5G無線通信技術(shù)及其在鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用

張廣福

【摘要】? ? 隨著5G無線通信技術(shù)進(jìn)入商用，人類改造世界有了更新的技術(shù)力量。本文介紹了5G無線通信技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合其特點(diǎn)對5G技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用場景進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 關(guān)鍵技術(shù)? ? 鐵路通信

引言

在5G時(shí)代，移動互聯(lián)的能力突破了傳統(tǒng)帶寬的限制，時(shí)延或大量終端的接入能力等問題得到根本解決，能夠把智能感應(yīng)、大數(shù)據(jù)和智能學(xué)習(xí)的能力充分發(fā)揮出來，并整合這些能力，形成強(qiáng)大的服務(wù)體系。隨著我國鐵路技術(shù)的不斷進(jìn)步及其在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，對鐵路通信系統(tǒng)提出新的要求。如果結(jié)合5G特點(diǎn)并利用其關(guān)鍵技術(shù)，將能夠滿足其不斷發(fā)展的需求，更加有效地保障行車安全，提高運(yùn)輸效率。

一、5G概述

5G是一個(gè)真正意義上的的融合網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)融合統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將提供人與人、人與物、物與物之間高速、安全、自由的連接，這種席卷而來的融合力也在移動通信技術(shù)領(lǐng)域逐步顯現(xiàn);5G無線通信技術(shù)的基本特點(diǎn)是：高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時(shí)延、萬物互聯(lián)和重構(gòu)安全體系;5G旨在解決高速率、低延時(shí)通信、海量互聯(lián)、智慧城市建設(shè)等方面的技術(shù)問題，如果說4G改變了人們生活的話，那么5G的到來將改變我們的社會，也就是說，這種新的改變，無論廣度還是深度都要深刻得多;5G不是一項(xiàng)技術(shù)，而是由大量技術(shù)形成了一個(gè)綜合體系，這些技術(shù)將在5G建設(shè)過程中不斷完善。

二、5G的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了把帶寬做的很寬，5G采用的是28GHZ——32GHZ的頻率，也就是毫米波。這種波基本沒有穿透能力。如果通信采用毫米波的頻率，意味著沒辦法穿透障礙，所以就需要用到很多微基站，做到密集部署。密集部署的網(wǎng)絡(luò)拉進(jìn)了終端與節(jié)點(diǎn)間的距離，使得網(wǎng)絡(luò)的功率和頻譜效率大幅度提高。異構(gòu)就是不同結(jié)構(gòu)的意思。5G網(wǎng)絡(luò)需要采用一些措施來保障系統(tǒng)性能，主要有不同業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)，各種節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)方案、網(wǎng)絡(luò)的選擇以及節(jié)能配置方法等。這種將多種網(wǎng)絡(luò)組織起來形成一個(gè)體系的方式就叫超密集異構(gòu)。

雖然說超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在5G通信傳輸中擁有很大發(fā)展空間和進(jìn)步的余地，但是仍然有些缺點(diǎn)，主要可以體現(xiàn)為：一是各個(gè)節(jié)點(diǎn)排列得相對緊密，因此它們之間的距離就非常的有限，這樣使得系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)以下問題：由于同種類別的無線接入所造成的同頻干擾，以及不同種類別的無線接入所造成的分層干擾。而為了解決上述問題，將需要對5G通信傳輸進(jìn)行更深入的探究;二是大量系統(tǒng)內(nèi)部存在的用戶所部署的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致了干擾圖樣和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大范圍內(nèi)的動態(tài)變化。綜上所述，我們要強(qiáng)化相關(guān)方面的技術(shù)研究來應(yīng)對這些出現(xiàn)的問題。

2.2 邊緣計(jì)算技術(shù)

大寬帶業(yè)務(wù)的不斷增加，勢必將對網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬造成很大的影響，所以運(yùn)營商尋找一套合理的解決方案使其能夠降低對傳輸帶寬的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。移動邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing， MEC）最初于2013年在IBM和諾基亞、西門子共同推出的一套計(jì)算平臺上出現(xiàn)。移動邊緣計(jì)算側(cè)重在移動網(wǎng)邊緣提供IT服務(wù)、云計(jì)算能力和智能服務(wù)、強(qiáng)調(diào)靠近移動用戶以減少網(wǎng)絡(luò)操作和服務(wù)交付的時(shí)延。移動邊緣計(jì)算技術(shù)使邊緣網(wǎng)絡(luò)具有業(yè)務(wù)處理的能力，同時(shí)下沉內(nèi)容及應(yīng)用，是降低時(shí)延的有效解決方案。移動邊緣計(jì)算改變了移動通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)分離的狀態(tài)，將業(yè)務(wù)平臺下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，為移動用戶就近提供業(yè)務(wù)計(jì)算和數(shù)據(jù)緩存能力。移動邊緣計(jì)算將業(yè)務(wù)本地化，將內(nèi)容本地緩存，業(yè)務(wù)的理想時(shí)延降至毫秒級，典型時(shí)延小于10ms。

邊緣計(jì)算作為一種新的部署方案，一方面通過把小型數(shù)據(jù)中心或帶有緩存計(jì)算處理能力的節(jié)點(diǎn)部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，與移動設(shè)備、傳感器和用戶緊密相連，減少核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。例如，在車聯(lián)網(wǎng)中，業(yè)務(wù)控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求高，如果數(shù)據(jù)分析和控制邏輯全部集中在較遠(yuǎn)的云端完成，難以滿足業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求。另一方面，邊緣計(jì)算可以提供流量卸載，移動終端可以根據(jù)應(yīng)用對時(shí)延的容忍程度、自身的處理能力以及能耗等因素判斷是否需要流量卸載。通過流量卸載，計(jì)算密集型和時(shí)延敏感型應(yīng)用可以在邊緣計(jì)算平臺上處理;在時(shí)延和回程鏈路負(fù)載允許的情況下，計(jì)算密集型應(yīng)用可以進(jìn)一步卸載到核心網(wǎng)絡(luò) 以獲得更充足和強(qiáng)大的計(jì)算資源。

2.3 全雙工技術(shù)

同時(shí)、同頻全雙工技術(shù)指的是無線通訊設(shè)備時(shí)間頻率均相同，且可同時(shí)發(fā)射接收無線信號。從而實(shí)現(xiàn)提升無線通信線路頻譜利用率這一目標(biāo)。在5G移動通信中使用同時(shí)同頻全雙工技術(shù)?？梢杂行岣哳l率利用率，提升信息傳輸效率。在5G通信傳輸中，全雙工計(jì)劃可以對無線頻譜資源進(jìn)行充分的利用和發(fā)掘。在5G通信傳輸發(fā)展的過程中也遇到了一些比較難以解決的瓶頸問題，比如說，發(fā)射信號和接收信號的兩個(gè)終端之間始終有大幅度的頻率差別，因此而產(chǎn)生的自干擾現(xiàn)場非常嚴(yán)重，在對于5G通信傳輸?shù)倪M(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了莫大的阻撓。所以，通過互相抵消的方法，把全雙工技術(shù)有效的應(yīng)用在5G通信傳輸系統(tǒng)中，就能使得信號自干擾的問題得到合理解決。通過消除模擬端之間的相互干擾或是將干擾信號的數(shù)字端部分消除，并在此基礎(chǔ)上把它們合理的結(jié)合起來，則能夠有效解決或者緩解所謂的自干擾。

2.4 自組網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)的含義就是網(wǎng)絡(luò)在定義的過程中，要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行組織，即對于各種不同要求的網(wǎng)絡(luò)，可以通過一個(gè)自組織體系進(jìn)行構(gòu)建，在大的網(wǎng)絡(luò)體系下，為某些用戶提供特殊的服務(wù)，因此，自組織網(wǎng)絡(luò)的智能化將成為5G網(wǎng)絡(luò)必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

在傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)維，既耗費(fèi)大量人力資源又增加運(yùn)行成本，而且網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也不理想。在5G時(shí)代，原有的移動通訊網(wǎng)絡(luò)會面臨很多新的挑戰(zhàn)。比如怎么進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)營及維護(hù)。這主要是由于網(wǎng)絡(luò)存在多種無線接入技術(shù)，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋能力各不相同，它們之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜。

自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決的關(guān)鍵問題主要有： 一是網(wǎng)絡(luò)部署階段的自規(guī)劃合資配置，二是網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段的自優(yōu)化和自愈合。自規(guī)劃的目的是動態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并執(zhí)行，同時(shí)滿足系統(tǒng)的容量擴(kuò)展、業(yè)務(wù)監(jiān)測或優(yōu)化結(jié)果等方面的需求。自配置即新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置可以實(shí)現(xiàn)即插即用，具有低成本安裝簡易等優(yōu)點(diǎn)。自優(yōu)化的目的是減少業(yè)務(wù)工作量，達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及性能的效果。至于自愈合，顧名思義，指的是構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以自動發(fā)現(xiàn)問題，找到問題，同時(shí)可以排除故障，大大減少維護(hù)成本，并避免對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的影響。

三、5G無線通信技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 更加完備的鐵路移動通信系統(tǒng)

現(xiàn)有的鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R），雖然可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度通信、列尾裝置信息傳送、無線機(jī)車信號和調(diào)車監(jiān)控信息傳輸、機(jī)車同步操作信息傳輸、列車控制數(shù)據(jù)傳輸、區(qū)間移動公務(wù)通信、應(yīng)急指揮通信話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、旅客列車移動信息服務(wù)等信息傳遞功能。但是，現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)主要提供語音通信和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，且移動終端到基站的傳輸速率很低，不能滿足高速鐵路通信日益增長的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?隨著鐵路大發(fā)展，特別是高速鐵路和客運(yùn)專線鐵路安全、快速、高效的運(yùn)營模式對鐵路通信網(wǎng)提出了越來越高的要求，未來鐵路移動通信網(wǎng)中移動終端的數(shù)量將成倍數(shù)增長;且隨著智能調(diào)度的推出以及視頻監(jiān)控在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，鐵路移動通信系統(tǒng)需要傳輸大量的視頻和圖像信息。

5G無線通信系統(tǒng)的全雙工技術(shù)、超密集異構(gòu)技術(shù)，以及在GSM-R 系統(tǒng)中采用移動軟交換等技術(shù)，能夠滿足未來不斷涌現(xiàn)的新功能、新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景需求，保證鐵路行車安全，提高運(yùn)營效力。

3.2? 更加高效的車—車通信機(jī)制

列車自動駕駛系統(tǒng)中，兩列運(yùn)行的車輛之間的信息交互，如果仍然只采用“車—地—車”的通信鏈路，存在配置設(shè)備多、系統(tǒng)接口和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、列車運(yùn)行對中心設(shè)備依賴大的缺點(diǎn)。更高級別的列車自動駕駛控制系統(tǒng)不僅需要車輛和地面基礎(chǔ)設(shè)備的通信，還包括車輛與車輛之間的通信。這些通信連接需要承載極低時(shí)延和高可靠性的車輛控制指令，而這些指令對于安全駕駛極為重要。盡管這些指令通常不需要大帶寬，但是當(dāng)車輛之間需要交換視頻信息時(shí)，較高的傳輸速率仍然是必要的。此外，當(dāng)支持高速車輛的移動性時(shí)，無人參與的控制必須具備完全覆蓋條件。5G技術(shù)的低時(shí)延特性，必將使鐵路列車自動駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)再一次飛躍，大大提高運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本。

3.3? 更加可靠的鐵路應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)

建設(shè)安全可靠、迅速快捷、機(jī)動靈活的鐵路應(yīng)急通信網(wǎng)，是保證鐵路應(yīng)急運(yùn)輸及鐵路搶修指揮聯(lián)絡(luò)的重要手段。在緊急情況下，可靠的通信網(wǎng)絡(luò)對于應(yīng)急救援非常重要，而且即使在突發(fā)事故中局部網(wǎng)絡(luò)損毀，這要求也不能放松。5G無線通信系統(tǒng)中，臨時(shí)的救援通信節(jié)點(diǎn)可以用來輔助受損的網(wǎng)絡(luò)，用戶終端也能夠承載中繼功能，幫助其它的終端技術(shù)仍然具有通信能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);5G技術(shù)的高可用性和高節(jié)電效率恰是未來應(yīng)急通信網(wǎng)主需求;5G無線通信技術(shù)結(jié)合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠使鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)的功能更加完備。

3.4? 更加完善的旅客通信服務(wù)

火車站是典型的客流密集場所，通過建設(shè)5G車站，可以解決火車站大客流場景下的旅客高速上網(wǎng)、高清視頻通信等需求;乘客在高速行進(jìn)的列車上，仍然希望能夠像在家里一樣使用網(wǎng)絡(luò)，例如，觀看高清視頻，玩兒游戲，或者遠(yuǎn)程接入辦公云和虛擬現(xiàn)實(shí)的會議。而當(dāng)列車在高速行進(jìn)中時(shí)，在用戶體驗(yàn)沒有顯著下降的情況下，較好地滿足上述需求將是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。高速列車上通信最重要的兩個(gè)指標(biāo)是用戶速率和端到端時(shí)延。5G無線通信系統(tǒng)較好的指標(biāo)可以確保高帶寬、低時(shí)延的需求，給旅客完美的旅途體驗(yàn)。

3.5? 構(gòu)建鐵路智能通信網(wǎng)

鐵路智能通信網(wǎng)必須能夠快速的響應(yīng)供給或者使用的變化，避免可能的大規(guī)模系統(tǒng)故障，并對運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。例如，鐵路供電系統(tǒng)發(fā)生停電事故可能是由接觸網(wǎng)系統(tǒng)故障引起，而這些故障可能是由于不可預(yù)測的事件造成的，這種情況下，要避免停電則需要必要的反應(yīng)能力，并采取相應(yīng)的措施。監(jiān)視和控制系統(tǒng)以及無線通信解決方案，對遠(yuǎn)程保護(hù)發(fā)揮著重要的作用。及時(shí)、高可靠的重要信息交換是保證迅速做出響應(yīng)的關(guān)鍵因素。5G技術(shù)的高頻率資源，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，為智能通信網(wǎng)的構(gòu)建創(chuàng)造了條件。

四、結(jié)束語

5G技術(shù)最突出的優(yōu)勢在于能夠展現(xiàn)多項(xiàng)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(yīng)用，將為各車載系統(tǒng)及鐵路運(yùn)營管理等眾多系統(tǒng)，提供高可靠、低時(shí)延的無線通信載體，有效地提升傳輸效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2014（5）.

[2]張?bào)?淺析5G移動通信技術(shù)及未來發(fā)展趨勢[J].中國新通信，2014（20）.

[3]項(xiàng)立剛 《5G時(shí)代》2019（5）