5G環(huán)境下的高速鐵路通信系統(tǒng)應(yīng)用研究

◇中國鐵路信息科技集團(tuán)有限公司 邢雅娟 樂建煒

本文基于對(duì)高速鐵路通信發(fā)展現(xiàn)狀分析，進(jìn)一步結(jié)合高速鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用的5G技術(shù)，以二者為基礎(chǔ)討論，剖析在5G技術(shù)環(huán)境下高速鐵路通信系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用，并就如何突破當(dāng)前高鐵通信系統(tǒng)瓶頸進(jìn)行探討。

在當(dāng)前逐步完善的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)背景下，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從根本上解決了4G中網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和接入大量終端閾值等問題，突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，充分發(fā)揮了云數(shù)據(jù)、智能感應(yīng)和AI智能學(xué)習(xí)等功能優(yōu)勢(shì)。2012年，國際電信聯(lián)盟提出了5G網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場(chǎng)景：超高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）、增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）以及大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）。5G低于1ms時(shí)延相較之4G網(wǎng)絡(luò)中30ms-70ms時(shí)延有巨大突破和優(yōu)勢(shì)，其最主要優(yōu)勢(shì)為數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延方面，其數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)10Gb/s。2020年更新的R16版本，更是完善了5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)切片功能，滿足了物聯(lián)網(wǎng)與車聯(lián)網(wǎng)的高可靠性業(yè)務(wù)需求，為鐵路智能管理和通信技術(shù)創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 高速鐵路通信的發(fā)展與現(xiàn)狀分析

1.1 高速鐵路通信的發(fā)展歷程

自2008年，我國開通京津城際高速鐵路之后，其得以飛速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)里程在2018年發(fā)展至25000公里。目前，鐵路運(yùn)輸在我國物流貨運(yùn)量中占比超過70%，在整體客運(yùn)量中占比超過50%。盡管我國幅員遼闊、地理形勢(shì)復(fù)雜，但高鐵部門在不斷突破和努力下攻克了許多難關(guān)，例如2012年開通的哈大高鐵和2014年開通的蘭新高鐵，突破了季節(jié)溫差對(duì)鐵路基軌鋪設(shè)影響及風(fēng)速對(duì)行駛影響等問題。伴隨著我國鐵路不斷發(fā)展，作為其重要組成部分之一的移動(dòng)通信也成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。2018年，鐵路部門首次將自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)用于京沈高鐵上，至此開啟了我國高鐵智能時(shí)代。隨后，鐵路智能管理系統(tǒng)、監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)及安全防范智能化等通信系統(tǒng)相繼建設(shè)，這些先進(jìn)通信技術(shù)均為我國高鐵通信領(lǐng)域發(fā)展起到了推進(jìn)作用。

1.2 高速鐵路通信的現(xiàn)狀分析

當(dāng)前國際鐵路領(lǐng)域使用較多的通信系統(tǒng)為綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSMR），可實(shí)現(xiàn)對(duì)列車系統(tǒng)的管理、監(jiān)控及調(diào)度。但該系統(tǒng)為乘客于列車上連接網(wǎng)絡(luò)和通訊同化方面的體驗(yàn)設(shè)計(jì)不完善，乘客使用的便攜通信設(shè)備無法接入專用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。并且，GSM-R在高速數(shù)據(jù)傳輸方面也逐漸無法滿足鐵路通信發(fā)展需求。當(dāng)列車進(jìn)入不同通信基站范圍時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換網(wǎng)絡(luò)。在高鐵列車時(shí)速高達(dá)350Km的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換的頻率為6s次，不僅切換過于頻繁不利于乘客擁有良好的網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)，并且當(dāng)前技術(shù)無法確保切換過程的穩(wěn)定性。

伴隨著第四代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展，高鐵通信普遍依托于4G網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是由于列車運(yùn)動(dòng)速度過快，在多普勒效應(yīng)（Doppler Effect）影響下很容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)錯(cuò)位問題，并且盡管4G系統(tǒng)現(xiàn)有的補(bǔ)償算法對(duì)此類負(fù)面效應(yīng)有部分抑制功能，但效率相對(duì)低下。在此背景下，高鐵列車在移動(dòng)通信安全性及可靠性方面有著更高的要求，為了進(jìn)一步滿足乘客的通信需求，以及高鐵自身通信的需要，因此需要建設(shè)與之配套的更高級(jí)別的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以滿足不斷提高的安全性、穩(wěn)性定和可靠性等三方面的通信網(wǎng)絡(luò)要求。

2 5G環(huán)境下的高速鐵路通信系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

依托于邊緣計(jì)算技術(shù)、全雙工技術(shù)及超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三項(xiàng)核心技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)具有低時(shí)延高帶寬的優(yōu)勢(shì)。其中，邊緣計(jì)算技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)就近提供了數(shù)據(jù)緩存能力和業(yè)務(wù)計(jì)算能力，改變了通信網(wǎng)絡(luò)于業(yè)務(wù)分離的狀態(tài)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，使業(yè)務(wù)平臺(tái)下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣；全雙工技術(shù)能夠充分利用和發(fā)掘無線頻譜資源，提高信息傳輸效率和頻率利用率；超密集異構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了組織多種網(wǎng)絡(luò)并形成體系的目的，可以保障5G網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)各種節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)及節(jié)能配置等功能[2]。

2.1 更利于構(gòu)建完備的鐵路移動(dòng)通訊系統(tǒng)

上文中提到的GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)雖實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、機(jī)車同步操作信息船速、旅客列車移動(dòng)信息、區(qū)間移動(dòng)公務(wù)通信、調(diào)度通信、調(diào)車監(jiān)控信心傳輸、列尾裝置信息傳送、應(yīng)急指揮通信話音等功能，但數(shù)據(jù)從基站至移動(dòng)終端傳輸?shù)兀琅f難以滿足日漸提高的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著時(shí)代的發(fā)展，客運(yùn)專線鐵路和高速鐵路運(yùn)營(yíng)模式在快速、安全、高效三方面對(duì)鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的要求愈來愈高，移動(dòng)終端數(shù)量成倍增長(zhǎng)；并且在高速列車智能化發(fā)展的背景下，系統(tǒng)與列車運(yùn)行控制中對(duì)視頻監(jiān)控和智能調(diào)度需要大量數(shù)據(jù)傳輸，5G系統(tǒng)中的超密集異構(gòu)技術(shù)和全雙工技術(shù)能夠有效解決這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題。

2.2 更利于提供完善的旅客通信服務(wù)

為了在列車高速運(yùn)動(dòng)過程中，滿足旅客在日常生活中對(duì)網(wǎng)絡(luò)使用的要求，例如線上會(huì)議、遠(yuǎn)程云辦公、觀看高清視頻等問題，高鐵列車通信的兩項(xiàng)指標(biāo)通常會(huì)設(shè)為端到端時(shí)延和用戶速率。5G系統(tǒng)的低時(shí)延和高帶寬兩個(gè)特性可以滿足兩項(xiàng)指標(biāo)，為高鐵旅客提供良好的網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)。而在客流密集場(chǎng)所，如火車站候車大廳，可以通過建設(shè)車站W(wǎng)i-Fi/5G融合組網(wǎng)的方法解決大客流環(huán)境下進(jìn)行高清視頻通信、高速上網(wǎng)等需求。

2.3 更利于搭建可靠的鐵路應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)

鐵路應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是為了保障鐵路搶修指揮和應(yīng)急運(yùn)輸而建設(shè)的，該系統(tǒng)即便在局部網(wǎng)絡(luò)突發(fā)故障時(shí)也要保持正常通信狀態(tài)。在列車運(yùn)行的緊急情況中，應(yīng)急救援在通信網(wǎng)絡(luò)可靠性方面有嚴(yán)格要求，使用5G技術(shù)可以使鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)功能更完備，其表現(xiàn)為：結(jié)合5G技術(shù)使用北斗導(dǎo)航定位；結(jié)合5G技術(shù)用戶終端的中繼功能，輔助受損網(wǎng)絡(luò)，使用臨時(shí)救援通信節(jié)點(diǎn)保障通信效率和穩(wěn)定性。另外，面對(duì)未來應(yīng)急通信網(wǎng)主的多元需求，5G技術(shù)的高節(jié)點(diǎn)效率和可用性兩項(xiàng)特點(diǎn)可以解決相關(guān)問題。

2.4 更利于建設(shè)高效的車-車通信機(jī)制

車-車通信機(jī)制為一種列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中交互信息傳輸機(jī)制，其運(yùn)行對(duì)中心設(shè)備依賴大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接口復(fù)雜，配置設(shè)備繁多，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，且無人化控制系統(tǒng)需在支持高速列車移動(dòng)情況下達(dá)到全覆蓋的條件。如圖1所示，5G系統(tǒng)低時(shí)延的特性能為該機(jī)制提供了優(yōu)秀的解決方案，有效降低列車運(yùn)行成本。

圖1 4G、5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對(duì)比圖

3 5G環(huán)境下的高速鐵路通信系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

3.1 基于5G系統(tǒng)的輔助式衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用

由于鋪設(shè)鐵路地形復(fù)雜的可能性，列車處于隧道和涵洞等特殊路段時(shí)存在“丟星現(xiàn)象”，衛(wèi)星信號(hào)遮蔽和反射功能易受影響，將產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。為了提高衛(wèi)星信號(hào)接收速度和靈敏度，需要移動(dòng)通信系統(tǒng)提供輔助。5G系統(tǒng)特性可以使列車接受并且利用衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，高效查詢衛(wèi)星信息，在列車發(fā)出定位請(qǐng)求情況下準(zhǔn)確獲得衛(wèi)星信息，解算列車位置信息。

3.2 基于5G系統(tǒng)的高速鐵路智能管控系統(tǒng)應(yīng)用

5G通信系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等方面存在技術(shù)性的突破和發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行中智能管理、集中管理及智能調(diào)度等功能，在高速鐵路通信系統(tǒng)中有著重要作用。5G通信系統(tǒng)的高傳輸速率特性，能夠使高速列車配備的檢測(cè)系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)庫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸路軌狀況等功能，從而對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，預(yù)判并檢測(cè)可能存在的故障，減小列車運(yùn)營(yíng)故障率，從而保障列車運(yùn)行安全。另外，由于5G通信系統(tǒng)連接設(shè)備密度增大，讓列車與路側(cè)配套系統(tǒng)間通信及車到車間通信在端到端時(shí)延為毫秒級(jí)的情況下得以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛化與安全控制。

4 結(jié)束語

綜上所述，5G 技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)在于能夠展現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促使問題高效處理，這對(duì)于鐵路通信來說十分適用。5G通信技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)上的應(yīng)用，將為各車載系統(tǒng)及鐵路運(yùn)營(yíng)管理等眾多系統(tǒng)，提供高可靠、低時(shí)延的無線通信載體，有效地提升傳輸效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。