4G 與5G 技術(shù)對動車組車地?zé)o線實時傳輸?shù)挠绊懺囼炑芯?/h1>

2022-06-01 02:08:20高會永歐陽省

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關(guān)鍵詞：車地交路線纜

高會永，歐陽省

（中車青島四方車輛研究所有限公司 山東 青島 266031）

0 引言

我國運行的高速動車組，目前均已配置了無線傳輸裝置（Wireless Transmit Device，WTD），其作為車地實時無線傳輸?shù)闹匾d體，結(jié)合動車組地面集中數(shù)據(jù)中心平臺，實現(xiàn)了動車組的遠(yuǎn)程實時監(jiān)視，為列車運維提供了指導(dǎo)[1]。本文將結(jié)合動車組車地通信現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求，結(jié)合CRH3A 車地?zé)o線傳輸通信改造實踐，制定了車地實時通信研究評價方法，并基于該方法淺析了4G/5G 通信技術(shù)對于動車組WTD 車地?zé)o線實時傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 動車組車地通信的現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求

和諧號動車組是我國早期發(fā)展起來的動車組，由于發(fā)展較早，設(shè)計之初WTD 普遍采用了2G/3G 技術(shù)，實現(xiàn)車地?zé)o線實時傳輸。由于車地傳輸速率、帶寬的限制，車地傳輸?shù)牧熊噮?shù)及頻率均處于較低的水平，對于列車運維的實時性、數(shù)據(jù)可擴展性也帶來了挑戰(zhàn)。特別是，隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，4G 技術(shù)已普及應(yīng)用，5G 技術(shù)方興未艾，正處于大量部署階段，2G/3G 頻段已逐漸縮窄，面臨下線的風(fēng)險[2]。因此，對于既有部分和諧號動車組WTD仍采用2G/3G 進(jìn)行車地實時傳輸，已經(jīng)不能滿足目前和未來的技術(shù)要求?；诖?，和諧號動車組也已經(jīng)根據(jù)鐵路總公司的需求，制定了相應(yīng)的改造實施方案，開始了WTD 4G/5G 的升級改造。

而隨著我國復(fù)興號動車組的問世，列車智能化診斷感知水平進(jìn)一步提高，且以大數(shù)據(jù)、邊緣計算、人工智能等技術(shù)為支撐的列車智能運維技術(shù)的發(fā)展，對于列車車地實時傳輸帶來了更高的要求[3]。

（1）多維數(shù)據(jù)源帶來高帶寬數(shù)據(jù)要求。列車智能化傳感器以及列車安全診斷設(shè)備的增加，以安全為導(dǎo)向的多維數(shù)據(jù)源綜合診斷分析需求將會帶來更多運行數(shù)據(jù)的落地應(yīng)用需求[4]。特別是對于地面動車組預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（PHM）而言，更多的有效數(shù)據(jù)，對于預(yù)測模型建立及維修決策準(zhǔn)確性具有重要意義[5]。

（2）數(shù)據(jù)實時性要求越來越高。區(qū)別于以往的單一周期性運行參數(shù)數(shù)據(jù)和故障診斷觸發(fā)式數(shù)據(jù)這一傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞方式，以報警/預(yù)警事件+時間序列環(huán)境信息等多種方式的融合性快速觸發(fā)數(shù)據(jù)，以及基于業(yè)務(wù)需求不同頻次的多元化列車運行數(shù)據(jù)需求越來越多，不同業(yè)務(wù)對于列車的車地傳輸?shù)膶崟r性要求也越來越高。

（3）列車以太網(wǎng)總線應(yīng)用普及，數(shù)據(jù)安全性要求越來越高。目前復(fù)興號CR300 系列動車組已經(jīng)批量采用以太網(wǎng)控車，列車通信數(shù)據(jù)帶來質(zhì)的飛躍[6]。控車網(wǎng)絡(luò)方式的改變，對于車地?zé)o線數(shù)據(jù)通信安全提出了更高的要求，車載安全網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為復(fù)興號動車組W T D 的必選配置之一。

（4）車載數(shù)據(jù)價值的增加，對于車載設(shè)備處理性能要求越來越高。目前動車組WTD 作為車載數(shù)據(jù)傳輸單元，除了承載單一列車網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)外，還承擔(dān)了以數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)列車運維為導(dǎo)向的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)，例如能量計裝置、EOAS 設(shè)備、車載PHM 邊緣計算單元等。基于客制的用戶要求，提供額外的客制處理邏輯，比如基于不同環(huán)境溫度情況下，基于設(shè)備保護(hù)的動車組異常工況提醒等。這對于承載車地傳輸?shù)腤TD 的CPU 處理性能也越來越高。

與此同時，我國移動通信技術(shù)從最早的2G 到5G，通信頻率、頻寬也在不斷變化[7]。商用的最大通信頻率已由2G 的1 850 MHz、4G 的2 390 MHz，提高到5G 的4 900 MHz，目前三大運營商的通信頻率見表1。隨著通信頻率的提高，對車載設(shè)備通信接口、通信線纜、車載合路器、列車天線耐受頻率以及信號抗衰減能力要求也逐漸提高。

表1 三大運營商頻率分配表（2021 年版本）

2 CRH3A型動車組4G、5G通信方案

CRH3A 型動車組是由中車長客股份有限公司研制的時速250KM 電力動車組，于2017 年在西成高鐵線路首發(fā)批量運營。由于設(shè)計較早，設(shè)計之初WTD 采用了3G 通信模塊（實際使用2G 網(wǎng)絡(luò)），實現(xiàn)車地實時傳輸功能。

車載WTD設(shè)備基本組成見圖1，由車載WTD主機、合路器、通信線纜、車載天線組成。為實現(xiàn)對CRH3A 型動車組的車地通信升級，基于4G、5G 的通信頻率（表1）等要求，兼顧列車實際，按照最小化改動原則，分別制定了4G 和5G通信升級應(yīng)用方案。其中，4G 通信方案為：（1）WTD 主機升級為支持4G 通信主機，通信接口保持不變。（2）車載合路器升級至支持4G 通信頻率的合路器。（3）車載通信線纜升級至支持4G 通信頻率線纜。

5G 通信方案為：（1）WTD 主機升級為支持5G 通信主機，由單3G/2G 天線接口，升級為4 路5G MIMO 天線接口。（2）取消車載合路器，取消WTD 主機至合路器之間通信線纜。（3）車載通信線纜，升級到支持5G 通信頻率線纜，同時額外增加3 路車體線纜，作為5G MIM0 補充天線通信線纜。（4）車載天線變更為5G MIMO 多合一天線。

針對以上兩種方案：采用5G 方案對于列車通信速率、通信延時上具有明顯優(yōu)勢，即使在5G 模塊采用USB2.0 接口通信的情況下，實測最大通信速率也可達(dá)280 Mbps；但是5G 方案也存在改造實施難度較大，改造周期長等缺點。而采用4G 方案，雖然通信速率低于5G 方案，但是綜合考慮列車實際上行數(shù)據(jù)量需求，兼顧經(jīng)濟性以及車體改造難度小等優(yōu)點，亦可作為優(yōu)選的改造實施方案。

本文以實際CRH3A 4G 改造實踐，結(jié)合列車實際運用，制定了車地實時通信研究評價方法，以分析4G/5G 對車地實時傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3 動車組車地實時通信評價方法研究

動車組車地實時傳輸受多方面影響，如車載設(shè)備、車載天線、車載通信線纜衰減、地面基站信號覆蓋能力、沿途信號強度、地面數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)處理能力等影響，而且列車處于靜止、高速運動狀態(tài)，評價列車的車地通信特性是一項較為復(fù)雜的工作。

為科學(xué)、高效的檢驗和評估采用4G/5G 通信技術(shù)對于既有動車組車地實時傳輸特性的影響，針對動車組改造前后的車載WTD 設(shè)備，采用同一動車組相同的車載線纜、車載天線等基礎(chǔ)硬件條件以及同一地面數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)收發(fā)平臺，使用相同的車載軟件，依托車地傳輸應(yīng)答機制，制定了如下重點評價參數(shù)，以對列車改造前后的通信參數(shù)進(jìn)行評價分析。

（1）評估平均數(shù)據(jù)延時，即數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到收到地面確認(rèn)的平均延時。

（2）評估平均數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，即數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到收到數(shù)據(jù)時需要發(fā)送的平均發(fā)送次數(shù)。

（3）評估聯(lián)網(wǎng)率/有效聯(lián)網(wǎng)率，其中聯(lián)網(wǎng)率=聯(lián)網(wǎng)時間/總時間、有效聯(lián)網(wǎng)率=連接服務(wù)器時間/總時間。

（4）評估掉線最大恢復(fù)時間，即設(shè)備掉線后到恢復(fù)在線的最長時間間隔。

其中，參數(shù)“平均數(shù)據(jù)延時”反映了車地實時傳輸?shù)木C合延時特性，“平均數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)”則反映了車地數(shù)據(jù)有效傳遞的成功率，這兩個參數(shù)均在一定程度上反映了車地實時傳輸?shù)男?。而“?lián)網(wǎng)率/有效聯(lián)網(wǎng)率”“掉線最大恢復(fù)時間”在一定程度上反映了沿線信號覆蓋及設(shè)備對沿線的信號質(zhì)量的適應(yīng)性，“掉線最大恢復(fù)時間”更加直觀地反映了信號基站切換、隧道信號盲區(qū)等情況對列車實際車地實時通信的影響。

4 CRH3A型動車組WTD 4G改造前后傳輸參數(shù)特性分析

為充分驗證動車組使用2G 技術(shù)和升級至4G 技術(shù)后對列車車地實時傳輸?shù)挠绊?，課題組按照2G、4G WTD 主機分別安裝于同一列車運行于隨機交路，和同一列車頭車安裝2G WTD 主機、尾車安裝4G WTD 主機運行于相同交路兩種不同的工況下，分別進(jìn)行了車地傳輸性能試驗和傳輸特性分析。

4.1 隨機交路試驗分析

依次安裝2G、4G WTD 主機于同一組動車組，分別運行隨機交路，針對運行的交路隨機抽取了3 組試驗數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，其中2G、4G 主機的評價參數(shù)結(jié)果見表2、表3，圖2 為二者的對比分析。

表2 2G 主機通信試驗結(jié)果

表3 4G 主機通信試驗結(jié)果

由隨機所選的試驗樣本數(shù)據(jù)分析：4G WTD 主機的各項車地實時傳輸評價參數(shù)均優(yōu)于2G WTD，其中平均發(fā)送次數(shù)降低了23%，平均數(shù)據(jù)延時降低了62.6%，掉線恢復(fù)速度上也具有明顯的優(yōu)勢，采用4G WTD 的傳輸實時性、傳輸效率更高，通信質(zhì)量更好。

4.2 典型交路試驗分析

頭車安裝2G WTD 主機，尾車安裝4G WTD 主機，列車運行于同一交路，外部基站、信號等環(huán)境條件完全相同的情況下進(jìn)行試驗分析，更能客觀體現(xiàn)二者的通信差異。同時為了充分反應(yīng)列車運行及開行過程中的復(fù)雜環(huán)境特點，課題組選取了D353 次（上海虹橋—成都東）作為典型交路進(jìn)行試驗，該線路運行時長超過14 h，總計運行里程接近2 000 公里，途徑市區(qū)與郊區(qū)，涵蓋了大部分的移動通信工況。表4、圖3 為在該典型交路下，2G 和4G WTD 設(shè)備的評價參數(shù)試驗結(jié)果與對比分析情況。

表4 2G+4G 上海虹橋—成都東典型交路通信試驗結(jié)果

通過上述典型試驗線路的通信參數(shù)可以看出，該線路采用4G WTD 的各項通信參數(shù)特性，同樣明顯優(yōu)于采用2G 的WTD。其中采用4G 的設(shè)備平均發(fā)送次數(shù)降低了21%，平均數(shù)據(jù)延時降低了62.6%，通信效率得到了提高。而整個線路上來看，采用4G 設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)率和有效聯(lián)網(wǎng)率均得到了提高，其中有效聯(lián)網(wǎng)率提在2G 基礎(chǔ)上提高了約30%。從聯(lián)網(wǎng)率和掉線最大恢復(fù)時間上來看，試驗區(qū)間采用2G 信號的信號盲區(qū)范圍大于4G 信號的盲區(qū)范圍，這一定程度上反映了目前線路的4G 覆蓋已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于2G。

綜上所述，采用4G 通信技術(shù)，相較于2G 通信技術(shù)，在通信效率、通信延時上均得到了大大提升，提高了車地傳輸?shù)膶崟r性、提高傳輸通信效率、降低數(shù)據(jù)延時，同時也在一定程度上降低了由于通信不良造成的數(shù)據(jù)傳輸失敗而額外需要消耗的流量成本。

而隨著我國5G 基站的日益完善，同時5G 設(shè)備向下普遍兼容4G，相信5G 技術(shù)在動車組中的應(yīng)用也會越來越廣泛，同時對于車地傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)場景也會越來越豐富[8]。

5 結(jié)語

目前，4G、5G 技術(shù)已經(jīng)在和諧號、復(fù)興號等動車組車地傳輸中進(jìn)行了批量應(yīng)用[9]。通過運用及試驗分析，新一代移動通信技術(shù)的運用，對于車地?zé)o線傳輸效率的提升以及提高列車遠(yuǎn)程運維效率具有重要意義。

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