5G環(huán)境下高速鐵路通信系統(tǒng)應(yīng)用研究

向 欣 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230041）

5G網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)影響了人們的生活與通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，目前國內(nèi)三大運(yùn)營商已上線了5G商用套餐，標(biāo)志著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的第一步已經(jīng)到位，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)初步形成。對(duì)鐵路運(yùn)輸業(yè)來說，5G能提高高速鐵路的通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，通過有效運(yùn)用5G的各種技術(shù)，不僅能讓列車的通信、運(yùn)行和管理更加有序，而且還能提高智能高鐵智慧化水平。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）是第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）之后的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。5G的核心性關(guān)鍵技術(shù)主要包括大規(guī)模MIMO技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、超密集組網(wǎng)、全頻譜式接入和全雙工通信技術(shù)。相較于4G技術(shù)，5G具有顯著的優(yōu)勢，包括數(shù)據(jù)傳輸速度快，網(wǎng)絡(luò)速度高達(dá)4G技術(shù)的100倍，帶寬是4G技術(shù)的1000倍，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)縮短至≤1ms，實(shí)現(xiàn)了端與端延時(shí)毫秒級(jí)，能精確地對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，給用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的使用體驗(yàn)；而且5G網(wǎng)絡(luò)容量超大，可接入眾多設(shè)備進(jìn)行工作，覆蓋范圍廣泛，進(jìn)而滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，能耗與成本較低，使用范圍更加廣泛。最重要的是5G能夠支持500km/h的終端移動(dòng)速度，這一優(yōu)點(diǎn)使得5G移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)中國高速鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展有著極其重要的作用。

2 我國高鐵通信系統(tǒng)

高速鐵路是當(dāng)前中國非常重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在我國客運(yùn)與貨運(yùn)上承擔(dān)著重要的分量，我國的高速鐵路在世界上屬于先進(jìn)水平，具有完善的高鐵技術(shù)體系。而高速鐵路通信系統(tǒng)又在整個(gè)高速鐵路運(yùn)輸過程中扮演著不可或缺的角色，承擔(dān)著確保高速鐵路列車行駛安全及保障高速鐵路列車運(yùn)輸與管理工作順利展開的重任。但隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已有的鐵路專用通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足高速鐵路通信的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，主要包括高速列車運(yùn)行速度快，使高鐵通信系統(tǒng)產(chǎn)生頻偏，讓沿線的各類基站信號(hào)接收不穩(wěn)定；各通信系統(tǒng)樞紐站的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，使得各個(gè)站點(diǎn)需要服務(wù)的范圍太廣；高速鐵路的旅客較多，增加了網(wǎng)絡(luò)的使用量和基站負(fù)荷，導(dǎo)致移動(dòng)信號(hào)下降；高鐵速度太快，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷切換，會(huì)導(dǎo)致掉線、切換失敗或緩慢等問題?，F(xiàn)有的4G系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用一些補(bǔ)償算法對(duì)這些有害效應(yīng)進(jìn)行一定程度的抑制，但效果并不理想，這也導(dǎo)致在高鐵列車上的通話以及網(wǎng)絡(luò)連接效果等功能無法得到保證。

3 5G系統(tǒng)下應(yīng)用的高鐵通信技術(shù)

5G系統(tǒng)融合了多種技術(shù)，主要有：第一，大規(guī)模MIMO技術(shù)。在發(fā)射端和接收端配備更多的天線，在相同的無線信道上同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，也使信號(hào)通過多個(gè)鏈路進(jìn)行傳送和接收，數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性得到進(jìn)一步加強(qiáng)，從而改善通信質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，多天線的基站發(fā)射的信號(hào)可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)用戶，而不向其他方向擴(kuò)散，構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)用戶的不同波束。通過相同的無線電信道發(fā)送和接收多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，可以有效提高頻譜效率，同時(shí)也能提高網(wǎng)絡(luò)容量和服務(wù)的用戶數(shù)量；通過提供精確的窄波束，減小對(duì)其他用戶的干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)高鐵通信的管理工作有重要作用，可以在合理的分配頻率下保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，促使列車間的調(diào)動(dòng)工作順利進(jìn)行。第二，毫米波通信技術(shù)。4G系統(tǒng)的最高頻率為2GHz左右，可用頻譜帶寬只有100MHz。毫米波頻率在30GHz～300GHz之間，頻譜寬較寬，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，因此能提供穩(wěn)定的傳輸信道；由于波長在1～10mm之間，波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)和移動(dòng)設(shè)備上集成大規(guī)模天線陣，實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。第三，超低時(shí)延技術(shù)。5G技術(shù)降低時(shí)延的思路：一是大幅度降低空口傳輸時(shí)延。采用新型幀結(jié)構(gòu)，利用更短的子幀長度，在同一子幀內(nèi)完成確認(rèn)反饋；二是要盡可能減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，縮短源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的“距離”，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用終端直接通信（D2D）模式，讓設(shè)備之間可以直接通信而不再需要網(wǎng)絡(luò)；采用移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)（MEC），將計(jì)算、處理和存儲(chǔ)推向移動(dòng)邊界，讓海量的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)和快速的處理，以減少時(shí)延。第四，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。將不同類型網(wǎng)絡(luò)融合起來，增加不同站點(diǎn)之間的密度，根據(jù)用戶的特點(diǎn)（如車載用戶）、業(yè)務(wù)特點(diǎn)（如實(shí)時(shí)性要求高）和網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，來為用戶選擇合適的網(wǎng)絡(luò)，滿足終端業(yè)務(wù)的多樣性需求的同時(shí)也提供了更好的服務(wù)質(zhì)量。此技術(shù)能在原網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增大覆蓋范圍，有效提升系統(tǒng)容量，使得通信系統(tǒng)更具靈活性，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本；通過5G網(wǎng)絡(luò)可以無處不在進(jìn)行服務(wù)和無縫切換，使通信系統(tǒng)功能更加完善和智能化，促使鐵路設(shè)備運(yùn)行更加可靠。第五，全雙工接口技術(shù)。在同一信道上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)送，不再局限于設(shè)備信號(hào)的時(shí)間和頻段，能夠?qū)㈩l譜效率提高一倍，有效節(jié)約成本。在連接不同鏈路時(shí)，還可以監(jiān)測列車運(yùn)行狀態(tài)，有效保障了列車運(yùn)行的安全性。

4 鐵路通信系統(tǒng)應(yīng)用5G技術(shù)的典型場景

特殊環(huán)境?；疖囌臼堑湫偷目土髅芗瘓鏊捎檬覂?nèi)5G組網(wǎng)分布覆蓋，可以滿足旅客超高清移動(dòng)視頻直播、視頻通話、視頻會(huì)議和視頻監(jiān)控等需求，同時(shí)也為5G賦能智慧火車站提供了可能，進(jìn)一步提升鐵路系統(tǒng)以及火車站的管理效率和服務(wù)品質(zhì)。高鐵隧道。我國山區(qū)較多，隧道也較多，可采用特型天線，在短距離直線隧道前后采用天線進(jìn)行覆蓋。一般情況下，可以在隧道中與隧道口安裝特型天線進(jìn)行覆蓋，兩側(cè)不同區(qū)域覆蓋增加用戶信號(hào)。如隧道太長，可考慮新型漏纜，每隔500m設(shè)置設(shè)備洞室，安裝5G的移動(dòng)基站設(shè)備BBU和RRU。高鐵沿線。采用宏站覆蓋，盡量利用舊的4G基站，配置高增益窄波束天線，讓覆蓋性能與信號(hào)的分布和銜接更好。

調(diào)度通信。5G網(wǎng)絡(luò)滿足超高流量密度運(yùn)用，可達(dá)到每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度，具備Gb/s級(jí)的用戶體驗(yàn)速率，可以滿足列車無線列調(diào)區(qū)段內(nèi)的調(diào)度員、車站值班員和機(jī)車司機(jī)、車長之間的無線通信。除了通過數(shù)字調(diào)度通信系統(tǒng)中的調(diào)度電話、專用電話、站間區(qū)間電話等傳統(tǒng)調(diào)度語音通信外，還可以進(jìn)行視頻通話等功能。由于具備完整的優(yōu)先級(jí)處理、質(zhì)量保證機(jī)制和集群調(diào)度功能，可用于控制中心調(diào)度與各站、段值班員、司機(jī)之間的單呼、組呼、全呼、強(qiáng)插、強(qiáng)拆等不同優(yōu)先級(jí)通話等調(diào)度通信業(yè)務(wù)。

集成的多媒體通信。在多媒體通信功能方面，5G也能加強(qiáng)多媒體信息傳輸技術(shù)，將原本單一的文本格式短消息擴(kuò)展升級(jí)為富媒體消息，消息內(nèi)容不再僅僅是文本，還能支持圖片、音頻、視頻、位置、聯(lián)系人等多種形式。鐵路運(yùn)營應(yīng)用中，會(huì)議電視系統(tǒng)、流媒體應(yīng)用、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)等多媒體面臨的主要問題就是信道容量問題和大容量通信傳輸問題，而5G通信技術(shù)正好能有效解決這些問題。

網(wǎng)絡(luò)化行車控制。5G技術(shù)擁有高帶寬，能實(shí)現(xiàn)毫秒（ms）級(jí)端到端時(shí)延，可以支持500km/h以上的超高移動(dòng)性速率，因此能夠穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)各類車載設(shè)備間和車地設(shè)備間的通信，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度和主動(dòng)安全控制功能；實(shí)時(shí)監(jiān)測列車及行車線路狀態(tài)，將路軌狀況、列車狀況等上傳到數(shù)據(jù)庫，再通過實(shí)時(shí)分析，對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行檢測及預(yù)判，提出合理的解決方案，從而減小了列車運(yùn)行中的故障率，保障了列車的運(yùn)行安全。這也為未來實(shí)現(xiàn)無人駕駛、遠(yuǎn)程駕駛或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）智能駕駛技術(shù)，打造下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等智能鐵路的行車控制系統(tǒng)提供了可能。

云化行車數(shù)據(jù)管理。列車在運(yùn)行過程中，將產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的鐵路無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信能力有限，需要將大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保留在車載設(shè)備本地，車載設(shè)備數(shù)據(jù)變更的時(shí)間效率和組織效率低下。而基于5G網(wǎng)絡(luò)的車地設(shè)備，可以進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，5G轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)通過車輛部分（視頻自動(dòng)記錄）、車站和場站（視頻自動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)）和中心機(jī)房（視頻自動(dòng)分析）三部分的協(xié)調(diào)運(yùn)作，可實(shí)現(xiàn)下載數(shù)據(jù)Gb/s秒級(jí)快傳?；蛘邔I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳至云網(wǎng)絡(luò)，通過實(shí)時(shí)更新和下載系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)，快速進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)、傳達(dá)動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)調(diào)度通信列車智能精準(zhǔn)控制，也將進(jìn)一步提升高速鐵路智能化管理水平。