5G技術(shù)在鐵路通信工程中的運(yùn)用分析

林海

隨著我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，5G技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，人類有了全新的技術(shù)改造世界。本文就5G技術(shù)在鐵路通信工程中的運(yùn)用做出分析，首先簡(jiǎn)要概述5G技術(shù)的概念，隨后分析5G的關(guān)鍵技術(shù)，最后就5G技術(shù)在鐵路通信工程中的應(yīng)用做出探究，以供參考。

隨著人們進(jìn)入5G時(shí)代，傳統(tǒng)寬帶已經(jīng)限制不了現(xiàn)代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從根源上解決了大量終端接入能力以及時(shí)延的問題，充分發(fā)揮出再審智能學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)以及智能感應(yīng)等能力，并且將這些能力進(jìn)行高度整合，最后形成了一個(gè)完善的服務(wù)體系。同時(shí)，隨著我國(guó)鐵路技術(shù)的發(fā)展，5G技術(shù)也開始在鐵路通信工程中得以應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。若能夠充分利用5G技術(shù)及其關(guān)鍵特征，現(xiàn)階段鐵路運(yùn)輸行業(yè)的需求必然能夠被充分滿足，形成安全也能夠得到充分保障，提升運(yùn)輸效率。

一、5G概述

5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)真正具有傳統(tǒng)意義上的融合性網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)整體性和融合統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將為我們提供了人與人、物、事和地之間的高速、安全、自由連接，這種席卷而來的整體性和融合力也將隨著移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域逐步凸顯；5G無線通信技術(shù)的基本優(yōu)勢(shì)主要有：高速度、泛在互聯(lián)網(wǎng)、低功耗、小時(shí)延、萬物互聯(lián)和重構(gòu)安全系統(tǒng)；5G旨在解決智慧城市在高速率、低延遲通信、海量移動(dòng)互聯(lián)、智慧城市的建設(shè)等各方面的新一代技術(shù)問題，如果說4G改變了我們生活的話，那么5G的到來將會(huì)徹底改變我們的經(jīng)濟(jì)社會(huì)，也就是說，這種新的技術(shù)改變，無論從廣度還是深入得多，都比5G要深刻得多；5G不僅僅是一項(xiàng)新型技術(shù)，而且是由大批新型技術(shù)組織形成的一個(gè)整體，它們都會(huì)在5G的建設(shè)中得到不斷的完善。圖1為5G鐵路通信設(shè)備。

圖1 5G鐵路通信設(shè)備

二、5G的關(guān)鍵技術(shù)

1.超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了將帶寬做得很廣闊，5G采用的頻率是28ghz-4ghz的頻率，也就是毫米波。而且該類型的電子波基本上并無穿透性。如果無線通信都是采用毫米波的頻率，意味著我們根本沒辦法直接穿透障礙物，所以需要我們使用到許多微型基站，做到緊密地部署。密集部署的網(wǎng)絡(luò)將終端和節(jié)點(diǎn)之間的距離拉進(jìn)來，使網(wǎng)絡(luò)的功率和信號(hào)頻譜效果得到了極大地改善。異構(gòu)是指不同結(jié)構(gòu)之間的意義。5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要通過一些措施來保證系統(tǒng)的性能，主要包括不同的業(yè)務(wù)在互聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)現(xiàn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)調(diào)解決方案，網(wǎng)絡(luò)類型的選擇以及相關(guān)節(jié)能資源配置的方法。這種將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組織成一個(gè)體系并形成某一個(gè)體系的技術(shù)叫超密集異構(gòu)。

2.邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算技術(shù)作為一種新型的部署解決方案，一方面是通過把小型的數(shù)據(jù)中心或者那些具有緩存計(jì)算處理功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，與移動(dòng)設(shè)備、傳感器和用戶之間緊密地相連，減少了核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，降低了數(shù)據(jù)傳送的時(shí)延。比如，在目前的車聯(lián)網(wǎng)中，業(yè)務(wù)控制和數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性需求很高，如果企業(yè)的數(shù)據(jù)分析和控制的邏輯都是集中在比較遠(yuǎn)的云端去完成，難以滿足企業(yè)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性；另一方面，邊緣計(jì)算系統(tǒng)也可以為用戶提供流量的卸載，而且移動(dòng)終端則可以依靠應(yīng)用時(shí)延的容忍度、自己的處理能力和所使用的能耗來判斷用戶是否需要流量的卸載。通過對(duì)流量的卸載，計(jì)算密集型和時(shí)延靈敏度類型的應(yīng)用，它們都可以放置在邊緣計(jì)算的平臺(tái)上進(jìn)行處理；在時(shí)間延遲和回程鏈路的負(fù)載條件允許的環(huán)境下，計(jì)算密集型的應(yīng)用系統(tǒng)就可以進(jìn)一步地卸載并安裝到核心網(wǎng)絡(luò)上，從而獲得了更充裕、強(qiáng)大的計(jì)算資源。

三、5G技術(shù)在鐵路通信工程中的運(yùn)用分析

1.更加完備的鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)

現(xiàn)有鐵路采用數(shù)字化的移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R），雖然可以直接實(shí)現(xiàn)調(diào)度通信、列尾設(shè)備的信息傳遞、無線機(jī)車信號(hào)和調(diào)站監(jiān)控信息的傳輸、機(jī)車同步運(yùn)行信息的傳輸、列車控制數(shù)據(jù)的傳輸、區(qū)間移動(dòng)公務(wù)通信、應(yīng)急指揮的移動(dòng)通訊話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、旅客列車移動(dòng)通訊服務(wù)等多種信息傳遞功能。但是，現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)主要為乘客提供語音通信和數(shù)據(jù)通訊業(yè)務(wù)，且從移動(dòng)終端到基站的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，不能滿足日益增長(zhǎng)的中國(guó)高速鐵路通訊數(shù)據(jù)傳輸需求；隨著中國(guó)鐵路的大發(fā)展，特別是高速鐵路和客運(yùn)專線鐵路的安全、快捷、高效率的運(yùn)行管理模式已經(jīng)對(duì)鐵路通訊網(wǎng)絡(luò)的建立提出了愈來愈高的技術(shù)要求，未來鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)中移動(dòng)終端的數(shù)量將成倍數(shù)增長(zhǎng)；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(dòng)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(dòng)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(chǎng)景需求，保證鐵路行車安全，提高運(yùn)營(yíng)效力。

2.更加高效的車—車通信機(jī)制

列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，兩列正在運(yùn)行的列車車輛之間的信息交互，如果仍然只能夠采用“車-地-車-車”的通訊網(wǎng)絡(luò)鏈路，存在著所配置的設(shè)備數(shù)量多、系統(tǒng)接口和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、列車運(yùn)行對(duì)中心裝置的設(shè)施依賴大等諸多缺點(diǎn)。更高層次的列車自動(dòng)駕駛監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)車輛與地面基礎(chǔ)裝置之間的通訊，也包含了車輛和其他車輛之間的聯(lián)絡(luò)。這些通訊連接都需要一個(gè)能夠承載很小的時(shí)延和高度可靠的車輛控制指令，而這些控制指令對(duì)安全的駕駛來說極為重要。雖然這些指令一般不需要很大的帶寬，但是在汽車之間或者機(jī)械設(shè)備之間的情況下，較高的數(shù)據(jù)傳輸效率仍然十分必要。另外，當(dāng)支撐高速汽車的移動(dòng)性，無人駕駛者參與時(shí)，控制裝置必須能夠具備充分覆蓋的條件。5G技術(shù)的低時(shí)延特性，必將使鐵路列車自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)再一次飛躍，大大提高運(yùn)營(yíng)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。

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(dòng)靈活的鐵路應(yīng)急通信網(wǎng)，是確保鐵路應(yīng)急運(yùn)輸和鐵路搶修預(yù)防指揮聯(lián)系的重要措施。在各種緊急狀態(tài)下，可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于突發(fā)事件的救援十分重要，并且即便在各種突發(fā)事故中，局部無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遭到了損害，這個(gè)要求也絕對(duì)不能被放寬。5G無線通信系統(tǒng)中，臨時(shí)的救援無線通信節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛地用來作為輔助受損網(wǎng)絡(luò)，用戶的終端還已經(jīng)能夠同時(shí)承載起中繼功能，幫助其他終端技術(shù)仍然是具有無線通信技術(shù)支持能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；5G技術(shù)的高可用性和低節(jié)約資源效率恰恰適合未來的應(yīng)急通訊網(wǎng)主的需求；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。

4.更加完善的旅客通信服務(wù)

火車站作為典型的大客流密集型場(chǎng)所，通過建設(shè)5G車站，可以滿足鐵路在火車站大客流情況下對(duì)旅客高速上網(wǎng)、高清視頻通信等的需要；而且乘客們?cè)诟咚龠\(yùn)行的鐵路列車上，仍然更加期待自己能夠做到像是在家里一樣更好地使用互聯(lián)網(wǎng)，例如，觀看高清的視頻，玩游戲，或者遙控接入到辦公云和虛擬現(xiàn)實(shí)的會(huì)議。而當(dāng)列車處于高速運(yùn)行中時(shí)，在其用戶體驗(yàn)不明顯下降的情況下，較好地滿足以上要求將被認(rèn)為是一項(xiàng)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)。

5.構(gòu)建鐵路智能通信網(wǎng)

鐵路智能通信網(wǎng)必須能夠快速地響應(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(duì)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(cè)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(duì)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)語

5G技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)在于能夠展現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促使這些問題得到高效地處理，這對(duì)于我國(guó)的鐵路運(yùn)輸和通訊來說，十分合宜。5G通信技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)在鐵路通訊系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，將會(huì)給各種車載運(yùn)輸系統(tǒng)和鐵路運(yùn)營(yíng)和管理等眾多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提供了高可靠、低功耗和時(shí)延性的無線通信載體，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。