淺談高速鐵路通信系統(tǒng)在5G環(huán)境下的應(yīng)用

張弛

摘? 要： 高速鐵路通信系統(tǒng)的構(gòu)建是影響高鐵運(yùn)營質(zhì)量的重要工作， 在5G網(wǎng)絡(luò)推廣普及的情況下， 高速鐵路通信系統(tǒng)的建設(shè)擁有了較為理想的基礎(chǔ) 條件。5G移動(dòng)通信技術(shù)在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用成為鐵路無線通信發(fā)展的方向，文章就高速鐵路通信系統(tǒng)在5G環(huán)境下的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞： 5G;鐵路通信;智能應(yīng)用

引言

目前，中國鐵路建設(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，無人駕駛將會成為未來高鐵行業(yè)的目標(biāo)方向。在這樣 的發(fā)展趨勢下，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 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，能精確地對準(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，適用范圍更加廣泛。

2 國內(nèi)外高速鐵路通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

高鐵列車的智能化、無人化對鐵路移動(dòng)通信的可靠性、安全性提出 了更高的要求，而列車旅客攜帶的智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等移 動(dòng)智能設(shè)備對鐵路移動(dòng)通信的無線寬帶及通話等服務(wù)提出了更高的要求。 隨著中國高速鐵路的發(fā)展，與之配套的鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)也應(yīng)不斷發(fā)展以 滿足可靠性、穩(wěn)定性、安全性以及大容量等多方面的要求。現(xiàn)在國際上比 較常見的應(yīng)用于高速鐵路的通信系統(tǒng)主要為GSM-R? （綜合專用數(shù)字移動(dòng)通 信系統(tǒng)），該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對列車的調(diào)度、監(jiān)控及管理，也可以滿足旅客 的簡單通信要求。但隨著智能調(diào)度以及視頻監(jiān)控等列車安全輔助系統(tǒng)的應(yīng) 用，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)無法滿足高速鐵路通信的高速數(shù)據(jù)傳輸要求，且現(xiàn)有 方案不利于旅客的智能手機(jī)等智能便攜設(shè)備接入專用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，這也導(dǎo)致 旅客在列車上的通話、網(wǎng)絡(luò)連接等體驗(yàn)不佳。在乘坐高鐵列車時(shí)，會進(jìn)入 不同的通信基站范圍，為了保證通話和網(wǎng)絡(luò)連接不間斷，系統(tǒng)會自動(dòng)進(jìn)行 切換，當(dāng)高鐵列車以350千米每小時(shí)運(yùn)行時(shí)，這種系統(tǒng)的自動(dòng)切換每6秒就 要發(fā)生一次，以現(xiàn)有的鐵路通信技術(shù)，難以保證這種切換的穩(wěn)定性。除此 之外，還需要考慮其他因素的影響，如當(dāng)高鐵正常運(yùn)行時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)速度 過快， 且4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）系統(tǒng)頻率較高，由于多普勒效應(yīng)的影 響會導(dǎo)致信號錯(cuò)位，多徑效應(yīng)等也會對信號的傳輸造成影響?，F(xiàn)有的通信 技術(shù)，如4G系統(tǒng)會應(yīng)用一些補(bǔ)償算法對這些有害效應(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3 5G環(huán)境下高速鐵路通信系 統(tǒng)的應(yīng)用分析

2.1? 提升高速鐵路智能管控系統(tǒng)成熟度

要加強(qiáng)對5G通信系統(tǒng)構(gòu)成情況的考察，結(jié)合列車的運(yùn)行特征，對實(shí) 施監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)性保障加以分析，以便高速鐵路的通信系統(tǒng)可以為列 車檢測設(shè)備的成熟應(yīng)用提供必要支持，從而滿足高鐵列車路軌的構(gòu)建和使 用需要，并保證相應(yīng)的監(jiān)督管理措施得到改良。要對高鐵列車運(yùn)行過程中 的系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容加以分析，并對系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各類故障進(jìn)行精準(zhǔn)的檢 測，結(jié)合高速鐵路智能管控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要，構(gòu)建符合故障管控需求 的具體策略，使列車運(yùn)行質(zhì)量的各方面影響因素得到有效明確，進(jìn)而滿足5G通信系統(tǒng)的推廣普及需要。要對高速鐵路列車的信息時(shí)延情況進(jìn)行特征 分析，并從信息資源的毫秒級傳輸角度出發(fā)，制定設(shè)備連接密度的管控方 案，為列車的穩(wěn)定運(yùn)行提供必要支持。

2.2? 加快完善輔助式衛(wèi)星定位系統(tǒng)

在針對高速鐵路進(jìn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，一定要對5G環(huán)境下的 信號傳輸難點(diǎn)加以分析，并對高鐵列車沿線的地形地貌特征予以研究，使 隧道和樹木等影響因素得到充分明確，保證高鐵列車的運(yùn)營可以有效滿足 5G通信環(huán)境下的信息傳導(dǎo)需要。要加強(qiáng)對衛(wèi)星信號發(fā)射過程的關(guān)注，并對 高鐵列車運(yùn)行質(zhì)量的影響因素進(jìn)行全面總結(jié)，以便高層建筑物等因素對高 速鐵路的影響可以得到明確認(rèn)定， 以此實(shí)現(xiàn)對5G通信系統(tǒng)的成熟應(yīng)用。高 鐵列車還需要加強(qiáng)對5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的總結(jié)， 使衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)可以得 到進(jìn)一步優(yōu)化，確保高鐵具體的方位信息得到明確。

2.3? 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)?；l(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。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。

2.4? 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 ）極端到端時(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。

2.5? 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)先級通話等調(diào)度通信業(yè)務(wù)。

4 結(jié)束語

5G技術(shù)的應(yīng)用為高速鐵路優(yōu)化通信系統(tǒng)提供了高水平支持。因此，對目前高速鐵路通信系統(tǒng)在5G環(huán)境下應(yīng)用存在的問題加以總結(jié)， 并制定符合 5G環(huán)境特征的高速鐵路通信系統(tǒng)改進(jìn)策略，對提升高速鐵路通信系統(tǒng)的總 體構(gòu)建質(zhì)量，具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王增浩，楊麗花，等.5G-NR毫米波HSR上行多用戶系統(tǒng)中多普勒頻偏估計(jì) 方法[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，39（06）：28-34.

[2]侯天宇，周杰，等.5G多天線城市降雨環(huán)境下的信道模型研究[J].電子測量技 術(shù)， 2020，43（02）：21-25.

[3]王承祥，黃杰，等.面向6G的無線通信信道特性分析與建模[J].物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報(bào)， 2020，4（01）：19-32.

1908501705251