5G無線通信在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

2022第4卷第2期·電子通信與計算機(jī)科學(xué)5G無線通信在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探討李星宇1李媛媛2李海龍3張中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司工電檢測所遼寧沈陽110001摘要：我國進(jìn)入到5G時代后，傳統(tǒng)帶寬在移動互聯(lián)的作用下有了明顯變化，直接改善了時延、大量終端接入等問題，體現(xiàn)出智能感應(yīng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等諸多優(yōu)勢，整合成為萬三的服務(wù)體系。鐵路網(wǎng)絡(luò)不斷完善的現(xiàn)代，鐵路運(yùn)輸與生產(chǎn)離不開鐵路通信系統(tǒng)的作用，應(yīng)用5G無線通信技術(shù)，有利于行車安全、運(yùn)輸效率的提升。所以，下面針對5G無線通信與該技術(shù)在鐵路通信技術(shù)中的應(yīng)用展開討論。引言：在5G時代，移動互聯(lián)的能力突破了傳統(tǒng)帶寬的限制，時延或大量終端的接入能力等問題得到根本解決，能夠把智能感應(yīng)、大數(shù)據(jù)和智能學(xué)習(xí)的能力充分發(fā)揮出來，并整合這些能力，形成強(qiáng)大的服務(wù)體系。隨著我國鐵路技術(shù)的不斷進(jìn)步及其在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，對鐵路通信系統(tǒng)提出新的要求。如果結(jié)合5G特點并利用其關(guān)鍵技術(shù)，將能夠滿足其不斷發(fā)展的需求，更加有效地保障行車安全，提高運(yùn)輸效率。15G無線通信概述5G是一個真正意義上的的融合網(wǎng)絡(luò)，這個融合統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將提供人與人、人與物、物與物之間高速、安全、自由的連接，這種席卷而來的融合力也在移動通信技術(shù)領(lǐng)域逐步顯現(xiàn)；5G無線通信技術(shù)的基本特點是：高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延、萬物互聯(lián)和重構(gòu)安全體系；5G旨在解決高速率、低延時通信、海量互聯(lián)、智慧城市建設(shè)等方面的技術(shù)問題，如果說4G改變了人們生活的話，那么5G的到來將改變我們的社會，也就是說，這種新的改變，無論廣度還是深度都要深刻得多；5G不是一項技術(shù)，而是由大量技術(shù)形成了一個綜合體系，這些技術(shù)將在5G建設(shè)過程中不斷完善[1]。2鐵路通信常見的5G無線通信技術(shù)2.1超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)鐵路通信系統(tǒng)始終面臨帶寬的問題，要想擴(kuò)大帶寬，5G無線通信直接利用28GHz-32GHz頻率，即毫米波便可達(dá)到該目的。毫米波本身穿透能力有限，若鐵路通信應(yīng)用毫米波頻率，那么便不能穿透障礙，要建設(shè)大量微基站，而且所有微基站網(wǎng)絡(luò)要密集部署。采用密集部署方式設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，將終端、節(jié)點距離更近，有利于提高網(wǎng)絡(luò)功率、頻譜效率。5G無線通信涉及“異構(gòu)”的概念，5G無線通信面對不同結(jié)構(gòu)，往往要采取相應(yīng)措施維持系統(tǒng)性能的發(fā)揮，而且要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中各個業(yè)務(wù)的作用，所有節(jié)點之間協(xié)調(diào)、選擇網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能配置也是十分有效的方法。不同網(wǎng)絡(luò)整合成為體系，即超密集異構(gòu)。盡管超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是5G無線通信相對重要的技術(shù)，而且在通信傳輸方面有極大的空間，然而也難免會存在一些不足，例如節(jié)點之間排列過于緊密，大致彼此之間的距離十分有限，通信系統(tǒng)運(yùn)行也會面臨一些問題。因為相同種類的無線接入會面臨同頻干擾，或者不同種類無線接入之后引發(fā)分層干擾。針對以上問題，需要在今后鐵路通信系統(tǒng)完善與創(chuàng)新的過程中，進(jìn)一步探討5G無線通信傳輸。系統(tǒng)內(nèi)部用戶部署節(jié)點，產(chǎn)生干擾圖樣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，所以這也是今后超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用需要注意的問題[2]。2.2邊緣計算技術(shù)隨著鐵路通信系統(tǒng)大寬帶業(yè)務(wù)的拓寬，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬面臨一定的影響，需要在系統(tǒng)運(yùn)行中總結(jié)可行的解決方案，可以降低對傳輸帶寬的需求。移動邊緣計算技術(shù)（MobileEdgeComputing，MEC）作為5G無線通信技術(shù)之一，在鐵路通信系統(tǒng)中也有相對普遍的應(yīng)用。移動邊緣計算的重點在于移動網(wǎng)邊緣IT服務(wù)，通過強(qiáng)大的云計算、人工智能功能，最大限度地靠近移動用戶，可以縮短因網(wǎng)絡(luò)操作、服務(wù)交付導(dǎo)致的時延。除此之外，移動邊緣計算技術(shù)為邊緣網(wǎng)絡(luò)賦予處理各項業(yè)務(wù)的技能，下沉內(nèi)容、應(yīng)用可以達(dá)到降低時延的目的。基于鐵路通信系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)移動邊緣計算將原本移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)彼此分離的問題解決，業(yè)務(wù)平臺下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，此時移動用戶遵循就近原則，便可以享受到業(yè)務(wù)計算、數(shù)據(jù)緩存功能。使用移動邊緣計算技術(shù)，系統(tǒng)中的各項業(yè)務(wù)支持本地化處理，內(nèi)容直接在本地緩存，降低理想時延至毫秒級。邊緣計算技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中屬于全新部署規(guī)劃，利用小型數(shù)據(jù)中心、緩存計算處理節(jié)點，將各項業(yè)務(wù)部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，連接移動設(shè)備、傳感器、用戶之后，系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也會有所有降低，進(jìn)而縮短數(shù)據(jù)傳輸時延。比如車聯(lián)網(wǎng)具備業(yè)務(wù)控制、數(shù)據(jù)傳輸功能，而且這兩項功能對實時性的要求非常高，若數(shù)據(jù)分析、控制邏輯集中于云端，那么業(yè)務(wù)實時性要求很難達(dá)到。另外，邊緣計算技術(shù)具有流量卸載功能，通過移動終端便可以直接按照應(yīng)用進(jìn)行判斷，根據(jù)時延容忍性、處理水平、能耗等，判斷流量卸載的必要性。流量卸載之后計算密集型、時延敏感型應(yīng)用的處理便可以直接在邊緣計算平臺上進(jìn)行，如果時延、回程鏈路負(fù)載均滿足規(guī)范，那么計算密集型應(yīng)用卸載可以直接到核心網(wǎng)絡(luò)，從而獲取更為充足的計算資源[3]。2.3同時同頻全雙工技術(shù)無線通信設(shè)備時間頻率一致，無線信號的發(fā)射、接收也可以同步進(jìn)行，即為同時同頻全雙工技術(shù)，該技術(shù)有利于提升無線通信線路頻譜利用率。5G無線通信中的同時同頻全雙工技術(shù)，深入開發(fā)無線頻譜資源，但發(fā)射與接收信號的終端存在頻率方面的差異，所以在傳輸過程中可能會面臨自干擾，這也是5G通信傳輸?shù)挠绊懸蛩亍Ｒ话銜孟嗷サ窒@一措施，將全雙工技術(shù)運(yùn)用于5G無線傳輸，解決信號自干擾問題。不同模擬端之間存在互相干擾，將這種干擾及時消除，或者消除數(shù)字端部分干擾信號，整合之后也可以解決自干擾問題。3鐵路通信系統(tǒng)中的5G無線通信運(yùn)用3.1改善鐵路移動通信系統(tǒng)功能現(xiàn)階段我國鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）在各項先進(jìn)技術(shù)的支持下，已經(jīng)具備信息傳遞功能，例如調(diào)度通信、傳輸無線機(jī)車信號與列尾裝置信息、區(qū)間移動公務(wù)通信、旅客列車移動信息。然而，當(dāng)前運(yùn)行的GSM-R系統(tǒng)依然是以語音通信、數(shù)據(jù)通信等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)為主，移動終端和基站之間的傳輸速率還有很大提升空間，這與鐵路通信高速率要求不符。我國鐵路行業(yè)進(jìn)入到高速發(fā)展階段，尤其是高速鐵路、客運(yùn)專線鐵路，在通信系統(tǒng)建設(shè)中，同時要達(dá)到安全性、高效性的要求，組建更為完善的運(yùn)營模式，當(dāng)然這也對鐵路通信系統(tǒng)性能提出更加嚴(yán)格的要求，今后鐵路通信系統(tǒng)建設(shè)，也會以5G無線通信為主，移動終端數(shù)量更多，智能調(diào)度與視頻監(jiān)控功能得到普及，成為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)，利用鐵路通信系統(tǒng)傳輸高清視頻、圖像。5G無線通信在鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用，憑借同時同頻全雙工技術(shù)、超密集異構(gòu)技術(shù)、邊緣計算技術(shù)等，也能夠滿足今后鐵路通信不斷涌現(xiàn)的新功能、業(yè)務(wù)與應(yīng)用場景要求，而且促使鐵路行車、信息傳輸、運(yùn)營穩(wěn)定性得到提升[4]。3.2提高車—車通信機(jī)制運(yùn)行效率鐵路列車自動駕駛系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)條件是不同車輛進(jìn)行信息交互，若始終沿用“車—地—車”通信鏈路，需要配置的設(shè)備數(shù)量比較多，而且系統(tǒng)接口、結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，列車運(yùn)行在中心設(shè)備這一層間有比較大的依賴性。列車自動駕駛控制系統(tǒng)級別提高之后，車輛、地面基礎(chǔ)設(shè)備之間通信、車輛之間通信可以同步運(yùn)行。不同通信連接需要的極低時延承載、車輛控制可靠性更高，下達(dá)指令以保證安全行車。雖然下達(dá)的指令無須較大帶寬，如果不同車輛需要交換視頻數(shù)據(jù)，必然要提高傳輸速率。除此之外，高速車輛具有移動性特點，自動駕駛系統(tǒng)務(wù)必要滿足完全覆蓋要求。應(yīng)用5G無線通信，憑借其低時延的優(yōu)勢，鐵路列車自動駕駛水平也將進(jìn)一步提升，而且會達(dá)到節(jié)省運(yùn)營成本的目的。3.3建立健全鐵路智能通信網(wǎng)智能通信網(wǎng)的響應(yīng)速度要求比較高，只有如此才能夠規(guī)避鐵路行車期間出現(xiàn)規(guī)模故障，也不會對運(yùn)輸系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的影響。如果鐵路供電系統(tǒng)突然停電，根據(jù)經(jīng)驗可能是接觸網(wǎng)系統(tǒng)存在故障，這與不可預(yù)測事件有非常密切的聯(lián)系。為了防止大規(guī)模停電導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，而且要保證安全行車，必須提高反應(yīng)與響應(yīng)速度，應(yīng)用5G無線通信，憑借監(jiān)視與控制系統(tǒng)、無線通信優(yōu)化措施，實現(xiàn)列車運(yùn)行的遠(yuǎn)程保護(hù)。另外，對于關(guān)鍵信息進(jìn)行交換、傳輸，也可以利用5G無線通信加強(qiáng)及時性與可靠性。由此可見，5G無線通信具有大量高頻率資源，是鐵路通信系統(tǒng)萬物互聯(lián)、建設(shè)完善智能通信網(wǎng)的必要條件[5]。3.4更加完備的鐵路移動通信系統(tǒng)現(xiàn)有的鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R雖然可以實現(xiàn)調(diào)度通信、列尾裝置信息傳送、無線機(jī)車信號和調(diào)車監(jiān)控信息傳輸、機(jī)車同步操作信息傳輸、列車控制數(shù)據(jù)傳輸、區(qū)間移動公務(wù)通信、應(yīng)急指揮通信話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、旅客列車移動信息服務(wù)等信息傳遞功能。但是，現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)主要提供語音通信和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，且移動終端到基站的傳輸速率很低，不能滿足高速鐵路通信日益增長的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?；隨著鐵路大發(fā)展，特別是高速鐵路和客運(yùn)專線鐵路安全、快速、高效的運(yùn)營模式對鐵路通信網(wǎng)提出了越來越高的要求，未來鐵路移動通信網(wǎng)中移動終端的數(shù)量將成倍數(shù)增長；且隨著智能調(diào)度的推出以及視頻監(jiān)控在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，鐵路移動通信系統(tǒng)需要傳輸大量的視頻2022第4卷第2期·電子通信與計算機(jī)科學(xué)和圖像信息。5G無線通信系統(tǒng)的全雙工技術(shù)、超密集異構(gòu)技術(shù)，以及在GSM-R系統(tǒng)中采用移動軟交換等技術(shù)，能夠滿足未來不斷涌現(xiàn)的新功能、新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景需求，保證鐵路行車安全，提高運(yùn)營效力。結(jié)束語綜上所述，5G無線通信是現(xiàn)階段我國鐵路通信系統(tǒng)建設(shè)與完善的關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮5G無線通信作用，可以提高鐵路行車、調(diào)度等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，在原有鐵路通