高速铁路通信系统在5G环境下的应用

赵志博

（中铁建电气化局集团南方公司，湖北 武汉 430000）

0 前言

目前，中国铁路建设事业在科技力量的驱动下，逐渐迎来了全新的发展机遇与挑战。结合当前的发展情况来看，以大数据技术以及云计算技术为主的先进技术已经广泛应用于铁路建设事业当中，尤其是在高速铁路建设体系当中。在上述技术的驱动下，智能化调度、监控以及安全管理俨然成为当下高速铁路的发展方向。2018 年由中国制造的智能高铁在京沈高铁路线正式试行，其中，以自动驾驶系统为主的智能系统被应用于高铁建设体系当中。可以说，无人驾驶将会成为未来高铁行业的目标方向。在这样的发展趋势下，高铁铁路通信系统应该及时解决当前系统稳定性差、承载效果不足的问题，为高铁铁路运行的安全性与稳定性提供内在驱动力。

1 高速铁路通信系统的相关研究

1.1 高速铁路通信系统

高速铁路通信系统基本上可以将其视为高速铁路运输安全的可靠保证。运行过程中，该系统主要肩负保证高速铁路列车行驶安全、管理安全的重要任务。根据当前情况来看，高速铁路通信系统在通信枢纽方面存在距离较远的问题，且通信基站服务布设范围较广，正常运行过程往往会受到不确定因素的影响，而出现风险隐患问题。因此，唯有优化与改进高速铁路通信系统才能够从根本上实现对高速铁路的安全管理。

1.2 发展现状

高速铁路列车具备的智能化特点与无人化特点对铁路移动通信功能及作用效果具有直接影响。基于此，高铁通信系统必须结合高速铁路的发展方向，加强对铁路移动通信系统的可靠管理。近些年来，随着高速铁路的发展与建设，铁路移动通信系统应该结合安全性原则与稳定性原则，满足高铁发展的需求。结合国际发展情况来看，以GSM-R（综合专用数字移动通信系统）为主的系统成为当前高铁通信系统比较常见的类型。从运作效果来看，综合专用数字移动通信系统基本实现了列车调度与监控管理的功能要求，且在满足旅客通信需求方面也比以往有了明显加强。然而，随着智能调度系统与视频监控系统的不断应用，传统技术内容已经无法满足当前高铁通信系统的运作需求，尤其是数据传输需求。

主要体现在旅客在列车上的通信质量不佳，无法实现视频、语音通信等功能。近日，研究人员针对高铁列车通信基站范围及作用效果提出了多种方案措施，目的在于确保通信质量与网络连接之间始终呈现高效率关系。一般来说，通信系统需要每隔6 s 就自动切换一次，但是在切换的过程中，由于高铁运行环境较为复杂，因此在稳定性方面难以得到有效保证。考虑到其他因素的影响，如4G 通信技术系统频率较快，再加上受到多普勒效应的影响，很容易造成信号传输过程的错位传输现象。虽然当前利用补偿算法可以抑制上述不良现象，但是作用效果还是无法达到预期，因此在高铁上如果想实现正常通话或者上网功能还是需要经过一定的努力，才可以达到预期。

2 5G系统

2.1 基本内容

5G 通信技术主要是指第五代移动通信技术，属于一种延续4G 通信技术优势及特点的技术内容[1]。5G 通信技术主要结合移动互联网技术的发展进程作为5G 系统的内在技术支持，基本上为云计算与后台服务的优化发展提供了潜在可能。相较于4G 通信技术，5G 通信技术在应用方面攻克了4G 通信技术的不足，具体表现在2 个方面。1）5G通信技术主动结合物联网技术优势，在拓宽数据传输范围方面取得了突飞猛进的发展。相较于4G 技术而言，5G 通信技术传输速度得到了进一步加强。即便处于不稳定的运行状态下，信息传送量也可以达到常规状态，解决以往4G技术运输不稳定问题。2）5G 通信技术解决了以往移动网络基站覆盖面不足的问题。正式传输过程中，5G 通信技术打破了传统覆盖范围的局限问题，即便不在基站覆盖范围当中，也可以实现数据传输过程。可以说，5G 通信技术的出现与应用，无疑弥补了4G 通信技术的不足，为未来社会生产的进一步发展提供内在驱动力。

2.2 5G通信系统的现状发展

无线移动通信技术历经多代发展，已经从原本的4G 通信技术过渡到5G 通信技术体系当中。早在2012 年，随着第四代通信技术标准践行之后，移动通信行业就已经针对第五代通信技术开展了精细化研究与分析[2]。像三星、联发科等众多厂商都全力针对5G 通信技术芯片研究工作进行充分实践。目前，国内移动运营商、联通运营商以及电信运营商纷纷在一线城市当中建设属于自身的5G 网络试点。

根据当前的情况来看，5G 网络试点预计在明年就可以实现商用。相较于成熟并且广泛应用的4G 通信系统，5G通信系统所具备的低成本、传输速率高等特点，更加适用于当前时代。如图1 所示，5G 通信系统可以支持500 km/h的终端移动速度要求，这一举措的出现与应用进一步促进了高铁通信系统的发展进程，具有非常重要的意义。

3 5G环境下高速铁路通信系统的应用分析

3.1 5G系统下高速铁路智能管控系统的应用分析

具备高传输特点的5G 通信系统在一定程度上可以为列车运行过程提供实时监控保证。通过运用高速铁路列车自带的检测设备，可以实现对高铁列车路轨情况的全面监督与管理，并且可以及时将列车运行过程中涉及的数据内容上传到本地数据库当中。操作人员通过调控系统数据内容，可以针对系统运行过程中存在的故障问题进行精准检测。操作人员可以根据具体问题制定科学、合理的解决措施，以期可以减少高铁列车运行的质量问题。同时，5G 通信系统基于可以实现毫秒级端到端时延的特点，基本上可以进一步强化设备的连接密度，确保列车运行过程安全无误。

3.2 5G系统下乘客用网的应用分析

近些年来，随着移动设备与移动网络的规模化发展，移动设备在线视频观看频率已经超出传统在线视频观看时长。目前，随着移动视频的普及应用，移动视频清晰度已经从原本的标清提升到高清，乃至当前的4K 超清。但是从当前的情况来看，现有的4G 系统难以满足4K 超清的要求，且在带宽稳定性方面也难以达到规定要求。而5G 通信系统的出现与应用无疑是给4K 超清移动视频提供了良好的技术支持。高铁列车上的乘客可以运用5G 网络观看超高清视频，实现通话、监控等功能效果[3]。

3.3 5G系统下辅助式卫星定位系统的应用分析

高铁列车沿线地形特征较为复杂，经常会遇到隧道、树木等，给高铁列车运行质量带来隐患。在这样的发展情况下，卫星信号反射过程容易受到高层建筑物或者树木的影响而出现屏蔽现象。5G 通信系统的出现与应用，使得高铁列车可以借助5G 网络，获取卫星辅助数据，得到具体位置信息。

4 结论

5G 系统凭借自身速率高、稳定性高、时延性低等特点，有效地促进了高速铁路通信系统的全面发展。初步改善了高速铁路通信系统稳定效果差、承载效果不佳以及易受周围因素干扰等问题，促使列车运行过程的网络连接效果、智能化运行效果不断向安全性与稳定性方向发展。根据当前的应用情况来看，5G 系统与Wi-Fi 技术的融合组网措施已经得到良好运用，并且通过卫星导航技术与5G 系统相结合的方式，初步改善了当前高速铁路通信系统存在的运行质量问题。虽然从客观角度上来看，5G 高速铁路通信系统尚未得到广泛推行与使用，但是相信在不久的将来，高速铁路通信系统在5G 环境下势必会得到良好应用。

图1 5G 的传输速度