高速鐵路通信系統(tǒng)在5G環(huán)境下的應(yīng)用

趙志博

（中鐵建電氣化局集團(tuán)南方公司，湖北 武漢 430000）

0 前言

目前，中國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)在科技力量的驅(qū)動(dòng)下，逐漸迎來了全新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展情況來看，以大數(shù)據(jù)技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)為主的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)事業(yè)當(dāng)中，尤其是在高速鐵路建設(shè)體系當(dāng)中。在上述技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，智能化調(diào)度、監(jiān)控以及安全管理儼然成為當(dāng)下高速鐵路的發(fā)展方向。2018 年由中國(guó)制造的智能高鐵在京沈高鐵路線正式試行，其中，以自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為主的智能系統(tǒng)被應(yīng)用于高鐵建設(shè)體系當(dāng)中?？梢哉f，無人駕駛將會(huì)成為未來高鐵行業(yè)的目標(biāo)方向。在這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，高鐵鐵路通信系統(tǒng)應(yīng)該及時(shí)解決當(dāng)前系統(tǒng)穩(wěn)定性差、承載效果不足的問題，為高鐵鐵路運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性提供內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

1 高速鐵路通信系統(tǒng)的相關(guān)研究

1.1 高速鐵路通信系統(tǒng)

高速鐵路通信系統(tǒng)基本上可以將其視為高速鐵路運(yùn)輸安全的可靠保證。運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)主要肩負(fù)保證高速鐵路列車行駛安全、管理安全的重要任務(wù)。根據(jù)當(dāng)前情況來看，高速鐵路通信系統(tǒng)在通信樞紐方面存在距離較遠(yuǎn)的問題，且通信基站服務(wù)布設(shè)范圍較廣，正常運(yùn)行過程往往會(huì)受到不確定因素的影響，而出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患問題。因此，唯有優(yōu)化與改進(jìn)高速鐵路通信系統(tǒng)才能夠從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路的安全管理。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

高速鐵路列車具備的智能化特點(diǎn)與無人化特點(diǎn)對(duì)鐵路移動(dòng)通信功能及作用效果具有直接影響?；诖?，高鐵通信系統(tǒng)必須結(jié)合高速鐵路的發(fā)展方向，加強(qiáng)對(duì)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的可靠管理。近些年來，隨著高速鐵路的發(fā)展與建設(shè)，鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)合安全性原則與穩(wěn)定性原則，滿足高鐵發(fā)展的需求。結(jié)合國(guó)際發(fā)展情況來看，以GSM-R（綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)）為主的系統(tǒng)成為當(dāng)前高鐵通信系統(tǒng)比較常見的類型。從運(yùn)作效果來看，綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了列車調(diào)度與監(jiān)控管理的功能要求，且在滿足旅客通信需求方面也比以往有了明顯加強(qiáng)。然而，隨著智能調(diào)度系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不斷應(yīng)用，傳統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容已經(jīng)無法滿足當(dāng)前高鐵通信系統(tǒng)的運(yùn)作需求，尤其是數(shù)據(jù)傳輸需求。

主要體現(xiàn)在旅客在列車上的通信質(zhì)量不佳，無法實(shí)現(xiàn)視頻、語音通信等功能。近日，研究人員針對(duì)高鐵列車通信基站范圍及作用效果提出了多種方案措施，目的在于確保通信質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)連接之間始終呈現(xiàn)高效率關(guān)系。一般來說，通信系統(tǒng)需要每隔6 s 就自動(dòng)切換一次，但是在切換的過程中，由于高鐵運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，因此在穩(wěn)定性方面難以得到有效保證?？紤]到其他因素的影響，如4G 通信技術(shù)系統(tǒng)頻率較快，再加上受到多普勒效應(yīng)的影響，很容易造成信號(hào)傳輸過程的錯(cuò)位傳輸現(xiàn)象。雖然當(dāng)前利用補(bǔ)償算法可以抑制上述不良現(xiàn)象，但是作用效果還是無法達(dá)到預(yù)期，因此在高鐵上如果想實(shí)現(xiàn)正常通話或者上網(wǎng)功能還是需要經(jīng)過一定的努力，才可以達(dá)到預(yù)期。

2 5G系統(tǒng)

2.1 基本內(nèi)容

5G 通信技術(shù)主要是指第五代移動(dòng)通信技術(shù)，屬于一種延續(xù)4G 通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)的技術(shù)內(nèi)容[1]。5G 通信技術(shù)主要結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程作為5G 系統(tǒng)的內(nèi)在技術(shù)支持，基本上為云計(jì)算與后臺(tái)服務(wù)的優(yōu)化發(fā)展提供了潛在可能。相較于4G 通信技術(shù)，5G 通信技術(shù)在應(yīng)用方面攻克了4G 通信技術(shù)的不足，具體表現(xiàn)在2 個(gè)方面。1）5G通信技術(shù)主動(dòng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在拓寬數(shù)據(jù)傳輸范圍方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。相較于4G 技術(shù)而言，5G 通信技術(shù)傳輸速度得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。即便處于不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下，信息傳送量也可以達(dá)到常規(guī)狀態(tài)，解決以往4G技術(shù)運(yùn)輸不穩(wěn)定問題。2）5G 通信技術(shù)解決了以往移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站覆蓋面不足的問題。正式傳輸過程中，5G 通信技術(shù)打破了傳統(tǒng)覆蓋范圍的局限問題，即便不在基站覆蓋范圍當(dāng)中，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程?？梢哉f，5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，無疑彌補(bǔ)了4G 通信技術(shù)的不足，為未來社會(huì)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展提供內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

2.2 5G通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀發(fā)展

無線移動(dòng)通信技術(shù)歷經(jīng)多代發(fā)展，已經(jīng)從原本的4G 通信技術(shù)過渡到5G 通信技術(shù)體系當(dāng)中。早在2012 年，隨著第四代通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)踐行之后，移動(dòng)通信行業(yè)就已經(jīng)針對(duì)第五代通信技術(shù)開展了精細(xì)化研究與分析[2]。像三星、聯(lián)發(fā)科等眾多廠商都全力針對(duì)5G 通信技術(shù)芯片研究工作進(jìn)行充分實(shí)踐。目前，國(guó)內(nèi)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商、聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商以及電信運(yùn)營(yíng)商紛紛在一線城市當(dāng)中建設(shè)屬于自身的5G 網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)。

根據(jù)當(dāng)前的情況來看，5G 網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)預(yù)計(jì)在明年就可以實(shí)現(xiàn)商用。相較于成熟并且廣泛應(yīng)用的4G 通信系統(tǒng)，5G通信系統(tǒng)所具備的低成本、傳輸速率高等特點(diǎn)，更加適用于當(dāng)前時(shí)代。如圖1 所示，5G 通信系統(tǒng)可以支持500 km/h的終端移動(dòng)速度要求，這一舉措的出現(xiàn)與應(yīng)用進(jìn)一步促進(jìn)了高鐵通信系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程，具有非常重要的意義。

3 5G環(huán)境下高速鐵路通信系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 5G系統(tǒng)下高速鐵路智能管控系統(tǒng)的應(yīng)用分析

具備高傳輸特點(diǎn)的5G 通信系統(tǒng)在一定程度上可以為列車運(yùn)行過程提供實(shí)時(shí)監(jiān)控保證。通過運(yùn)用高速鐵路列車自帶的檢測(cè)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵列車路軌情況的全面監(jiān)督與管理，并且可以及時(shí)將列車運(yùn)行過程中涉及的數(shù)據(jù)內(nèi)容上傳到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。操作人員通過調(diào)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的故障問題進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。操作人員可以根據(jù)具體問題制定科學(xué)、合理的解決措施，以期可以減少高鐵列車運(yùn)行的質(zhì)量問題。同時(shí)，5G 通信系統(tǒng)基于可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)端到端時(shí)延的特點(diǎn)，基本上可以進(jìn)一步強(qiáng)化設(shè)備的連接密度，確保列車運(yùn)行過程安全無誤。

3.2 5G系統(tǒng)下乘客用網(wǎng)的應(yīng)用分析

近些年來，隨著移動(dòng)設(shè)備與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模化發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備在線視頻觀看頻率已經(jīng)超出傳統(tǒng)在線視頻觀看時(shí)長(zhǎng)。目前，隨著移動(dòng)視頻的普及應(yīng)用，移動(dòng)視頻清晰度已經(jīng)從原本的標(biāo)清提升到高清，乃至當(dāng)前的4K 超清。但是從當(dāng)前的情況來看，現(xiàn)有的4G 系統(tǒng)難以滿足4K 超清的要求，且在帶寬穩(wěn)定性方面也難以達(dá)到規(guī)定要求。而5G 通信系統(tǒng)的出現(xiàn)與應(yīng)用無疑是給4K 超清移動(dòng)視頻提供了良好的技術(shù)支持。高鐵列車上的乘客可以運(yùn)用5G 網(wǎng)絡(luò)觀看超高清視頻，實(shí)現(xiàn)通話、監(jiān)控等功能效果[3]。

3.3 5G系統(tǒng)下輔助式衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用分析

高鐵列車沿線地形特征較為復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)遇到隧道、樹木等，給高鐵列車運(yùn)行質(zhì)量帶來隱患。在這樣的發(fā)展情況下，衛(wèi)星信號(hào)反射過程容易受到高層建筑物或者樹木的影響而出現(xiàn)屏蔽現(xiàn)象。5G 通信系統(tǒng)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得高鐵列車可以借助5G 網(wǎng)絡(luò)，獲取衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，得到具體位置信息。

4 結(jié)論

5G 系統(tǒng)憑借自身速率高、穩(wěn)定性高、時(shí)延性低等特點(diǎn)，有效地促進(jìn)了高速鐵路通信系統(tǒng)的全面發(fā)展。初步改善了高速鐵路通信系統(tǒng)穩(wěn)定效果差、承載效果不佳以及易受周圍因素干擾等問題，促使列車運(yùn)行過程的網(wǎng)絡(luò)連接效果、智能化運(yùn)行效果不斷向安全性與穩(wěn)定性方向發(fā)展。根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用情況來看，5G 系統(tǒng)與Wi-Fi 技術(shù)的融合組網(wǎng)措施已經(jīng)得到良好運(yùn)用，并且通過衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與5G 系統(tǒng)相結(jié)合的方式，初步改善了當(dāng)前高速鐵路通信系統(tǒng)存在的運(yùn)行質(zhì)量問題。雖然從客觀角度上來看，5G 高速鐵路通信系統(tǒng)尚未得到廣泛推行與使用，但是相信在不久的將來，高速鐵路通信系統(tǒng)在5G 環(huán)境下勢(shì)必會(huì)得到良好應(yīng)用。

圖1 5G 的傳輸速度