高铁通信网络中5G移动通信技术的应用

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【摘要】5G移动通信技术是“第五代数字蜂窝移动通信技术”，该技术将以其高传输速率、覆盖范围广、传输速度快、能大规模连接设备和更低信号延迟的优点，在技术上改善现有的通信状况与高铁的运行状况，帮助高铁运行更加智能、安全，对地区经济发展和产业结构调整都有极大的助力作用。本文就5G移动通信技术在高铁通信网络中的应用进行分析探讨。

【关键词】5g移动通信技术；高铁通信网络；应用

5G网络时代已经初步形成，19年11月1日，三大运营商已经上线5G商用套餐，表示运营商对5G网络建设的第一步已经到位。4G网络通信已经影响了人们的生活与通信产业的走向，而5G技术的发展将会让数据的传输频率进一步加快。对铁路运输业来说，提高了高铁的通信网络通信质量，减少延迟，精准列车的定位，能让列车的通信与管理更加有序的进行。所以在高铁通信网络中应用5G技术中的各种先进技术，可以提高高铁的运行与管理质量。

一、5G移动通信技术

移动互联网的发展，各种智能终端的使用，用户不断增多，数据流量飞速增长，让移动通信技术不断研发。近年来5G移动通信技术的发展成果不断实现，5G手机与5G网络套餐的使用，让5G网络的普及打开序幕。而5G移动通信技术有以下特点：5G技术的数据传输速度快，比4G蜂窝网络传输速率快100倍；5G系统的网络容量超大，可接入众多设备进行工作；5G可依据智能设备支持更多的移动业务，家庭与办公网络也能全面覆盖，覆盖范围广泛；网络延迟较低，能精确的对准时间，给用户提供更加优质的使用体验；5G系统的能耗与成本较低，使用范围更加广泛。最重要的是5G系统在500千米/小时的移动速度中也能保持信号，5G网络技术可推动高铁通信网络的不断发展。

二、我国高铁与高铁通信系统

我国的高速铁路在世界上属于先进水平，在各种复杂地形与气候下的高铁建造技术都已系统的掌握，具有完善的高铁技术体系。而2018年一年内累积发送的高铁旅客就有超20亿人次，高铁在我国客运与货运上承担着重要的分量。但我国高速列车速度太快，产生的多普勒效应会给高铁通信系统带来频偏，让基站信号接收不稳定；各通信枢纽间距离较远，站点的服务范围较广；高铁旅客太多，网络用户集中，让网络负荷飙升，基站负荷太高让移动用户信号下降；高铁行驶的区域太多，用户的移动网络频繁的切换与重选，会出现掉线、切换失败或缓慢等问题。

三、5G系统下应用的高铁通信技术

5G系统可以融合多种技术，主要有：第一，MIMO多天线技术，其具有较高的空间分辨率，获取多个空间资源，提高检测器与预编码的质量，局限波束的范围，减少外界的干扰。还能控制发射功率，提高整体效率。这项技术对高铁通信的管理工作有重要作用，分布式的多天线技术，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，异构网络技术，此技术的覆盖面广，可提高系统的容量与频谱效率，提高系统的灵活性。还可降低网络维护成本，通过5G网络实现智能化，完善系统功能，让设备安全可靠的运行。第三，全双工接口技术，使用时不会局限设备信号的时间与频段，提高频谱效率。连接不同链路，在通信时提高设备传输效率。还能监测列车运行状态，节省成本，针对干扰问题还需深度研究。第四，OFDM多载波技术，此技术通过滤波器实现，但受干扰问题影响，但5G网络能改善滤波器功能，提高技术性能。针对高铁产生的多普勒频偏效应，还需在5G网络下的设备实行频偏补偿，跟踪好移动高铁的速度，抵消频偏问题。5G网络在高铁通信中还能优化切换带与天线，而切换带需要合理的优化，保证大小适中，不会产生干扰；天线则需要合理的设置方位，天线近点覆盖，在站点与站轨间的天线角度要设置的合理，提高信号的覆盖率。用户在高铁快速移动时，信号波动大，会不断切换网络小区，需根据高铁特点设置5G网络合适的切换策略，保证切换能快速的顺畅的完成，可采用小区合并方式减少小区切换现象，减少切换的时延。

四、5G移动通信技术在高铁通信网络中的应用

4.1针对高铁乘客用网主要场景

高铁中人员所在的地区范围很广，5G移动技术需要覆盖以下区域，第一，高铁候车大厅。候车大厅基本是封闭式的室内，面积较大，人流量大，可采用室内5G和WiFi融合组网分布覆盖，数字化室内分布。如采用室外的宏站，效果较差。WiFi可对5G系统进行分流，并且成本低、接入与维护方便等特性，提高用户网络体验还能作为5G系统的补充。第二，高铁站台。站台的区域较为开放，可采用宏站进行覆盖。在站台间车速很缓慢，多普勒效应几乎没有，用户移动较少，但人流量较大，可采用64T64RMIMO天线。第三，高铁隧道。我国山区较多，隧道也较多，可采用特型天线，在短距离直线隧道可在隧道前后采用天线对打进行覆盖，设置在同一小区。而隧道长度超过500米，在隧道中与隧道口安装特型天线进行覆盖，安装高度对应高铁窗口，两侧不同校区覆盖增加用户信号。如隧道太长，可考虑新型漏缆。每隔500米设置设备洞室，安装5G的移动基站设备BBU和RRU。第四，高铁沿线。一般沿线都是宏站覆盖，采用5G网络起步配置8T8R的高增益窄波束天线。5G基站交错分布在铁路两侧，尽量利用旧的4G基站，100米左右的垂直高度，让覆盖性能与信号的分布和衔接更好。高铁还需针对多普勒频偏现象开启高速频偏矫正功能。

4.2在5G系统下辅助式卫星定位系统

我国地形复杂，高铁沿线有各种障碍物，会出现卫星信号遮挡与反射现象，出现多径效应与丢星现象。那么5G移动通信系统的卫星定位系统能准确捕捉列车的位置信息。在列车发出定位时，5G系统能迅速找到卫星信息，在5G网络下把卫星定位的辅助信息发送给列车，列车利用卫星辅助数据能精确计算出位置。5G系统改善卫星信号被遮挡现象，在城市隧道中还能让列车定位精确。

4.3在5G系统下的高铁智能管控系统

高速铁路通信系统保证了高铁正常运行与管理。在5G系统下的高铁通信系统在高铁运输中，通过通信系统实现与其他部门的合作，传输与控制好信息，科学的调度与指挥行车，实现集中化的管理，保证列车在运输中的安全与管理工作的顺利进行。在通信技术中还能随时监测路面与列车的状况，实时的分析与检测，能及时处理故障，提高高铁运行的安全。5G通信技术的短延时性，让列车间、列车与配套设施间的通信无阻碍。高铁智能管控系统紧急制动告警功能的使用，实现智能的管理，让列车的自动驾驶与主动安全控制得到实现，在5G的全面覆盖能让高铁智能管控系统对列车自动化调度、全面监测离行车线路与列车的状态、列车安全自动控制功能等，让高铁运输的安全得到进一步的保证。

五、总结

总之，随着5G移动通信技术的发展，相关的铁路也进入跨时代的高速发展阶段，5G移动通信技术带给高铁移动通信中的优势逐步走向成熟，随着铁路高速化的发展，提高数据信息传输效率，改善高铁通信系统，使高铁的运行工作更加畅通。将来伴随5G通信网络的普及，轨道交通智能化催生许多新的铁路业务，在智能的基础设施上，根据大数据的融合、收集、处理，为高速铁路运行的安全性、精确性、和高速性提供了有力的保障。

参考文献

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作者：王继宇 单位：中交铁道设计研究总院有限公司