5G 无线通信及在铁路通信系统中应用探讨

2021-01-12

数字通信世界 2021年4期

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

我国进入到5G 时代后，传统带宽在移动互联的作用下有了明显变化，直接改善了时延、大量终端接入等问题，体现出智能感应与大数据技术等诸多优势，整合成为万三的服务体系。铁路网络不断完善的现代，铁路运输与生产离不开铁路通信系统的作用，应用5G 无线通信技术，有利于行车安全、运输效率的提升。所以，下面针对5G 无线通信与该技术在铁路通信技术中的应用展开讨论。

1 5G 无线通信概述

铁路通信主要表现在信息承载和调度通信两个方面，其中涉及的内容比较多，例如行车指挥、列车控制与安全防范等。现阶段铁路专用移动通信是以450MHz无线列调、900MHz CSM-R 系统为主[1]。随着5G 无线通信技术的出现与应用，相比之前应用的通信技术，速度更快、功耗与时延更低，而且具有泛在网、万物互联、重构安全体系的功能。在铁路通信系统中应用，5G 无线通信可以将通信速率、延时通信、海量互联等诸多领域存在的问题解决，组建更加完善的综合通信体系。

2 铁路通信常见的5G 无线通信技术

2.1 超密集异构网络技术

铁路通信系统始终面临带宽的问题，要想扩大带宽，5G 无线通信直接利用28GHz-32GHz 频率，即毫米波便可达到该目的。毫米波本身穿透能力有限，若铁路通信应用毫米波频率，那么便不能穿透障碍，要建设大量微基站，而且所有微基站网络要密集部署。采用密集部署方式设置网络，将终端、节点距离更近，有利于提高网络功率、频谱效率。

5G 无线通信涉及“异构”的概念，5G 无线通信面对不同结构，往往要采取相应措施维持系统性能的发挥，而且要体现在网络中各个业务的作用，所有节点之间协调、选择网络、节能配置也是十分有效的方法。不同网络整合成为体系，即超密集异构。尽管超密集异构网络技术是5G 无线通信相对重要的技术，而且在通信传输方面有极大的空间，然而也难免会存在一些不足，例如节点之间排列过于紧密，大致彼此之间的距离十分有限，通信系统运行也会面临一些问题[2]。因为相同种类的无线接入会面临同频干扰，或者不同种类无线接入之后引发分层干扰。针对以上问题，需要在今后铁路通信系统完善与创新的过程中，进一步探讨5G 无线通信传输。系统内部用户部署节点，产生干扰图样、拓扑结构的动态变化，所以这也是今后超密集异构网络技术应用需要注意的问题。

2.2 边缘计算技术

随着铁路通信系统大宽带业务的拓宽，网络传输带宽面临一定的影响，需要在系统运行中总结可行的解决方案，可以降低对传输带宽的需求。移动边缘计算技术（Mobile Edge Computing，MEC）作为5G 无线通信技术之一，在铁路通信系统中也有相对普遍的应用。移动边缘计算的重点在于移动网边缘IT 服务，通过强大的云计算、人工智能功能，最大限度地靠近移动用户，可以缩短因网络操作、服务交付导致的时延。除此之外，移动边缘计算技术为边缘网络赋予处理各项业务的技能，下沉内容、应用可以达到降低时延的目的。基于铁路通信系统的运行现状，发现移动边缘计算将原本移动通信系统网络、业务彼此分离的问题解决，业务平台下沉至网络边缘，此时移动用户遵循就近原则，便可以享受到业务计算、数据缓存功能。使用移动边缘计算技术，系统中的各项业务支持本地化处理，内容直接在本地缓存，降低理想时延至毫秒级。边缘计算技术在铁路通信系统中属于全新部署规划，利用小型数据中心、缓存计算处理节点，将各项业务部署到网络边缘，连接移动设备、传感器、用户之后，系统核心网络负载也会有所有降低，进而缩短数据传输时延。

比如车联网具备业务控制、数据传输功能，而且这两项功能对实时性的要求非常高，若数据分析、控制逻辑集中于云端，那么业务实时性要求很难达到。另外，边缘计算技术具有流量卸载功能，通过移动终端便可以直接按照应用进行判断，根据时延容忍性、处理水平、能耗等，判断流量卸载的必要性。流量卸载之后计算密集型、时延敏感型应用的处理便可以直接在边缘计算平台上进行，如果时延、回程链路负载均满足规范，那么计算密集型应用卸载可以直接到核心网络，从而获取更为充足的计算资源[3]。

2.3 同时同频全双工技术

无线通信设备时间频率一致，无线信号的发射、接收也可以同步进行，即为同时同频全双工技术，该技术有利于提升无线通信线路频谱利用率。5G 无线通信中的同时同频全双工技术，深入开发无线频谱资源，但发射与接收信号的终端存在频率方面的差异，所以在传输过程中可能会面临自干扰，这也是5G 通信传输的影响因素。一般会利用相互抵消这一措施，将全双工技术运用于5G无线传输，解决信号自干扰问题。不同模拟端之间存在互相干扰，将这种干扰及时消除，或者消除数字端部分干扰信号，整合之后也可以解决自干扰问题。

3 铁路通信系统中的5G 无线通信运用

3.1 改善铁路移动通信系统功能

现阶段我国铁路数字移动通信系统（GSM-R）在各项先进技术的支持下，已经具备信息传递功能，例如调度通信、传输无线机车信号与列尾装置信息、区间移动公务通信、旅客列车移动信息[4]。然而，当前运行的GSM-R 系统依然是以语音通信、数据通信等基础业务为主，移动终端和基站之间的传输速率还有很大提升空间，这与铁路通信高速率要求不符。我国铁路行业进入到高速发展阶段，尤其是高速铁路、客运专线铁路，在通信系统建设中，同时要达到安全性、高效性的要求，组建更为完善的运营模式，当然这也对铁路通信系统性能提出更加严格的要求，今后铁路通信系统建设，也会以5G无线通信为主，移动终端数量更多，智能调度与视频监控功能得到普及，成为列车运行控制系统的主要业务，利用铁路通信系统传输高清视频、图像。5G 无线通信在铁路通信系统中应用，凭借同时同频全双工技术、超密集异构技术、边缘计算技术等，也能够满足今后铁路通信不断涌现的新功能、业务与应用场景要求，而且促使铁路行车、信息传输、运营稳定性得到提升。

3.2 提高车—车通信机制运行效率

铁路列车自动驾驶系统运行的基础条件是不同车辆进行信息交互，若始终沿用“车—地—车”通信链路，需要配置的设备数量比较多，而且系统接口、结构也非常复杂，列车运行在中心设备这一层间有比较大的依赖性。列车自动驾驶控制系统级别提高之后，车辆、地面基础设备之间通信、车辆之间通信可以同步运行。不同通信连接需要的极低时延承载、车辆控制可靠性更高，下达指令以保证安全行车[5]。虽然下达的指令无须较大带宽，如果不同车辆需要交换视频数据，必然要提高传输速率。除此之外，高速车辆具有移动性特点，自动驾驶系统务必要满足完全覆盖要求。应用5G 无线通信，凭借其低时延的优势，铁路列车自动驾驶水平也将进一步提升，而且会达到节省运营成本的目的。

3.3 建立健全铁路智能通信网

智能通信网的响应速度要求比较高，只有如此才能够规避铁路行车期间出现规模故障，也不会对运输系统带来严重的影响。如果铁路供电系统突然停电，根据经验可能是接触网系统存在故障，这与不可预测事件有非常密切的联系。为了防止大规模停电导致严重的后果，而且要保证安全行车，必须提高反应与响应速度，应用5G 无线通信，凭借监视与控制系统、无线通信优化措施，实现列车运行的远程保护。另外，对于关键信息进行交换、传输，也可以利用5G 无线通信加强及时性与可靠性。由此可见，5G 无线通信具有大量高频率资源，是铁路通信系统万物互联、建设完善智能通信网的必要条件。