鐵路通信系統(tǒng)5G無(wú)線通信應(yīng)用

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摘要：為了提高鐵路通信系統(tǒng)運(yùn)行效率，分析5g無(wú)線通信在系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先介紹5G無(wú)線通信，分析鐵路通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的5G無(wú)線通信技術(shù)，最后立足于改善鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)功能、提高車—車通信機(jī)制運(yùn)行效率、建立健全鐵路智能通信網(wǎng)三個(gè)方面，提出5G無(wú)線通信的應(yīng)用建議，旨在完善鐵路通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：5G無(wú)線通信；鐵路通信系統(tǒng)；超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；邊緣計(jì)算技術(shù)

我國(guó)進(jìn)入到5G時(shí)代后，傳統(tǒng)帶寬在移動(dòng)互聯(lián)的作用下有了明顯變化，直接改善了時(shí)延、大量終端接入等問(wèn)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(shì)，整合成為萬(wàn)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(kāi)鐵路通信系統(tǒng)的作用，應(yīng)用5G無(wú)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(duì)5G無(wú)線通信與該技術(shù)在鐵路通信技術(shù)中的應(yīng)用展開(kāi)討論。

15G無(wú)線通信概述

鐵路通信主要表現(xiàn)在信息承載和調(diào)度通信兩個(gè)方面，其中涉及的內(nèi)容比較多，例如行車指揮、列車控制與安全防范等。現(xiàn)階段鐵路專用移動(dòng)通信是以450MHz無(wú)線列調(diào)、900MHzCSM-R系統(tǒng)為主[1]。隨著5G無(wú)線通信技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，相比之前應(yīng)用的通信技術(shù)，速度更快、功耗與時(shí)延更低，而且具有泛在網(wǎng)、萬(wàn)物互聯(lián)、重構(gòu)安全體系的功能。在鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用，5G無(wú)線通信可以將通信速率、延時(shí)通信、海量互聯(lián)等諸多領(lǐng)域存在的問(wèn)題解決，組建更加完善的綜合通信體系。

2鐵路通信常見(jiàn)的5G無(wú)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(wèn)題，要想擴(kuò)大帶寬，5G無(wú)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(diǎn)距離更近，有利于提高網(wǎng)絡(luò)功率、頻譜效率。5G無(wú)線通信涉及“異構(gòu)”的概念，5G無(wú)線通信面對(duì)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(gè)業(yè)務(wù)的作用，所有節(jié)點(diǎn)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(wú)線通信相對(duì)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(huì)存在一些不足，例如節(jié)點(diǎn)之間排列過(guò)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(huì)面臨一些問(wèn)題[2]。因?yàn)橄嗤N類的無(wú)線接入會(huì)面臨同頻干擾，或者不同種類無(wú)線接入之后引發(fā)分層干擾。針對(duì)以上問(wèn)題，需要在今后鐵路通信系統(tǒng)完善與創(chuàng)新的過(guò)程中，進(jìn)一步探討5G無(wú)線通信傳輸。系統(tǒng)內(nèi)部用戶部署節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生干擾圖樣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)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(wèn)題。

2.2邊緣計(jì)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(duì)傳輸帶寬的需求。移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)（MobileEdgeComputing，MEC）作為5G無(wú)線通信技術(shù)之一，在鐵路通信系統(tǒng)中也有相對(duì)普遍的應(yīng)用。移動(dòng)邊緣計(jì)算的重點(diǎn)在于移動(dòng)網(wǎng)邊緣IT服務(wù)，通過(guò)強(qiáng)大的云計(jì)算、人工智能功能，最大限度地靠近移動(dòng)用戶，可以縮短因網(wǎng)絡(luò)操作、服務(wù)交付導(dǎo)致的時(shí)延。除此之外，移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)為邊緣網(wǎng)絡(luò)賦予處理各項(xiàng)業(yè)務(wù)的技能，下沉內(nèi)容、應(yīng)用可以達(dá)到降低時(shí)延的目的?；阼F路通信系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)邊緣計(jì)算將原本移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)彼此分離的問(wèn)題解決，業(yè)務(wù)平臺(tái)下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，此時(shí)移動(dòng)用戶遵循就近原則，便可以享受到業(yè)務(wù)計(jì)算、數(shù)據(jù)緩存功能。使用移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)，系統(tǒng)中的各項(xiàng)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(shí)延至毫秒級(jí)。邊緣計(jì)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(jì)算處理節(jié)點(diǎn)，將各項(xiàng)業(yè)務(wù)部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，連接移動(dòng)設(shè)備、傳感器、用戶之后，系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也會(huì)有所有降低，進(jìn)而縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(xiàng)功能對(duì)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求很難達(dá)到。另外，邊緣計(jì)算技術(shù)具有流量卸載功能，通過(guò)移動(dòng)終端便可以直接按照應(yīng)用進(jìn)行判斷，根據(jù)時(shí)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(jì)算密集型、時(shí)延敏感型應(yīng)用的處理便可以直接在邊緣計(jì)算平臺(tái)上進(jìn)行，如果時(shí)延、回程鏈路負(fù)載均滿足規(guī)范，那么計(jì)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(jì)算資源[3]。

2.3同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

無(wú)線通信設(shè)備時(shí)間頻率一致，無(wú)線信號(hào)的發(fā)射、接收也可以同步進(jìn)行，即為同時(shí)同頻全雙工技術(shù)，該技術(shù)有利于提升無(wú)線通信線路頻譜利用率。5G無(wú)線通信中的同時(shí)同頻全雙工技術(shù)，深入開(kāi)發(fā)無(wú)線頻譜資源，但發(fā)射與接收信號(hào)的終端存在頻率方面的差異，所以在傳輸過(guò)程中可能會(huì)面臨自干擾，這也是5G通信傳輸?shù)挠绊懸蛩?。一般?huì)利用相互抵消這一措施，將全雙工技術(shù)運(yùn)用于5G無(wú)線傳輸，解決信號(hào)自干擾問(wèn)題。不同模擬端之間存在互相干擾，將這種干擾及時(shí)消除，或者消除數(shù)字端部分干擾信號(hào)，整合之后也可以解決自干擾問(wèn)題。

3鐵路通信系統(tǒng)中的5G無(wú)線通信運(yùn)用

3.1改善鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)功能

現(xiàn)階段我國(guó)鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）在各項(xiàng)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(wú)線機(jī)車信號(hào)與列尾裝置信息、區(qū)間移動(dòng)公務(wù)通信、旅客列車移動(dòng)信息[4]。然而，當(dāng)前運(yùn)行的GSM-R系統(tǒng)依然是以語(yǔ)音通信、數(shù)據(jù)通信等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)為主，移動(dòng)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(guó)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(shí)要達(dá)到安全性、高效性的要求，組建更為完善的運(yùn)營(yíng)模式，當(dāng)然這也對(duì)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(huì)以5G無(wú)線通信為主，移動(dòng)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(wú)線通信在鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用，憑借同時(shí)同頻全雙工技術(shù)、超密集異構(gòu)技術(shù)、邊緣計(jì)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(chǎng)景要求，而且促使鐵路行車、信息傳輸、運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性得到提升。

3.2提高車—車通信機(jī)制運(yùn)行效率

鐵路列車自動(dòng)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(dòng)駕駛控制系統(tǒng)級(jí)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(shí)延承載、車輛控制可靠性更高，下達(dá)指令以保證安全行車[5]。雖然下達(dá)的指令無(wú)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(dòng)性特點(diǎn)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)務(wù)必要滿足完全覆蓋要求。應(yīng)用5G無(wú)線通信，憑借其低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，鐵路列車自動(dòng)駕駛水平也將進(jìn)一步提升，而且會(huì)達(dá)到節(jié)省運(yùn)營(yíng)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(huì)對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)帶來(lái)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(yàn)可能是接觸網(wǎng)系統(tǒng)存在故障，這與不可預(yù)測(cè)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(wú)線通信，憑借監(jiān)視與控制系統(tǒng)、無(wú)線通信優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的遠(yuǎn)程保護(hù)。另外，對(duì)于關(guān)鍵信息進(jìn)行交換、傳輸，也可以利用5G無(wú)線通信加強(qiáng)及時(shí)性與可靠性。由此可見(jiàn)，5G無(wú)線通信具有大量高頻率資源，是鐵路通信系統(tǒng)萬(wàn)物互聯(lián)、建設(shè)完善智能通信網(wǎng)的必要條件。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，5G無(wú)線通信是現(xiàn)階段我國(guó)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(wú)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?，在原有鐵路通信系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，使鐵路通信系統(tǒng)建設(shè)符合5G時(shí)展要求，在今后通信系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中也可以明確5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

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作者：袁曉莉 單位：中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司