鐵路5G技術(shù)創(chuàng)新應用探索

丁建文，孫 斌，鄭 鵬，王 瑋，代 賽，鐘章隊

2017年以來,我國高速鐵路開始向智能化方向發(fā)展［1］。隨著智能京張和智能京雄投入運營,標志著我國智能鐵路的應用格局已經(jīng)初步形成。基于物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù),實現(xiàn)物理高鐵與信息通信等數(shù)字技術(shù)的協(xié)同融合,是構(gòu)建智能高鐵的基礎［2］。作為落實國家5G新基建戰(zhàn)略部署的一項重要舉措,鐵路5G專網(wǎng)的建設應以業(yè)務和應用創(chuàng)新為驅(qū)動力,實現(xiàn)人-人通信、人-機通信和機器之間的通信,在車地之間建立面向全場景、全業(yè)務、全鏈接,支持高速移動、高速率、高可靠、高實時、高安全的通信鏈路。構(gòu)建鐵路5G智能鏈接,才能確保實現(xiàn)智能鐵路各要素的全面感知、泛在互聯(lián)和融合處理。因此,智能鐵路應用場景是5G的一個典型場景,近年來越來越受到國際和國內(nèi)學術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注［3?4］。

國際鐵路聯(lián)盟（UIC）于2012年啟動了未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS）項目,開始選擇GSM-R的替代技術(shù),以應對GSM-R系統(tǒng)設備逐步退網(wǎng)的情況。UIC從業(yè)務需求、技術(shù)可行性、頻率規(guī)劃等多方面進行了梳理,提出了調(diào)度通信、自動列車控制、車地通信、旅客移動性互聯(lián)網(wǎng)接入服務等68種基本通信業(yè)務要求［5］。FRMCS項目將鐵路關(guān)鍵安全業(yè)務需求通過歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）納入3GPP Rel16及之后的版本,為鐵路5G應用提供了參考規(guī)范。

從發(fā)展趨勢與業(yè)務需求兩方面進行分析,5G通信技術(shù)可以與智能鐵路發(fā)展緊密結(jié)合,支持鐵路信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展；5G也將賦予高速鐵路更快的速率與更可靠的連接,因此針對高速鐵路的應用場景和業(yè)務需求,需要發(fā)展適合鐵路通信的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新應用。

1 鐵路5G的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

中國、日本、韓國以及歐洲等的高速鐵路網(wǎng)迅速發(fā)展,世界范圍內(nèi)的鐵路移動通信服務需求也在持續(xù)增強。未來鐵路將朝著客運服務網(wǎng)絡化、安全監(jiān)控自動化,以及運輸組織智能化的方向發(fā)展。鐵路5G將與云計算、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)鐵路車流、人流、物流數(shù)據(jù)的實時傳輸和深度挖掘,服務于鐵路智能建造、智能裝備、智能運營、智慧出行、智慧物流和智慧平臺。

1.1 國內(nèi)外鐵路通信發(fā)展現(xiàn)狀

電子通訊委員會（ECC）于2020年11月17日批準了UIC提出的建議,為歐洲鐵路分配了900 MHz頻段的5.6 MHz帶寬和1 900 MHz頻段的10 MHz帶寬。UIC于2020年11月正式啟動了5G歐洲鐵路項目,旨在構(gòu)建和測試適用于鐵路運營的首批5G原型,FRMCS為實現(xiàn)鐵路數(shù)字化邁出了重要的一步［6］。諾基亞正在與德國鐵路（DB）公司合作,為DB在德國漢堡的高度自動化S-Bahn運營項目提供用于列車自動駕駛的5G獨立組網(wǎng)（SA）方案,該測試方案將驗證5G技術(shù)是否足夠成熟,能否用作未來數(shù)字化鐵路運營的通信技術(shù)［7］。日本NTT Docomo與日本中部鐵路公司合作,在新干線上進行了鐵路5G無線傳輸測試,成功實現(xiàn)了283 km/h速度下列車與基站間穩(wěn)定的5G通信,以大于1 Gbps的傳輸速率實現(xiàn)了數(shù)據(jù)視頻的收發(fā),同時實現(xiàn)了高速列車在軌道旁臨時搭建的5G基站之間的連續(xù)切換［8］。

中國移動于2016年2月成立了5G聯(lián)合創(chuàng)新中心,聯(lián)合交通、工業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新群體,共同推進基礎通信能力提升,明確行業(yè)痛點和業(yè)務需求,孵化融合創(chuàng)新應用和產(chǎn)品,為垂直行業(yè)提供創(chuàng)新應用與業(yè)務解決方案。鐵路5G也具備了良好的技術(shù)儲備:中國鐵路于2018年在京沈客專進行了LTE-R系統(tǒng)和承載多媒體調(diào)度通信等業(yè)務的試驗,為開展鐵路5G專網(wǎng)研究奠定了良好的基礎；國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)陸續(xù)發(fā)布了《智能鐵路通信云技術(shù)白皮書》《鐵路下一代承載網(wǎng)應用技術(shù)白皮書》《綜合軌道交通5G應用技術(shù)白皮書》等［9?11］,探討了5G技術(shù)在軌道交通中的應用需求及關(guān)鍵技術(shù),分析了未來的演進路線和面臨挑戰(zhàn)。2020年4月,為落實國家新型基礎設施建設部署,引領(lǐng)智能鐵路發(fā)展,國鐵集團決策發(fā)展鐵路5G新一代移動通信系統(tǒng),開始推進5G技術(shù)應用科研攻關(guān),開展鐵路5G技術(shù)應用研究,申請鐵路專用頻率,規(guī)劃進行高速鐵路5G專網(wǎng)研究試驗及公專融合承載鐵路業(yè)務試驗。

1.2 鐵路移動通信的發(fā)展趨勢

近年來,世界各國鐵路均面臨著鐵路業(yè)務定制化、客貨運輸需求增長快速化等挑戰(zhàn)。通過結(jié)合新一代移動通信技術(shù),提升鐵路系統(tǒng)效率與收益已經(jīng)成為鐵路行業(yè)發(fā)展趨勢。以德國鐵路發(fā)展為例,德國鐵路公司以數(shù)字化智能鐵路為發(fā)展契機,于2016年提出《鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略》,深入運營、維護、乘客交互等環(huán)節(jié)進行技術(shù)變革,致力于構(gòu)造現(xiàn)代化鐵路通信系統(tǒng)［12］。與此同時,德國鐵路計劃2023?2024年進行5G承載鐵路業(yè)務的試驗；2025?2029年在部分區(qū)域部署5G,采用900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)和900 MHz/1.9 GHz頻段5G系統(tǒng)混合組網(wǎng)；2029?2034年大規(guī)模部署5G,GSM-R系統(tǒng)所用頻譜逐步重耕為5G系統(tǒng)。

國內(nèi)外鐵路積極發(fā)展新一代信息技術(shù),并結(jié)合鐵路業(yè)務需求和應用發(fā)展方向制定了一系列中長期智能鐵路戰(zhàn)略規(guī)劃［13］。從國內(nèi)看,5G不僅具有良好的商業(yè)和政策環(huán)境,而且也將成為支撐各行業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。因此構(gòu)建鐵路5G網(wǎng)絡,從鐵路5G專網(wǎng)與公專融合的技術(shù)路線出發(fā),研究鐵路5G創(chuàng)新應用是十分必要的。同時,隨著萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字化時代的到來,世界各國鐵路都面臨著客貨運輸需求大幅增長、運輸安全泛在化等重大挑戰(zhàn)。結(jié)合新一代移動通信技術(shù)實現(xiàn)鐵路智能化已經(jīng)成為了世界鐵路未來發(fā)展的重要方向［14］。

2 鐵路5G網(wǎng)絡側(cè)關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)的GSM-R系統(tǒng)不同,鐵路5G系統(tǒng)的信息化和智能化水平將大幅提高,需要滿足全業(yè)務、全場景、全鏈接、強安全的需求。選擇并發(fā)展適用于鐵路的5G技術(shù),可以賦予高速鐵路更可靠的連接、更快的速率、更低的時延以及更廣闊的網(wǎng)絡覆蓋,以滿足智能鐵路網(wǎng)對寬帶移動通信的需求［15?16］。因此,本節(jié)將從鐵路5G的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā),分析未來鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)的功能,并探索鐵路5G的創(chuàng)新應用方案。

2.1 網(wǎng)絡功能虛擬化與軟件自定義網(wǎng)絡

GSM-R系統(tǒng)中的核心網(wǎng)及無線網(wǎng)設備主要由各個網(wǎng)絡實體組成,因此對于GSM-R系統(tǒng)來說,無法實現(xiàn)網(wǎng)元的快速部署和替換。然而,在鐵路5G系統(tǒng)中,通過網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡（SDN）技術(shù),可以實現(xiàn)基于云數(shù)據(jù)中心的鐵路5G網(wǎng)絡快速部署。鐵路5G NFV架構(gòu)見圖1。鐵路系統(tǒng)可基于SDN和NFV的控制域建立一個組件化的核心網(wǎng)絡,再由核心網(wǎng)將各網(wǎng)元軟件化,并靈活地重建網(wǎng)絡功能,例如接入和移動管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、用戶面管理功能（UPF）等。同時,采用SDN技術(shù)實現(xiàn)鐵路5G系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)域和控制域的完全分離。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)域?qū)Ｗ⒂谕負涓兄穆酚珊陀脩魯?shù)據(jù)的分布式轉(zhuǎn)發(fā),控制域則進行信令面處理和網(wǎng)絡集中控制。

圖1 鐵路5G NFV架構(gòu)

2.2 多接入邊緣計算（MEC）

在高鐵場景下,列車的高速行駛面臨著信道的快速時變和有效吞吐量的急劇下降；在鐵路站場業(yè)務場景下,作業(yè)范圍是一個固定的區(qū)域,無線調(diào)車業(yè)務對時延要求非常敏感,對數(shù)據(jù)安全和可靠性要求也極高。針對上述場景下鐵路5G的新應用,包括車載實時高清視頻監(jiān)控、車載設備狀態(tài)監(jiān)測與分析、客運服務、站場作業(yè)等,如果將大量的業(yè)務數(shù)據(jù)全部回傳至地面云中心進行處理,一方面需要大量的承載網(wǎng)帶寬資源,另一方面也會導致較大的時延和網(wǎng)絡擁堵,因此需要在網(wǎng)絡邊緣靠近基站側(cè)或在列車上部署MEC設備,提供更強大的計算能力和更低的處理延遲［17］,通過在本地為時延敏感業(yè)務提供服務,減少回傳網(wǎng)絡的壓力。MEC將是鐵路5G中的一項新型關(guān)鍵技術(shù),它將云計算的能力擴展到網(wǎng)絡的邊緣,實現(xiàn)“云網(wǎng)融合,云邊協(xié)同”,降低列車與地面基站之間、地面基站與核心網(wǎng)之間的帶寬要求,提高業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。鐵路5G網(wǎng)絡中MEC集成部署見圖2。

圖2 鐵路5G網(wǎng)絡中MEC的集成部署

在鐵路5G網(wǎng)絡的服務化架構(gòu)（SBA）中,需要在網(wǎng)絡資源功能（NRF）中注冊各網(wǎng)元業(yè)務并激活。在鐵路5G網(wǎng)絡中,由MEC平臺的服務注冊模塊注冊MEC應用程序提供的服務。服務注冊是應用程序啟動功能的一部分。

用戶平面功能（UPF）對于在鐵路5G網(wǎng)絡中部署MEC起著關(guān)鍵作用。從MEC系統(tǒng)的角度來看,UPF可以看作是一個分布式的、可配置的數(shù)據(jù)平面。該數(shù)據(jù)平面的控制,即流量規(guī)則配置,遵循NEF-PCF-SMF路由。因此,在控制面,MEC作為鐵路應用系統(tǒng)與核心網(wǎng)控制面對接,調(diào)用5G網(wǎng)絡提供的能力,同時,可以通過MEC平臺（MEP）為邊緣應用提供網(wǎng)絡能力；在用戶面,本地UPF是MEC的一部分,通過N6接口對接MEC主機。鐵路MEC可以處理列車高速運行期間生成的高速率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和鐵路站場產(chǎn)生的要求極低時延的數(shù)據(jù),使鐵路5G系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理更加實時高效。

3 鐵路5G的應用場景與業(yè)務分類

3.1 鐵路5G的應用場景

與前四代移動通信系統(tǒng)相比,5G在繼續(xù)提升人與人之間通信服務的基礎上,更側(cè)重于滿足人與物之間、物與物之間的通信服務需求,從而更適用于行業(yè)應用需求。作為5G的典型應用場景之一,高速移動場景受到學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,因此鐵路5G具有廣泛的應用場景［18］。鐵路5G以應用業(yè)務為中心,通過實現(xiàn)超寬帶、低時延、海量連接等功能,靈活地提供最佳用戶體驗［19］。隨著我國鐵路通信技術(shù)的發(fā)展,車地之間的通信業(yè)務需求在不斷拓展,列車車況信息遠程實時監(jiān)測、優(yōu)化控制和自動駕駛、鐵路物聯(lián)網(wǎng)等各種新的業(yè)務需求不斷涌現(xiàn)并日益迫切。根據(jù)鐵路5G應用需求,其應用場景主要分為4類:鐵路正線連續(xù)廣域覆蓋、鐵路站場和樞紐等熱點區(qū)域、鐵路沿線基礎設施監(jiān)測和智能列車寬帶應用。應用場景分類與相應特點見表1。相應地,鐵路5G業(yè)務屬性可分為與行車相關(guān)業(yè)務、運營及維護應用業(yè)務、鐵路物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和旅客服務業(yè)務。

表1 鐵路5G的應用場景分類

1）鐵路正線場景,包括高鐵、客專、普速及貨運線路。主要涉及列車與地面各應用系統(tǒng)間的通信。由于列車移動速度快,且通信區(qū)域為廣域,因此對業(yè)務的可靠性要求較高。該場景下的業(yè)務主要包括:調(diào)度通信業(yè)務、行車安全數(shù)據(jù)業(yè)務和車載設備監(jiān)測數(shù)據(jù)業(yè)務等。

2）鐵路站場和樞紐等熱點場景,包括大型客運站、動車所、編組場等。該區(qū)域內(nèi),作業(yè)人員密集、車輛密集、業(yè)務量大,但用戶移動速率低。該場景下的業(yè)務主要包括:編組站通信業(yè)務、站場維護作業(yè)和多媒體通信業(yè)務等。

3）鐵路沿線基礎設施監(jiān)測場景,包括鐵路沿線電務、工務、供電等專業(yè)基礎設施監(jiān)測和自然災害監(jiān)測等。該場景下的業(yè)務為地面基礎設施監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送,其主要特點是連接數(shù)量大,數(shù)據(jù)帶寬需求小。

4）智能列車寬帶應用場景。各車廂間相對為靜止狀態(tài),車地間業(yè)務數(shù)據(jù)量大,以地-車下行業(yè)務為主,例如車廂上網(wǎng)服務、乘客信息系統(tǒng)等。正線無法滿足通信需求時,在車站或出入庫時進行數(shù)據(jù)集中傳輸。

3.2 鐵路5G的業(yè)務分類

根據(jù)鐵路行車安全業(yè)務對安全性和可靠性等方面的需求,鐵路5G系統(tǒng)必須申請相應的專用頻率,基于專用頻率部署全套的鐵路5G專網(wǎng)。但是由于頻譜資源緊張,鐵路5G專網(wǎng)的現(xiàn)有頻段無法滿足所有業(yè)務,故仍需使用公網(wǎng)授權(quán)頻譜進行分流。綜合考慮,鐵路5G系統(tǒng)將采用專網(wǎng)和公網(wǎng)融合架構(gòu),協(xié)同完成鐵路5G中的各項業(yè)務。根據(jù)不同業(yè)務的時延、緊急程度、帶寬需求,可將鐵路5G業(yè)務分配至相應的專網(wǎng)、公網(wǎng)、專網(wǎng)公網(wǎng)融合的架構(gòu)中。鐵路5G業(yè)務分類見圖3。

圖3 鐵路5G業(yè)務分類

從鐵路5G業(yè)務的使用范圍分析,又可將鐵路5G應用業(yè)務分為全路業(yè)務、路局級業(yè)務,以及站場業(yè)務。全路業(yè)務和路局級業(yè)務包括CTCS-3級列控業(yè)務、多媒體調(diào)度通信、調(diào)度命令無線車次號校核傳送、車車通信列車接近預警、超視距軌道環(huán)境監(jiān)測預警等；站場級業(yè)務包括站場無線調(diào)車、無感進出站、室內(nèi)精準定位、可視化生產(chǎn)指揮調(diào)度等。

4 鐵路5G的創(chuàng)新應用方案

結(jié)合鐵路5G的不同組網(wǎng)方式,提出以下典型應用方案。例如,基于鐵路5G專網(wǎng)的創(chuàng)新應用:多媒體調(diào)度通信和下一代列控信息傳送；基于鐵路5G公專網(wǎng)融合的創(chuàng)新應用:基于車車通信的列車接近預警信息傳送；基于5G公網(wǎng)的鐵路創(chuàng)新應用:基于5G的列車多媒體信息服務。

4.1 基于鐵路5G專網(wǎng)的創(chuàng)新應用

4.1.1 多媒體調(diào)度通信

基于鐵路5G的多媒體調(diào)度通信不僅能夠解決語音傳輸,還可以支持鐵路通信中的視頻傳輸業(yè)務。通過任務關(guān)鍵型通信（MCx）系統(tǒng),可以實現(xiàn)鐵路5G專網(wǎng)用戶之間的語音、數(shù)據(jù)和視頻通信,5G專網(wǎng)與GSM-R、鐵路有線調(diào)度通信等系統(tǒng)的語音業(yè)務互聯(lián)互通。圖4給出了鐵路5G專網(wǎng)系統(tǒng)中的MCx組網(wǎng),平臺層以鐵路5G專網(wǎng)、SIP核心（SIP Core）為承載,實現(xiàn)通信業(yè)務處理和智能分析,形成一套完整的應用服務平臺。多媒體調(diào)度通信將支持更加豐富的終端類型,例如行車調(diào)度臺、多媒體手持終端等。在全IP傳輸?shù)哪Ｊ较?鐵路5G的多媒體調(diào)度通信能夠支持調(diào)度臺、手持臺等多類終端間的語音單呼與組呼、視頻單呼與組呼、緊急呼叫、文本數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄻踊F路通信專用業(yè)務?；阼F路5G專網(wǎng)的多媒體調(diào)度通信相比基于GSM-R的傳統(tǒng)有線調(diào)度通信系統(tǒng),在以下方面有所提升:由純語音通信變?yōu)檎Z音、視頻通信,能夠?qū)崟r可視行車運行狀態(tài)；接入地理信息系統(tǒng)（GIS）地圖,能夠更直觀地動態(tài)展示列車運行狀態(tài)信息；在呼叫建立時延、話權(quán)搶占時延、語音質(zhì)量等體驗質(zhì)量（QoE）性能指標方面有質(zhì)的提升,呼叫建立時延能夠在1 s內(nèi)完成,極大地提高了用戶體驗。

圖4 基于鐵路5G專網(wǎng)的多媒體調(diào)度通信

4.1.2 下一代列控信息傳送

列車運行控制系統(tǒng)是保障高鐵安全高效運行的核心裝備,是指揮列車運行的控制中樞。作為國際公認的發(fā)展方向,下一代智能列控系統(tǒng)將充分利用衛(wèi)星導航技術(shù)、寬帶移動通信技術(shù)等,實現(xiàn)減少軌旁設備、多元融合測速、移動閉塞和車車協(xié)同智能控制［20］。

我國鐵路自2009年以來,已經(jīng)實現(xiàn)了基于GSM-R的CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng),未來需要向鐵路5G專網(wǎng)承載的下一代列控系統(tǒng)演進?？紤]到車載終端設備的更新改造進度和網(wǎng)絡建設進度,需要實現(xiàn)從GSM-R網(wǎng)絡承載向鐵路5G專網(wǎng)承載的平滑過渡、GSM-R線路與鐵路5G專網(wǎng)線路無縫切換；同時,支持無線鏈路冗余,保障系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。通過鐵路5G專網(wǎng)承載下一代列控安全信息傳輸,其系統(tǒng)架構(gòu)見圖5?；阼F路5G專網(wǎng)的下一代列控系統(tǒng)由車載設備和地面控制器構(gòu)成。車載設備無線傳輸單元實現(xiàn)鐵路5G專網(wǎng)鏈路建立、保持、監(jiān)視通信鏈路及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽卉囕d設備通過衛(wèi)星定位和列車完整性檢查,將車載定位信息通過5G專網(wǎng)發(fā)送到地面控制器；地面控制器根據(jù)前后車位置、線路信息等計算出行車許可,發(fā)送給車載設備。

圖5 基于鐵路5G專網(wǎng)的下一代列控安全信息傳輸

根據(jù)下一代列控系統(tǒng)的總體需求,需實現(xiàn)移動閉塞和列車主動防護。在移動閉塞中,地面控制器基于列車向地面設備發(fā)送的列車位置信息、列車長度和列車完整性信息來判斷列車占用軌道資源的情況。在列車主動防護中,通過鐵路5G專網(wǎng)提供的全IP通道,前車可以將位置、狀態(tài)等信息通過車車通信發(fā)送給后車,使后車增加了獲取前車位置的渠道,綜合地面設備發(fā)送的信息,增強了主動防護能力。下一代列控信息傳送對鐵路5G專網(wǎng)的可靠性、可用性提出了更高的要求。

4.2 基于公專融合組網(wǎng)的鐵路5G創(chuàng)新應用

基于車車通信的列車接近預警信息傳送系統(tǒng)通過公專融合的方式實現(xiàn)實時通信,通過點對點或點對多點數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)車車間的位置信息傳送,其系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。其中,公專融合組網(wǎng)可分為無線和有線兩部分。無線側(cè)包括鐵路5G專網(wǎng)和5G公網(wǎng)網(wǎng)絡切片；有線側(cè)通過安全網(wǎng)關(guān)為應用系統(tǒng)在鐵路內(nèi)網(wǎng)和5G公網(wǎng)之間傳輸實時數(shù)據(jù)。

圖6 基于車車通信的列車接近預警信息傳送系統(tǒng)架構(gòu)

列車在開車前通過鐵路5G網(wǎng)絡向當前列車位置控制器（TLC）注冊,利用GNSS全球定位系統(tǒng)并結(jié)合多傳感器技術(shù)實現(xiàn)列車自主定位,采用車地間5G無線通信技術(shù)實現(xiàn)信息傳輸。位置信息主要包括列車運行速度、方向、公里標、線路號、時間戳等。列車位置控制器可以結(jié)合線路號和其余在途列車所上報的位置信息進行綜合檢測和分析,實時向當前列車匯報其前/后車的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當前列車根據(jù)列車控制器反饋的前/后車關(guān)聯(lián)信息,進行位置報告,對自身所處位置進行預警邏輯運算。通過列車位置控制器,列車可動態(tài)計算與前/后車的距離,當車-車間距離小于預設安全門限時,列車司機可獲得預警提示。

4.3 基于公網(wǎng)的鐵路5G創(chuàng)新應用

5G作為先進的移動通信技術(shù),可以服務于智能鐵路智慧出行服務,為旅客列車提供多媒體信息服務、旅客5G上網(wǎng)服務、高清視頻轉(zhuǎn)播、智慧觀賽等。未來冬奧會時,可以在動車組上進行基于5G網(wǎng)絡的賽事超高清直播。由于旅客列車多媒體信息服務的下行帶寬需求大、安全性要求較低、與行車業(yè)務無關(guān),因此可以通過5G公網(wǎng)來承載相關(guān)業(yè)務。

基于5G的列車多媒體信息服務系統(tǒng)通過列車中心服務器中的5G公網(wǎng)模塊和車載天線接入鐵路沿線公網(wǎng)5G網(wǎng)絡,從視頻直播源運營平臺實時獲取視頻源,經(jīng)多個運營商5G網(wǎng)絡匯聚后,發(fā)送到車載平臺,車載平臺進行直播流的分發(fā)、匯聚、拉流和編解碼,通過車廂內(nèi)無線局域網(wǎng)為旅客提供直播和轉(zhuǎn)播服務。其系統(tǒng)架構(gòu)見圖7。車載平臺由中心服務器、單車服務器、AP、車載多頻段天線和交換機等組成。其中,中心服務器同時接入多個運營商5G公網(wǎng),實現(xiàn)直播流的拉流和動態(tài)緩存,同時將直播流分發(fā)給各個車廂的單車服務器,單車服務器通過WiFi AP為旅客提供視頻流的直播,并可根據(jù)需求進行視頻流切換。

圖7 基于5G的列車多媒體信息服務系統(tǒng)架構(gòu)

5 總結(jié)與展望

在高鐵移動通信領(lǐng)域,我國已經(jīng)從GSM-R領(lǐng)域的跟隨者逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殍F路5G網(wǎng)絡的領(lǐng)跑者。將5G技術(shù)引入鐵路通信,能夠使GSM-R時代很多只能展望的應用業(yè)務逐步實現(xiàn),同時提升了鐵路通信業(yè)務的靈活性和場景適應性?；阼F路5G專網(wǎng)和公專融合的各項創(chuàng)新應用能夠滿足智能鐵路的發(fā)展要求,有效提升高速鐵路的安全性、可靠性和運營效率,促進鐵路智能化和智慧化的實現(xiàn)。本文根據(jù)鐵路5G網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢和當今高速鐵路智能化發(fā)展的業(yè)務需求與挑戰(zhàn),分析了適合未來鐵路發(fā)展的5G關(guān)鍵技術(shù),給出了基于鐵路5G的典型創(chuàng)新應用方案。未來鐵路5G的發(fā)展需要堅持融合創(chuàng)新的理念,以解決鐵路多種多樣的業(yè)務需求為導向,從而打造可管、可控、可信、可測、可視、可靠的新一代寬帶移動通信系統(tǒng)。