5G高速铁路通信系统应用

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摘要：随着铁路高速化、智能化的发展和不断进步，铁路的移动通信系统面对着新的发展要求。第五代移动通信技术（5g）拥有传输速率高、大带宽、低时延、大规模连接设备的优势。该技术能进一步提高现有的铁路通信和运行状况，对保障列车运行智能性和安全性具有十分重要的作用。5G移动通信技术在铁路行业中的应用成为铁路无线通信发展的方向，文章就高速铁路通信系统在5G环境下的应用进行分析探讨。

关键词：5G；铁路通信；智能应用

5G网络通信已经影响了人们的生活与通信产业发展方向，目前国内三大运营商已上线了5G商用套餐，标志着5G网络建设的第一步已经到位，5G网络时代已经初步形成。对铁路运输业来说，5G能提高高速铁路的通信网络通信质量，通过有效运用5G的各种技术，不仅能让列车的通信、运行和管理更加有序，而且还能提高智能高铁智慧化水平。

15G移动通信技术

第五代移动通信技术（5G）是第四代移动通信技术（4G）之后的新一代移动通信技术。5G的核心性关键技术主要包括大规模MIMO技术、网络体系架构、超密集组网、全频谱式接入和全双工通信技术。相较于4G技术，5G具有显著的优势，包括数据传输速度快，网络速度高达4G技术的100倍，带宽是4G技术的1000倍，网络延时缩短至≤1ms，实现了端与端延时毫秒级，能精确地对准时间，给用户提供更加优质的使用体验；而且5G网络容量超大，可接入众多设备进行工作，覆盖范围广泛，进而满足物联网的需求实现万物互联，能耗与成本较低，使用范围更加广泛。最重要的是5G能够支持500km/h的终端移动速度，这一优点使得5G移动通信技术对中国高速铁路通信系统的发展有着极其重要的作用。

2我国高铁通信系统

高速铁路是当前中国非常重要的交通基础设施，在我国客运与货运上承担着重要的分量，我国的高速铁路在世界上属于先进水平，具有完善的高铁技术体系。而高速铁路通信系统又在整个高速铁路运输过程中扮演着不可或缺的角色，承担着确保高速铁路列车行驶安全及保障高速铁路列车运输与管理工作顺利展开的重任。但随着通信技术的不断发展，现在已有的铁路专用通信技术已经无法满足高速铁路通信的高速数据传输的要求，主要包括高速列车运行速度快，使高铁通信系统产生频偏，让沿线的各类基站信号接收不稳定；各通信系统枢纽站的距离相对较远，使得各个站点需要服务的范围太广；高速铁路的旅客较多，增加了网络的使用量和基站负荷，导致移动信号下降；高铁速度太快，移动通信网络需要不断切换，会导致掉线、切换失败或缓慢等问题。现有的4G系统会应用一些补偿算法对这些有害效应进行一定程度的抑制，但效果并不理想，这也导致在高铁列车上的通话以及网络连接效果等功能无法得到保证。

35G系统下应用的高铁通信技术

5G系统融合了多种技术，主要有：第一，大规模MIMO技术。在发射端和接收端配备更多的天线，在相同的无线信道上同时发送和接收多个数据信号，也使信号通过多个链路进行传送和接收，数据速率和链路可靠性得到进一步加强，从而改善通信质量。在实际应用中，多天线的基站发射的信号可以同时瞄准多个用户，而不向其他方向扩散，构造朝向多个目标用户的不同波束。通过相同的无线电信道发送和接收多个数据信号，可以有效提高频谱效率，同时也能提高网络容量和服务的用户数量；通过提供精确的窄波束，减小对其他用户的干扰，提高信号质量。这项技术对高铁通信的管理工作有重要作用，可以在合理的分配频率下保证网络稳定，促使列车间的调动工作顺利进行。第二，毫米波通信技术。4G系统的最高频率为2GHz左右，可用频谱带宽只有100MHz。毫米波频率在30GHz～300GHz之间，频谱宽较宽，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，因此能提供稳定的传输信道；由于波长在1～10mm之间，波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内和移动设备上集成大规模天线阵，实现超高速数据传输。第三，超低时延技术。5G技术降低时延的思路：一是大幅度降低空口传输时延。采用新型帧结构，利用更短的子帧长度，在同一子帧内完成确认反馈；二是要尽可能减少转发节点，缩短源节点到目的节点之间的“距离”，在实际应用中，可以采用终端直接通信（D2D）模式，让设备之间可以直接通信而不再需要网络；采用移动边缘计算技术（MEC），将计算、处理和存储推向移动边界，让海量的数据能够进行实时和快速的处理，以减少时延。第四，异构网络技术。将不同类型网络融合起来，增加不同站点之间的密度，根据用户的特点（如车载用户）、业务特点（如实时性要求高）和网络的特点，来为用户选择合适的网络，满足终端业务的多样性需求的同时也提供了更好的服务质量。此技术能在原网络基础上增大覆盖范围，有效提升系统容量，使得通信系统更具灵活性，同时也降低了网络维护成本；通过5G网络可以无处不在进行服务和无缝切换，使通信系统功能更加完善和智能化，促使铁路设备运行更加可靠。第五，全双工接口技术。在同一信道上同时进行信号的接收和发送，不再局限于设备信号的时间和频段，能够将频谱效率提高一倍，有效节约成本。在连接不同链路时，还可以监测列车运行状态，有效保障了列车运行的安全性。

4铁路通信系统应用5G技术的典型场景特殊环境

火车站是典型的客流密集场所，采用室内5G组网分布覆盖，可以满足旅客超高清移动视频直播、视频通话、视频会议和视频监控等需求，同时也为5G赋能智慧火车站提供了可能，进一步提升铁路系统以及火车站的管理效率和服务品质。高铁隧道。我国山区较多，隧道也较多，可采用特型天线，在短距离直线隧道前后采用天线进行覆盖。一般情况下，可以在隧道中与隧道口安装特型天线进行覆盖，两侧不同区域覆盖增加用户信号。如隧道太长，可考虑新型漏缆，每隔500m设置设备洞室，安装5G的移动基站设备BBU和RRU。高铁沿线。采用宏站覆盖，尽量利用旧的4G基站，配置高增益窄波束天线，让覆盖性能与信号的分布和衔接更好。调度通信。5G网络满足超高流量密度运用，可达到每平方公里数十Tb/s的流量密度，具备Gb/s级的用户体验速率，可以满足列车无线列调区段内的调度员、车站值班员和机车司机、车长之间的无线通信。除了通过数字调度通信系统中的调度电话、专用电话、站间区间电话等传统调度语音通信外，还可以进行视频通话等功能。由于具备完整的优先级处理、质量保证机制和集群调度功能，可用于控制中心调度与各站、段值班员、司机之间的单呼、组呼、全呼、强插、强拆等不同优先级通话等调度通信业务。集成的多媒体通信。在多媒体通信功能方面，5G也能加强多媒体信息传输技术，将原本单一的文本格式短消息扩展升级为富媒体消息，消息内容不再仅仅是文本，还能支持图片、音频、视频、位置、联系人等多种形式。铁路运营应用中，会议电视系统、流媒体应用、视频监控系统、旅客信息系统等多媒体面临的主要问题就是信道容量问题和大容量通信传输问题，而5G通信技术正好能有效解决这些问题。网络化行车控制。5G技术拥有高带宽，能实现毫秒（ms）级端到端时延，可以支持500km/h以上的超高移动性速率，因此能够稳定、可靠地实现各类车载设备间和车地设备间的通信，可以实时监控列车运行，实现自动化调度和主动安全控制功能；实时监测列车及行车线路状态，将路轨状况、列车状况等上传到数据库，再通过实时分析，对可能出现的故障进行检测及预判，提出合理的解决方案，从而减小了列车运行中的故障率，保障了列车的运行安全。这也为未来实现无人驾驶、远程驾驶或者增强现实（AR）智能驾驶技术，打造下一代自动驾驶系统等智能铁路的行车控制系统提供了可能。云化行车数据管理。列车在运行过程中，将产生大量的监测数据，现有的铁路无线网络数据通信能力有限，需要将大量基础数据保留在车载设备本地，车载设备数据变更的时间效率和组织效率低下。而基于5G网络的车地设备，可以进行大容量数据转储，5G转储系统通过车辆部分（视频自动记录）、车站和场站（视频自动转储）和中心机房（视频自动分析）三部分的协调运作，可实现下载数据Gb/s秒级快传。或者将业务数据上传至云网络，通过实时更新和下载系列关键数据，快速进行实时响应、传达动作指令，实现调度通信列车智能精准控制，也将进一步提升高速铁路智能化管理水平。

参考文献

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作者：向欣 单位：中铁四局集团有限公司