出。但是，針對(duì)以上提出的全雙工技術(shù)中存在的問題，還須加大研究力度，促使其在鐵路通信中發(fā)揮更大的作用。

4.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求量持續(xù)增加，且增幅度較大，使當(dāng)前的無線通信面臨著一定挑戰(zhàn)。通過密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠解決這一問題。它的覆蓋范圍較大，能夠提升系統(tǒng)容量。估測(cè)結(jié)果顯示，無線網(wǎng)絡(luò)未來不同站點(diǎn)之間的密度將會(huì)是現(xiàn)在的10倍左右，且不同站點(diǎn)之間的距離將會(huì)越來越小，甚至在10 m以內(nèi).這增加了限定范圍內(nèi)的用戶數(shù)量，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的用戶[7]。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)能夠有效提升頻譜效率和系統(tǒng)容量，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。另外，網(wǎng)絡(luò)中不同技術(shù)之間通常會(huì)存在一定干擾，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能受損，因此還須進(jìn)一步研究。此外，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用能夠降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本，但還需要實(shí)現(xiàn)多層次的統(tǒng)一與聯(lián)合，進(jìn)而使技術(shù)的配置更加合理。當(dāng)前，鐵路通信在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下將逐步實(shí)現(xiàn)智能化，因此終端設(shè)備的性能與質(zhì)量必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有所提升。超密集密度網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋較大范圍，且能夠使系統(tǒng)功能更加完善，可將其運(yùn)用于鐵路通信系統(tǒng)，促使鐵路設(shè)備運(yùn)行更加可靠。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也使得系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的配置更加合理，確保各項(xiàng)技術(shù)能夠同時(shí)應(yīng)用于系統(tǒng)，進(jìn)而滿足不同用戶的需求。

4.4 多載波技術(shù)

OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率相對(duì)較高，但在信道的影響下干擾較為嚴(yán)重。為了解決這一問題，需要進(jìn)行保護(hù)間隔的插入，延遲信息發(fā)送時(shí)間。然而，這種處理方式雖然能夠解決干擾問題，但將嚴(yán)重影響子載波，因此使得問題處理僅局限于符號(hào)內(nèi)部，而沒有擴(kuò)大到子載波層面，并不具有可行性。與OFDM相比，多載波技術(shù)能夠?qū)⒆虞d波的干擾問題控制在最小范圍，且不需要系統(tǒng)開銷，自然能夠有效提升頻譜效率。目前，鐵路通信急需解決的問題是頻譜效率和干擾問題。因此，可將多載波技術(shù)應(yīng)用于其中，滿足不同頻率的要求，且適當(dāng)增加信道數(shù)量[8]，使系統(tǒng)中較為復(fù)雜的問題通過計(jì)算盡快得到處理。多載波技術(shù)主要通過濾波器實(shí)現(xiàn)，要求在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮鐵路的業(yè)務(wù)需求，不斷調(diào)整設(shè)計(jì)方案，確保系統(tǒng)的運(yùn)行能夠更加可靠和安全，提高系統(tǒng)處理各項(xiàng)業(yè)務(wù)的效率。5G時(shí)代全面到來后，濾波器的功能將會(huì)更加完善，將促使鐵路通信系統(tǒng)的性能更好，系統(tǒng)指標(biāo)更加清晰，各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用更加合理。

5 基于5G的高速鐵路移動(dòng)通信技術(shù)

第一，無線信道建模。目前，高速鐵路對(duì)散射環(huán)境的要求較為簡(jiǎn)單，LOS特征較為顯著，意味著通信環(huán)境比較優(yōu)質(zhì)。另外，移動(dòng)速度過快會(huì)增強(qiáng)多普勒頻移，但LOS可有效控制這一問題。第二，分布式網(wǎng)絡(luò)和云架構(gòu)。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)基站的資源使用率較低，為了確保鐵路運(yùn)行足夠安全，應(yīng)采取間隔發(fā)車的方式，有效減少同一線路的列車數(shù)量，進(jìn)而控制資源浪費(fèi)問題。云無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)于這一問題的處理具有重要作用，能夠?qū)⒓谢镜墓觅Y源轉(zhuǎn)移至某一基帶，進(jìn)而集中控制資源。第三，控制面和用戶面分離。通常情況下，服務(wù)基站與接入用戶之間存在兩個(gè)平面的連接?？刂泼嬗糜谥噶畹目刂?，而用戶面則處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。如果控制面的覆蓋范圍足夠大，就能夠保障用戶的移動(dòng)性。在此過程中，如果需要考慮成本問題，也可采用LTE-R遺留頻段的方法。另外，還應(yīng)在高頻段處放置數(shù)據(jù)的承載者，有效擴(kuò)充系統(tǒng)容量。第四，異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)。系統(tǒng)容量的增加可通過頻譜效率的增強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)寬帶更易發(fā)揮作用。目前，在擴(kuò)充系統(tǒng)容量過程中主要采用非許可證頻段。該技術(shù)的協(xié)調(diào)方案容易受到干擾。為了避免出現(xiàn)這類問題，首先必須進(jìn)行信道質(zhì)量檢測(cè)，其次進(jìn)行信道篩選，最后選擇出滿足最低要求的信道。第五，多天線技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用能夠改變不同天線陣列間的關(guān)聯(lián)性，之后LOS在高速鐵路的環(huán)境下就可有效擴(kuò)充系統(tǒng)容量，但越區(qū)切換將直接影響列車運(yùn)行的安全性。因此，需要采用分布式天線技術(shù)，有效減少切換次數(shù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

總而言之，5G技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)在于能夠展現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促使問題高效處理。5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)對(duì)于鐵路通信來說十分適用，能夠有效提升傳輸網(wǎng)的效率，及時(shí)處理故障，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全。

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