5G无线通信技术及其在铁路通信系统中应用

许艳芹

摘 要：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，整合成为完善的服务体系。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。

关键词：5G无线通信;铁路通信系统;超密集异构网络技术;边缘计算技术

0 引言

铁路发展至今，经历了多种铁路专用移动通信系统，包括450 MHz列车无线调度通信系统、900 MHz GSM-R系统等。而目前在用的主要的铁路数字移动通信GSM-R系统在国内发展将近15年，随着全球公共移动通信市场技术更新，作为GSM-R系统技术基础的GSM系统技术将逐渐从新建，扩容及维持走向彻底退出公共移动通信市场的阶段，逐步步入第五代移动通信（5G）阶段。5G的变化将在容量、时延和应用方面提供许多新的可能性，有了5G，我们开启了铁路数字化的可能性，5G技术标准的推出是未来铁路移动通信系统（FRMCS）标准的基础。而目前中国国家铁路集团有限公司启东了新一代移动通信系统技术演进的研究工作。

1 5G系统

5G是最新一代蜂窝移动通信技术。国际电信联盟（ITU）将5G命名为IMT-2020，其技术指标由3GPP统一制定。3GPP将5G应用分为移动互联网和物联网两大类。2015年，ITU明确了5G的三大应用场景，即增强型移动宽带（eMBB）、大规模物联网（mMTC）和超高可靠低时延通信（uRLLC）。其中，eMBB场景关注通信性能，如数据速率和用户体验率等;mMTC场景关注连接密度、设备多样性及可变性等;uRLLC场景对数据的延迟和可靠性要求较高。2019年3月，3GPP发布R15标准，支持eMBB场景;2020年7月3日，3GPP发布R16标准，将全面支持三大应用场景，是5G标准走向完善的一个关键性版本。中国的5G频段大致分为FR1和FR2区域，包括低频段的Sub-6GHz（FR1：450 MHz～6 000 MHz）和高频段的毫米波（FR2：24 250 MHz～52 600 MHz）。由于低频频段的资源有限，而5G对带宽的需求量很大，因此大部分5G网络都会部署在高频频段。5G关键技术主要分为无线技术和网络技术两方面。无线技术主要包括大规模天线、超密集组网以及新型多址等技术;网络技术主要包括软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等。当前，全球运营商及相关行业纷纷开展基于5G的研究及孵化，覆盖移动监测控制、超高清视频、AR/VR、无人机、车联网、智慧电网、智慧教育以及智慧医疗等行业领域。

2 5G无线通信技术及其在铁路通信系统中应用

2.1 5G系统下应用的高铁通信技术

5G系统融合了多种技术，主要有：第一，大规模MIMO技术。在发射端和接收端配备更多的天线，在相同的无线信道上同时发送和接收多个数据信号，也使信号通过多个链路进行传送和接收，数据速率和链路可靠性得到进一步加强，从而改善通信质量。在实际应用中，多天线的基站发射的信号可以同时瞄准多个用户，而不向其他方向扩散，构造朝向多个目标用户的不同波束。通过相同的无线电信道发送和接收多个数据信号，可以有效提高频谱效率，同时也能提高网络容量和服务的用户数量;通过提供精确的窄波束，减小对其他用户的干扰，提高信号质量。这项技术对高铁通信的管理工作有重要作用，可以在合理的分配频率下保证网络稳定，促使列车间的调动工作顺利进行。第二，毫米波通信技术。4G系统的最高频率为2 GHz左右，可用频谱带宽只有100 MHz。毫米波频率在30 GHz～300 GHz之间，频谱宽较宽，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，因此能提供稳定的传输信道;由于波长在1 mm～10 mm之间，波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内和移动设备上集成大规模天线阵，实现超高速数据传输。第三，超低时延技术。5G技术降低时延的思路：一是大幅度降低空口传输时延。采用新型帧结构，利用更短的子帧长度，在同一子帧内完成确认反馈;二是要尽可能减少转发节点，缩短源节点到目的节点之间的“距离”，在实际应用中，可以采用终端直接通信（D2D）模式，让设备之间可以直接通信而不再需要网络;采用移动边缘计算技术（MEC），将计算、处理和存储推向移动边界，让海量的数据能够进行实时和快速的处理，以减少时延。第四，异构网络技术。将不同类型网络融合起来，增加不同站点之间的密度，根据用户的特点（如车载用户）、业务特点（如实时性要求高）和网络的特点，来为用户选择合适的网络，满足终端业务的多样性需求的同时也提供了更好的服务质量。此技术能在原网络基础上增大覆盖范围，有效提升系统容量，使得通信系统更具灵活性，同时也降低了网络维护成本;通过5G网络可以无处不在进行服务和无缝切换，使通信系统功能更加完善和智能化，促使铁路设备运行更加可靠。第五，全双工接口技术。在同一信道上同时进行信号的接收和发送，不再局限于设备信号的时间和频段，能够将频谱效率提高一倍，有效节约成本。在连接不同链路时，还可以监测列车运行状态，有效保障了列车运行的安全性。

2.2 设备流控

设备通过对输入、输出流量进行控制，达到防止设备过载并维持设备稳定的目的。设备流控有以下2种方式：（1）控制面流控。假设在用户接入场景，有过多的终端用户尝试通过随机接入连接1个基站，且用户数量超出基站对应能力，基站主控单元会启动流控机制，对于已被拒绝接入的用户，丢弃该用户对应的初始接入信息，同时降低可发起随机接入的用户数。直至系统负载下降，再逐渐提升可发起随机接入的用户数。与接入场景原理类似，控制面还可进行初始接入消息流控、切换请求消息流控、寻呼消息流控等操作。（2）用户面流控。分为下行流控和上行流控。在终端、基站、核心网的用户面协议栈，下行数据在基站中流向为GTP-U→PDCP→RLC→MAC，当RLC和MAC单元负载过重时，通知GTP-U模块降低下行报文发送速率，RLC和MAC单元同时降低下行调度用戶数，通过这2种方式实现流控，直至负载恢复至可承受能力范围，再逐渐提高下行报文发送速率及调度用户数。上行流控数据流向相反，原理一致。

2.3 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，降低对传输带宽的需求。移动边缘计算技术作为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，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，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。

2.4 超密集异构网络技术

随着高铁向智能化、数字化和信息化的方向发展，无线通信业务量需求呈指数增长，新兴业务对移动通信系统的传输频带提出了更高的要求，现有铁路移动通信系统无法承载智能化调度、移动视频监控及运营管理等高数据速率业务需求，铁路通信无线频谱资源短缺问题愈加突出。对此，超密集异构网络技术融合多种无线接入技术，覆盖不同范围、承担不同功能的大、小基站在空间中采用极度密集部署的方式，能够满足未来高铁通信系统的多元化需求。据预测，在宏基站的覆盖范围内，未来低功率节点的部署密度将升至当前密度的10倍以上，节点间距将降至10 m以下，甚至每个节点均有对应的用户。

2.5 自组网络

自组织网络的含义就是网络在定义的过程中，要根据不同的业务进行组织，即对于各种不同要求的网络，可以通过一个自组织体系进行构建，在大的网络体系下，为某些用户提供特殊的服务，因此，自组织网络的智能化将成为5G网络中不可或缺的一项关键技术。在传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，不但人力资源和运行成本巨大，而且网络优化也不理想。在5G时代，由于网络存在多种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，原有的移动通讯网络在进行网络部署、运营及维护方面会面临很多新的挑战。

3 结语

综上所述，5G将为铁路带来基于移动宽带的新的机遇和应用。对列车运行和安全有至关重要的应用，如紧急通信、调车、地面维护、列车自动运行系统（ATO）、列车自动控制系统（ATC）和列车自动保护系统（ATP）。有助于提高铁路运行性能的应用，如列车发车程序和遥测，以及还可以支持无线互联网和票务系统、视频系统等。

参考文献：

[1]蔺伟，李毅，姜博，等.2 100 MHz频段铁路5G专网电磁兼容特性研究[J].中国铁路，2020（11）：16-22.

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[3]王莉，张宇.浅析基于5G技術的铁路站房安防系统[J].智能城市，2020（14）：54-55.