5G技術及其在鐵路通信中的應用*

劉志英

0 引 言

當前，4G技術的功能較為健全，為人們的生活提供了極大便利，但仍然處在不斷發展的過程中，為5G時代的全面到來奠定了一定基礎。5G技術的優勢體現在多個方面，如頻帶利用率高、通信性能好等，這對鐵路運輸業來說十分必要。因此，鐵路通信系統可有效運用5G系統中包含的各項先進技術，確保列車的調度更加合理。

1 5G概述

隨著通信技術的不斷發展，從最初第一代的模擬技術已經進入無線寬帶的4G時代，且5G技術已經初步形成，相信在短時間內將會得到普遍應用。與4G相比，5G技術的傳輸成本較低。具體來說，5G技術主要有以下幾方面特點。第一，能夠使用戶獲得更加優質的體驗，這主要是因為其能夠支持多項移動業務且傳輸速度較快，如圖1所示。第二，5G技術的突破點在于能夠同時為多個用戶進行服務，且系統的整體性能在原有基礎上有了明顯提升。第三，5G技術在支持多項業務的基礎上，能夠全面覆蓋室內無線，且覆蓋范圍明顯增加。第四，5G技術的傳輸速度高達幾十吉比特每秒[1]。例如，用4G技術下載一部高清電影需要耗時10 min，而5G技術只需1 s就能完成下載。另外，相比4G技術，5G技術的能耗量也十分低，如圖2所示。

圖1 5G傳輸速率

圖2 5G能耗量

2 鐵路通信技術

2.1 概況

鐵路通信是整個鐵路運輸過程中一個至關重要的部分，主要有以下作用。第一，對鐵路進行集中管理，進而確保列車行駛的安全性。第二，實現信息化管理，通過信息的傳輸與控制，與其他部門進行合作，促使運輸與管理工作能夠更加順利地開展。因此，一旦通信方面出現問題，將會影響整個鐵路的運輸工作，進而造成經濟等多個層面的損失。第三，鐵路運輸通信的重點在于確保運輸生產能夠順利進行，因此需要對行車進行科學合理的調度與指揮。

在鐵路運輸過程中，通信技術發揮著重要作用。當前技術、功能不斷完善，無論是在技術水平還是使用范圍上，都較之前有了一定進步。通信技術的主要功能是加強對鐵路系統多個環節的監測與控制，并實現各項數據信息的傳輸，進而在此基礎上完成數據的分析與管理，得出相應的分析結果，以此為依據完成運輸策略的制定。通信技術的功能主要包括以下幾點。第一，控制行車，保障其運輸過程中的安全。第二，管理列車自動化調度的整個過程。第三，全面監測行車路線的路面情況，并完成監測信息的反饋。第四，定期檢查設備，及時處理設備故障。

另外，通信技術的作用體現在多個方面。除了與整個行車系統有關之外，也與維修等系統有著較強關聯[2]。只有這幾個系統結合，才有完整的控制系統，進而使整個鐵路系統能夠時刻處于通信技術的監測與管理下，有效保障行車安全和生產運輸過程的規范化。

2.2 特點

鐵路通信技術的特點主要包括以下幾個方面。第一，不同通信樞紐間的間隔距離相對較遠，且每個站點對應的服務范圍較廣。第二，用戶數量相對較少且間隔較遠，需要通過復用終端設備進行通信，有效保障通信質量。第三，通信技術擔負著傳達鐵路信息的職責，且其所傳輸的數據具有絕對的可靠性。第四，通信網必須有足夠的承受能力，能夠有效應對各種自然災害和突發事件，并且在較為緊急的情況下能夠啟動應急方案，將修復時間控制在最小范圍[3]。第四，通信技術能夠加強鐵路運輸過程中不同層級人員之間的溝通與交流，進而控制列車的各項問題。第五，利用無線網絡能夠保障一些信號不穩定或不連續地區的通信質量。盡管當前通信技術在鐵路運輸中得到了廣泛應用，但仍存在一些不完善之處，如通信設施容易受到電磁干擾等。因此，必須應用更多先進技術，有效提高鐵路運輸質量。

3 5G系統指標

5G系統能夠融合多種技術，因此在鐵路運輸過程中可充分利用5G的通信技術。下面將詳細介紹5G系統的主要指標。

3.1 頻帶利用率

鐵路通信形成之初至現在，已經經過了相當長的時間。因此，管網系統已經較為成熟，其中融合了較多先進技術。在對系統的運行效率進行衡量時，可運用多種指標，并以此為依據進行綜合性評價。其中，最重要的一個評價指標就是頻帶利用率。通過這項指標能夠更加直觀地了解系統性能。從鐵路通信對頻帶的應用程度來看，當前仍處在較低的層次，主要原因在于無線電波的穿透能力過強，導致頻帶損耗量較大[4]，自然就使得頻帶的利用率始終難以得到有效提升。而5G的到來則有效解決了這一問題，系統中所包含的各項技術能夠使頻帶利用率在原有基礎上得到有效提升，進而將頻帶損耗量控制在最小范圍。

3.2 系統性能

5G系統中包括多項先進技術，能夠有效保障系統運行的安全性。這些先進技術可利用通信網絡進行融合，進而使系統功能在原有基礎上得到有效提升。同時，系統可發揮控制、交換等多項功能，有效提升資源利用率。5G系統還具有群呼等功能，能夠對列車進行科學合理調度，使通信頻率的分配更加有效。

3.3 集中管理

5G時代系統控制的要點在于資源的配置，進而使列車維修、應急救援等多項問題得到有效處理。5G技術還能有效節約開支，起到控制成本的作用。另外，5G技術能夠發揮智能化管理的作用，進而有效提高系統的管理效率。

4 5G的應用

4.1 多天線技術

MIMO多天線技術的優勢主要體現在以下幾個方面。第一，具有較高的空間分辨率，能夠獲取更多空間資源，實現多個用戶的自由通信，進而在此基礎上有效提升頻譜效率。第二，能夠局限波束的范圍，將外界干擾控制在最小范圍。第三，控制發射功率，有效提升整體的功率效率。第四，提升預編碼和檢測器的質量，能夠抵抗許多干擾因素。多天線技術的研究可從以下幾個方面進行具體說明。第一，信道建模，需要在實測基礎上獲取相應參數，通過計算機進行仿真處理。這項工作較為復雜，因此技術方面要求相對較高。第二，空間分址，即在大維矩陣空間中獲取更多資源[5]。目前，華為、大唐多個領域都已經達到了這一要求。另外，當前規模最大的是空分多址，這項技術能夠有效提升5G技術的性能，但其具有較大難度，還須加大研究力度。第三，信道導頻，由于天線數量較多，因此估計時需要較大的開銷，而信道估計也是目前要解決的一個重要問題，只有在此基礎上才能順利實現大規模的MIMO多天線技術。該技術在鐵路通信的管理工作中能夠充分發揮作用，有效保障網絡的穩定性，并且合理分配頻率，促使調動工作順利完成。同時，系統傳輸效率也與天線數量有著較高關聯性，因而能夠合理利用頻譜資源。此外，多天線技術能夠進行功率發送，進而充分展現鐵路設備的功能，使通信系統的布局更加合理。

4.2 全雙工技術

全雙工是5G技術中的一項接口技術，優勢在于能夠使終端設備信號的發送不局限于時間和頻段，且使頻譜效率在原有基礎上提升了一倍左右，但同頻信號會使接收信號受到影響。因此，這項技術需要解決的問題是如何控制干擾。當前，在消除干擾時采用的主要方法是數字域法，即對干擾參數進行估計，起到消除干擾的作用。當前使用的技術已經基本能夠有效控制干擾，但在此基礎上所建模型十分簡單，且研究多局限于理論層面，缺乏實踐經驗，還需做進一步研究。要控制功率、能耗等，促使技術更加完善。從目前的應用情況來看，盡管全雙工技術有一些缺陷，但在鐵路通信中仍然具有優勢，使系統中的不同鏈路順利實現通信[6]，且有效提高了資源利用率，明顯提升了設備的信息傳輸效率，也使列車的各項運行信息能夠處于監測狀態下，有效保障了列車運行的安全性。同時，應用這項技術時還能夠將系統風險控制在最小范圍，促使列車運行更加可靠。另外，該技術的應用也解決了資源耗量過大的問題，縮減了成本支出。但是，針對以上提出的全雙工技術中存在的問題，還須加大研究力度，促使其在鐵路通信中發揮更大的作用。

4.3 異構網絡

當前，數據業務的需求量持續增加，且增幅度較大，使當前的無線通信面臨著一定挑戰。通過密集異構網絡能夠解決這一問題。它的覆蓋范圍較大，能夠提升系統容量。估測結果顯示，無線網絡未來不同站點之間的密度將會是現在的10倍左右，且不同站點之間的距離將會越來越小，甚至在10 m以內.這增加了限定范圍內的用戶數量，且每個節點都有對應的用戶[7]。同時，這項技術能夠有效提升頻譜效率和系統容量，進而增強系統的靈活性。另外，網絡中不同技術之間通常會存在一定干擾，進而導致系統性能受損，因此還須進一步研究。此外，這項技術的應用能夠降低網絡維護成本，但還需要實現多層次的統一與聯合，進而使技術的配置更加合理。當前，鐵路通信在科學技術的推動下將逐步實現智能化，因此終端設備的性能與質量必須在現有基礎上有所提升。超密集密度網絡能夠覆蓋較大范圍，且能夠使系統功能更加完善，可將其運用于鐵路通信系統，促使鐵路設備運行更加可靠。這項技術的應用也使得系統各項參數的配置更加合理，確保各項技術能夠同時應用于系統，進而滿足不同用戶的需求。

4.4 多載波技術

OFDM系統的頻譜利用率相對較高，但在信道的影響下干擾較為嚴重。為了解決這一問題，需要進行保護間隔的插入，延遲信息發送時間。然而，這種處理方式雖然能夠解決干擾問題，但將嚴重影響子載波，因此使得問題處理僅局限于符號內部，而沒有擴大到子載波層面，并不具有可行性。與OFDM相比，多載波技術能夠將子載波的干擾問題控制在最小范圍，且不需要系統開銷，自然能夠有效提升頻譜效率。目前，鐵路通信急需解決的問題是頻譜效率和干擾問題。因此，可將多載波技術應用于其中，滿足不同頻率的要求，且適當增加信道數量[8]，使系統中較為復雜的問題通過計算盡快得到處理。多載波技術主要通過濾波器實現，要求在設計時必須充分考慮鐵路的業務需求，不斷調整設計方案，確保系統的運行能夠更加可靠和安全，提高系統處理各項業務的效率。5G時代全面到來后，濾波器的功能將會更加完善，將促使鐵路通信系統的性能更好，系統指標更加清晰，各項先進技術的應用更加合理。

5 基于5G的高速鐵路移動通信技術

第一，無線信道建模。目前，高速鐵路對散射環境的要求較為簡單，LOS特征較為顯著，意味著通信環境比較優質。另外，移動速度過快會增強多普勒頻移，但LOS可有效控制這一問題。第二，分布式網絡和云架構。當前，網絡基站的資源使用率較低，為了確保鐵路運行足夠安全，應采取間隔發車的方式，有效減少同一線路的列車數量，進而控制資源浪費問題。云無線接入網絡架構對于這一問題的處理具有重要作用，能夠將集中基站的公用資源轉移至某一基帶，進而集中控制資源。第三，控制面和用戶面分離。通常情況下，服務基站與接入用戶之間存在兩個平面的連接。控制面用于指令的控制，而用戶面則處理業務數據的傳輸。如果控制面的覆蓋范圍足夠大，就能夠保障用戶的移動性。在此過程中，如果需要考慮成本問題，也可采用LTE-R遺留頻段的方法。另外，還應在高頻段處放置數據的承載者，有效擴充系統容量。第四，異構網技術。系統容量的增加可通過頻譜效率的增強來實現，但系統寬帶更易發揮作用。目前，在擴充系統容量過程中主要采用非許可證頻段。該技術的協調方案容易受到干擾。為了避免出現這類問題，首先必須進行信道質量檢測，其次進行信道篩選，最后選擇出滿足最低要求的信道。第五，多天線技術。該技術的應用能夠改變不同天線陣列間的關聯性，之后LOS在高速鐵路的環境下就可有效擴充系統容量，但越區切換將直接影響列車運行的安全性。因此，需要采用分布式天線技術，有效減少切換次數。

6 結 語

總而言之，5G技術最突出的優勢在于能夠展現多項技術的優勢，促使問題高效處理。5G技術的優勢對于鐵路通信來說十分適用，能夠有效提升傳輸網的效率，及時處理故障，使系統運行更加穩定、安全。

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