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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
关键词:计算技术时延边缘

(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。

4 结束语

综上所述,5G 无线通信是现阶段我国铁路通信系统建设与完善的关键技术,充分发挥5G 无线通信作用,可以提高铁路行车、调度等关键信息数据传输的效率,在原有铁路通信系统功能的基础上进行完善,使铁路通信系统建设符合5G 时代发展要求,在今后通信系统建设过程中也可以明确5G 技术的优势。

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