鐵路通信系統5G無線通信應用

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摘要：為了提高鐵路通信系統運行效率，分析5g無線通信在系統中的應用。首先介紹5G無線通信，分析鐵路通信系統中常見的5G無線通信技術，最后立足于改善鐵路移動通信系統功能、提高車—車通信機制運行效率、建立健全鐵路智能通信網三個方面，提出5G無線通信的應用建議，旨在完善鐵路通信系統。

關鍵詞：5G無線通信；鐵路通信系統；超密集異構網絡技術；邊緣計算技術

我國進入到5G時代后，傳統帶寬在移動互聯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，體現出智能感應與大數據技術等諸多優勢，整合成為萬三的服務體系。鐵路網絡不斷完善的現代，鐵路運輸與生產離不開鐵路通信系統的作用，應用5G無線通信技術，有利于行車安全、運輸效率的提升。所以，下面針對5G無線通信與該技術在鐵路通信技術中的應用展開討論。

15G無線通信概述

鐵路通信主要表現在信息承載和調度通信兩個方面，其中涉及的內容比較多，例如行車指揮、列車控制與安全防范等。現階段鐵路專用移動通信是以450MHz無線列調、900MHzCSM-R系統為主[1]。隨著5G無線通信技術的出現與應用，相比之前應用的通信技術，速度更快、功耗與時延更低，而且具有泛在網、萬物互聯、重構安全體系的功能。在鐵路通信系統中應用，5G無線通信可以將通信速率、延時通信、海量互聯等諸多領域存在的問題解決，組建更加完善的綜合通信體系。

2鐵路通信常見的5G無線通信技術

2.1超密集異構網絡技術

鐵路通信系統始終面臨帶寬的問題，要想擴大帶寬，5G無線通信直接利用28GHz-32GHz頻率，即毫米波便可達到該目的。毫米波本身穿透能力有限，若鐵路通信應用毫米波頻率，那么便不能穿透障礙，要建設大量微基站，而且所有微基站網絡要密集部署。采用密集部署方式設置網絡，將終端、節點距離更近，有利于提高網絡功率、頻譜效率。5G無線通信涉及“異構”的概念，5G無線通信面對不同結構，往往要采取相應措施維持系統性能的發揮，而且要體現在網絡中各個業務的作用，所有節點之間協調、選擇網絡、節能配置也是十分有效的方法。不同網絡整合成為體系，即超密集異構。盡管超密集異構網絡技術是5G無線通信相對重要的技術，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，通信系統運行也會面臨一些問題[2]。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分層干擾。針對以上問題，需要在今后鐵路通信系統完善與創新的過程中，進一步探討5G無線通信傳輸。系統內部用戶部署節點，產生干擾圖樣、拓撲結構的動態變化，所以這也是今后超密集異構網絡技術應用需要注意的問題。

2.2邊緣計算技術

隨著鐵路通信系統大寬帶業務的拓寬，網絡傳輸帶寬面臨一定的影響，需要在系統運行中總結可行的解決方案，可以降低對傳輸帶寬的需求。移動邊緣計算技術（MobileEdgeComputing，MEC）作為5G無線通信技術之一，在鐵路通信系統中也有相對普遍的應用。移動邊緣計算的重點在于移動網邊緣IT服務，通過強大的云計算、人工智能功能，最大限度地靠近移動用戶，可以縮短因網絡操作、服務交付導致的時延。除此之外，移動邊緣計算技術為邊緣網絡賦予處理各項業務的技能，下沉內容、應用可以達到降低時延的目的。基于鐵路通信系統的運行現狀，發現移動邊緣計算將原本移動通信系統網絡、業務彼此分離的問題解決，業務平臺下沉至網絡邊緣，此時移動用戶遵循就近原則，便可以享受到業務計算、數據緩存功能。使用移動邊緣計算技術，系統中的各項業務支持本地化處理，內容直接在本地緩存，降低理想時延至毫秒級。邊緣計算技術在鐵路通信系統中屬于全新部署規劃，利用小型數據中心、緩存計算處理節點，將各項業務部署到網絡邊緣，連接移動設備、傳感器、用戶之后，系統核心網絡負載也會有所有降低，進而縮短數據傳輸時延。比如車聯網具備業務控制、數據傳輸功能，而且這兩項功能對實時性的要求非常高，若數據分析、控制邏輯集中于云端，那么業務實時性要求很難達到。另外，邊緣計算技術具有流量卸載功能，通過移動終端便可以直接按照應用進行判斷，根據時延容忍性、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、時延敏感型應用的處理便可以直接在邊緣計算平臺上進行，如果時延、回程鏈路負載均滿足規范，那么計算密集型應用卸載可以直接到核心網絡，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

無線通信設備時間頻率一致，無線信號的發射、接收也可以同步進行，即為同時同頻全雙工技術，該技術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，深入開發無線頻譜資源，但發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通信傳輸的影響因素。一般會利用相互抵消這一措施，將全雙工技術運用于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鐵路通信系統中的5G無線通信運用

3.1改善鐵路移動通信系統功能

現階段我國鐵路數字移動通信系統（GSM-R）在各項先進技術的支持下，已經具備信息傳遞功能，例如調度通信、傳輸無線機車信號與列尾裝置信息、區間移動公務通信、旅客列車移動信息[4]。然而，當前運行的GSM-R系統依然是以語音通信、數據通信等基礎業務為主，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。我國鐵路行業進入到高速發展階段，尤其是高速鐵路、客運專線鐵路，在通信系統建設中，同時要達到安全性、高效性的要求，組建更為完善的運營模式，當然這也對鐵路通信系統性能提出更加嚴格的要求，今后鐵路通信系統建設，也會以5G無線通信為主，移動終端數量更多，智能調度與視頻監控功能得到普及，成為列車運行控制系統的主要業務，利用鐵路通信系統傳輸高清視頻、圖像。5G無線通信在鐵路通信系統中應用，憑借同時同頻全雙工技術、超密集異構技術、邊緣計算技術等，也能夠滿足今后鐵路通信不斷涌現的新功能、業務與應用場景要求，而且促使鐵路行車、信息傳輸、運營穩定性得到提升。

3.2提高車—車通信機制運行效率

鐵路列車自動駕駛系統運行的基礎條件是不同車輛進行信息交互，若始終沿用“車—地—車”通信鏈路，需要配置的設備數量比較多，而且系統接口、結構也非常復雜，列車運行在中心設備這一層間有比較大的依賴性。列車自動駕駛控制系統級別提高之后，車輛、地面基礎設備之間通信、車輛之間通信可以同步運行。不同通信連接需要的極低時延承載、車輛控制可靠性更高，下達指令以保證安全行車[5]。雖然下達的指令無須較大帶寬，如果不同車輛需要交換視頻數據，必然要提高傳輸速率。除此之外，高速車輛具有移動性特點，自動駕駛系統務必要滿足完全覆蓋要求。應用5G無線通信，憑借其低時延的優勢，鐵路列車自動駕駛水平也將進一步提升，而且會達到節省運營成本的目的。

3.3建立健全鐵路智能通信網

智能通信網的響應速度要求比較高，只有如此才能夠規避鐵路行車期間出現規模故障，也不會對運輸系統帶來嚴重的影響。如果鐵路供電系統突然停電，根據經驗可能是接觸網系統存在故障，這與不可預測事件有非常密切的聯系。為了防止大規模停電導致嚴重的后果，而且要保證安全行車，必須提高反應與響應速度，應用5G無線通信，憑借監視與控制系統、無線通信優化措施，實現列車運行的遠程保護。另外，對于關鍵信息進行交換、傳輸，也可以利用5G無線通信加強及時性與可靠性。由此可見，5G無線通信具有大量高頻率資源，是鐵路通信系統萬物互聯、建設完善智能通信網的必要條件。

4結束語

綜上所述，5G無線通信是現階段我國鐵路通信系統建設與完善的關鍵技術，充分發揮5G無線通信作用，可以提高鐵路行車、調度等關鍵信息數據傳輸的效率，在原有鐵路通信系統功能的基礎上進行完善，使鐵路通信系統建設符合5G時展要求，在今后通信系統建設過程中也可以明確5G技術的優勢。

參考文獻

[1]藺偉，李毅，姜博，等.2100MHz頻段鐵路5G專網電磁兼容特性研究[J].中國鐵路，2020（11）：22-28.

[2]何笛麗.5G在鐵路信號控制系統上的應用研究[J].數字通信世界，2020（05）：60-61.

[3]王莉，張宇.淺析基于5G技術的鐵路站房安防系統[J].智能城市，2020（14）.

[4]陜斌煜.基于5G信號覆蓋的鐵路無線通信異常斷點自動識別方法[J].自動化與儀器儀表，2020（2）：53-56.

[5]王大成，王銳.淺談5G環境下的高速鐵路通信系統應用探索[J].數碼設計（下），2019（12）：274-275.

作者：袁曉莉 單位：中國鐵路設計集團有限公司