5G技術(shù)在鐵路通信工程中的實(shí)踐應(yīng)用分析

周德健

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)第五工程有限公司，四川 成都 610031）

1 國(guó)內(nèi)鐵路通信發(fā)展現(xiàn)狀及鐵路5G的應(yīng)用場(chǎng)景

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

2016年2月，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司搭建了我國(guó)第1個(gè)5G聯(lián)合創(chuàng)新中心，旨在充分實(shí)現(xiàn)工業(yè)和交通業(yè)創(chuàng)新群體的有效聯(lián)合，促進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)通信能力的提升，精準(zhǔn)了解當(dāng)前行業(yè)需求點(diǎn)和業(yè)務(wù)要求，對(duì)各種產(chǎn)品和應(yīng)用進(jìn)行融合創(chuàng)新，為垂直行業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)方案。我國(guó)在2018年針對(duì)京沈客專展開(kāi)了試驗(yàn)，其中包括承載多媒體調(diào)度通信等，為我國(guó)鐵路5G的研究創(chuàng)造了良好條件。2020年4月，國(guó)鐵集團(tuán)決策通過(guò)發(fā)展鐵路5G移動(dòng)通信系統(tǒng)，深入探究鐵路5G技術(shù)，申請(qǐng)專用頻率并計(jì)劃開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)工作，以進(jìn)一步同我國(guó)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)部署要求相適應(yīng)，加速推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代化智能鐵路的進(jìn)一步發(fā)展[1]。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

相對(duì)于前4代移動(dòng)通信技術(shù)，5G技術(shù)不僅進(jìn)一步深化了人與人之間的通信服務(wù)，而且向人與物以及物與物之間的通信服務(wù)進(jìn)行拓展，同當(dāng)前行業(yè)整體應(yīng)用需求相適應(yīng)。高速鐵路應(yīng)用場(chǎng)景是5G典型應(yīng)用場(chǎng)景之一，也是業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。鐵路5G能夠圍繞著應(yīng)用業(yè)務(wù)，在海量連接、低時(shí)延以及超寬帶等功能方面為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)。近些年來(lái)，我國(guó)鐵路通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展，在原有的基礎(chǔ)上拓寬了車地之間的通信業(yè)務(wù)需求，包括鐵路物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛以及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控列車車況等。

2 5G技術(shù)在鐵路通信工程中的實(shí)踐應(yīng)用和優(yōu)化路徑

2.1 實(shí)踐應(yīng)用

2.1.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)

盡管當(dāng)前使用的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠滿足移動(dòng)信息服務(wù)、應(yīng)急指揮通信、移動(dòng)公務(wù)通信、調(diào)車監(jiān)控信息傳輸以及調(diào)度通信等信息傳遞的要求，但是該系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)主要集中在數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信方面。移動(dòng)終端同基站之間具有的傳輸速率相對(duì)較低，難以充分適應(yīng)當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸量不斷增加的實(shí)際情況[2]?，F(xiàn)階段鐵路正朝著更加高效、快速以及安全的運(yùn)營(yíng)模式不斷邁進(jìn)，提高了對(duì)鐵路通信網(wǎng)的要求，而未來(lái)移動(dòng)終端的數(shù)量勢(shì)必會(huì)持續(xù)增多。隨著智能調(diào)度的推廣和視頻監(jiān)控的廣泛應(yīng)用，鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)需進(jìn)行海量視頻圖像信息的傳輸。5G無(wú)線通信系統(tǒng)能夠充分同未來(lái)各種新業(yè)務(wù)、新功能以及應(yīng)用場(chǎng)景需求相適應(yīng)，為鐵路行車安全性的提升創(chuàng)造良好條件，并進(jìn)一步提高運(yùn)營(yíng)效率。

2.1.2 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)

在鐵路通信工程中，5G在鐵路應(yīng)急通信網(wǎng)的建設(shè)上有著較高的應(yīng)用價(jià)值，能夠有效提升其靈活性、快捷性以及安全性，是保障搶修指揮聯(lián)絡(luò)和應(yīng)急運(yùn)輸?shù)闹匾e措[3]。當(dāng)產(chǎn)生緊急情況時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行可以在極大程度上提高應(yīng)急救援成效，在突發(fā)事故的影響下產(chǎn)生局部網(wǎng)絡(luò)損壞的現(xiàn)象，需采取相應(yīng)的措施保障通信網(wǎng)絡(luò)整體安全可靠。5G技術(shù)本身具有的高節(jié)點(diǎn)效率和高可用性優(yōu)勢(shì)，可以有效同未來(lái)應(yīng)急通信網(wǎng)需求相適應(yīng)。此外，將北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)與5G無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，可以在原有基礎(chǔ)上提升鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)功能的全面性和實(shí)效性。

2.1.3 旅客通信服務(wù)

在鐵路工程中，火車站是客流密集場(chǎng)所之一。在車站建設(shè)中融入5G技術(shù)，能夠滿足高速上網(wǎng)的需求。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提升，進(jìn)一步提高了乘客在網(wǎng)絡(luò)使用方面的要求，希望在列車上依然能夠順暢開(kāi)展遠(yuǎn)程會(huì)議、玩游戲以及觀看視頻等。但是，列車的高速行駛難免影響用戶體驗(yàn)。針對(duì)高速列車通信而言，主要包括端到端時(shí)延和用戶速率2個(gè)指標(biāo)。良好的指標(biāo)能夠更好地滿足低時(shí)延和高帶寬要求，提升旅客通信服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化旅客體驗(yàn)感[4]。

5G NR繼承了以往長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）中的正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），可以方便簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)置，高效落實(shí)統(tǒng)一的傳輸機(jī)制。相對(duì)于LTE來(lái)說(shuō)，5G 新空口（New Radio，N R）在參數(shù)設(shè)置方面具有更高的靈活性。若是子載波間隔有所增加，會(huì)在一定程度上減小CP長(zhǎng)度，降低系統(tǒng)抗多徑能力。在時(shí)延小的情況下。還會(huì)在一定程度上產(chǎn)生相間干擾，需要5G NR子載波間隔配置處在15～240 kHz以內(nèi)，具體如表1所示。

表1 5G NR子載波間隔配置

NR中的無(wú)線幀長(zhǎng)度是10 ms，可以進(jìn)一步劃分成10個(gè)子幀，每個(gè)子幀長(zhǎng)度為1 ms，幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 幀結(jié)構(gòu)

例如，在2022冬奧會(huì)上，旅客可以在列車上實(shí)時(shí)觀看高清賽事直播。因?yàn)榱熊嚩嗝襟w信息服務(wù)有著相對(duì)較大的下行帶寬需求，且同行車之間的業(yè)務(wù)沒(méi)有緊密關(guān)聯(lián)，所以其業(yè)務(wù)使用5G公網(wǎng)承載[5]。5G基礎(chǔ)上建設(shè)的列車多媒體信息服務(wù)系統(tǒng)，能夠在車載天線和5G公網(wǎng)模塊上同鐵路沿線5G網(wǎng)絡(luò)相連接，進(jìn)而在運(yùn)營(yíng)平臺(tái)上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取相應(yīng)的視頻源，通過(guò)多運(yùn)營(yíng)商匯聚向車載平臺(tái)發(fā)放，車載平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行匯聚、拉流以及編解碼等工作，進(jìn)而利用車廂中設(shè)置的無(wú)線局域網(wǎng)滿足旅客觀看比賽的需求。

2.1.4 “車-車”通信機(jī)制

在現(xiàn)代化鐵路發(fā)展的背景下，若是在列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中依然沿用傳統(tǒng)的“車-地-車”通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)2列車輛的信息交互，會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接口復(fù)雜和設(shè)備使用過(guò)多等問(wèn)題。如果要提升列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的科學(xué)性和完善性，則應(yīng)積極研究車輛和地面基礎(chǔ)設(shè)備之間的通信，開(kāi)發(fā)“車-車”之間的通信機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)通信的穩(wěn)定連接，需要承載高可靠和低時(shí)延車輛控制指令。該指令直接關(guān)系安全駕駛，并不會(huì)涉及大帶寬的應(yīng)用。但是，如果車輛之間需進(jìn)行視頻信息傳輸，則依然需確保其具有更高的傳輸速率[6]。

2.2 優(yōu)化路徑

2.2.1 提升乘客用網(wǎng)質(zhì)量

為提高乘客用網(wǎng)質(zhì)量，相關(guān)工作人員需意識(shí)到移動(dòng)視頻清晰度的重要性，綜合考慮各方面影響因素，強(qiáng)化開(kāi)展對(duì)4K超清視頻應(yīng)用需求的調(diào)查工作，明確了解5G技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)，更好地滿足當(dāng)前保障寬帶穩(wěn)定性的相關(guān)要求，加強(qiáng)維護(hù)，確保乘客高質(zhì)量用網(wǎng)。相關(guān)工作人員在建設(shè)5G通信系統(tǒng)階段，需要全方位了解4K超清移動(dòng)視頻的相關(guān)技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有條件和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)技術(shù)需求，滿足包括通話和監(jiān)控等基本需求，提高乘客用網(wǎng)質(zhì)量[7]。

2.2.2 保障傳輸方式安全

在工作實(shí)踐中，相關(guān)工作人員針對(duì)5G技術(shù)建設(shè)的通信系統(tǒng)運(yùn)行情況展開(kāi)全面的考察和分析，意識(shí)到開(kāi)放性信息傳輸?shù)耐怀鎏攸c(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，充分明確通信系統(tǒng)安全保障的重要意義，強(qiáng)化管控其普遍存在的黑客和病毒等問(wèn)題，避免外部因素的入侵對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響，從根本上推動(dòng)通信系統(tǒng)高質(zhì)量維護(hù)工作的開(kāi)展，提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。此外，相關(guān)工作人員需深層次探究存在于鐵路通信系統(tǒng)內(nèi)部的故障及其特征，根據(jù)網(wǎng)管設(shè)置，結(jié)合相關(guān)因素和現(xiàn)有條件，制定信息安全控制方案，高效攔截非安全信息，在充分了解鐵路系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)質(zhì)性價(jià)值的基礎(chǔ)上，更好地同網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性運(yùn)行的實(shí)際需求相適應(yīng)，支撐列車開(kāi)放性信息的安全穩(wěn)定傳輸。

2.2.3 優(yōu)化衛(wèi)星定位系統(tǒng)

除要保障用網(wǎng)質(zhì)量和傳輸方式安全性以外，技術(shù)人員需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化衛(wèi)星定位系統(tǒng)。在實(shí)際開(kāi)展設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中需重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)5G環(huán)境下信號(hào)傳輸難點(diǎn)的研究，詳細(xì)了解列車沿線周邊的地形條件，明確列車通信面臨的各種影響因素，如樹(shù)木和隧道等[8]。此外，工作人員需重點(diǎn)關(guān)注衛(wèi)星信號(hào)的實(shí)際發(fā)射過(guò)程，全方位分析總結(jié)影響列車運(yùn)行質(zhì)量的各種因素，確定高層建筑物等在鐵路運(yùn)行方面造成的影響。此過(guò)程中還應(yīng)不斷總結(jié)5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價(jià)值，以達(dá)到優(yōu)化衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)的效果，幫助工作人員精確了解鐵路實(shí)際的方位信息。

2.2.4 完善智能管控系統(tǒng)

為了有效完善智能管控系統(tǒng)，相關(guān)工作人員需要深入研究5G通信系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成情況，在充分考慮列車實(shí)際運(yùn)行特征的基礎(chǔ)上，分析并監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)性保障措施，為后續(xù)高質(zhì)量開(kāi)展列車檢測(cè)工作創(chuàng)造條件，切實(shí)滿足列車路軌構(gòu)建和應(yīng)用的相關(guān)要求。此外，從各個(gè)環(huán)節(jié)著手，強(qiáng)化落實(shí)監(jiān)督管理工作。工作人員需針對(duì)列車不同階段產(chǎn)生的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行階段各種故障的推測(cè)，明確了解系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中有可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的事前控制[9]。

基于此，從每個(gè)時(shí)隙著手建立優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化問(wèn)題在第τ個(gè)時(shí)隙中表示為

式中：Pmax為總功率；Ω為資源分配策略，作為優(yōu)化變量，其中Ωm,s和Ωm,P分別為子載波分配策略和功率分配策略；Sm,n為子載波n在業(yè)務(wù)m間具有的分配狀態(tài)。如果子載波n分配給業(yè)務(wù)m，那么Sm,n的取值便是1[10]。

業(yè)務(wù)跨層優(yōu)化限制條件為

立足于現(xiàn)階段鐵路智能管控系統(tǒng)的具體需求，制定相應(yīng)的實(shí)施策略，充分掌握列車運(yùn)行過(guò)程中的潛在隱患和風(fēng)險(xiǎn)因素，方便后續(xù)進(jìn)一步推廣5G通信系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

5G通信技術(shù)因其具有的無(wú)線通信載體有著突出的低時(shí)延、低功耗以及高可靠性優(yōu)勢(shì)，已在鐵路通信工程中實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用。因此，相關(guān)研究人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)其的重視，在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取相應(yīng)的優(yōu)化發(fā)展策略，切實(shí)發(fā)揮出5G技術(shù)對(duì)通信工程發(fā)展的技術(shù)支撐作用。