5G环境下的高速铁路通信系统应用研究

2022-07-13中国铁路信息科技集团有限公司邢雅娟乐建炜

内江科技 2022年6期

◇中国铁路信息科技集团有限公司邢雅娟乐建炜

本文基于对高速铁路通信发展现状分析，进一步结合高速铁路通信系统中应用的5G技术，以二者为基础讨论，剖析在5G技术环境下高速铁路通信系统技术应用，并就如何突破当前高铁通信系统瓶颈进行探讨。

在当前逐步完善的5G网络系统建设背景下，5G网络技术从根本上解决了4G中网络时延和接入大量终端阈值等问题，突破了传统网络带宽限制，充分发挥了云数据、智能感应和AI智能学习等功能优势。2012年，国际电信联盟提出了5G网络的三大应用场景：超高可靠低时延通信（uRLLC）、增强型移动宽带（eMBB）以及大规模物联网（mMTC）。5G低于1ms时延相较之4G网络中30ms-70ms时延有巨大突破和优势，其最主要优势为数据传输和网络时延方面，其数据速率最高可达10Gb/s。2020年更新的R16版本，更是完善了5G技术的网络切片功能，满足了物联网与车联网的高可靠性业务需求，为铁路智能管理和通信技术创新奠定了坚实基础。

1 高速铁路通信的发展与现状分析

1.1 高速铁路通信的发展历程

自2008年，我国开通京津城际高速铁路之后，其得以飞速发展，运营里程在2018年发展至25000公里。目前，铁路运输在我国物流货运量中占比超过70%，在整体客运量中占比超过50%。尽管我国幅员辽阔、地理形势复杂，但高铁部门在不断突破和努力下攻克了许多难关，例如2012年开通的哈大高铁和2014年开通的兰新高铁，突破了季节温差对铁路基轨铺设影响及风速对行驶影响等问题。伴随着我国铁路不断发展，作为其重要组成部分之一的移动通信也成为业内人士关注的重点领域。2018年，铁路部门首次将自动驾驶系统应用于京沈高铁上，至此开启了我国高铁智能时代。随后，铁路智能管理系统、监控调度系统及安全防范智能化等通信系统相继建设，这些先进通信技术均为我国高铁通信领域发展起到了推进作用。

1.2 高速铁路通信的现状分析

当前国际铁路领域使用较多的通信系统为综合专用数字移动通信系统（GSMR），可实现对列车系统的管理、监控及调度。但该系统为乘客于列车上连接网络和通讯同化方面的体验设计不完善，乘客使用的便携通信设备无法接入专用移动网络。并且，GSM-R在高速数据传输方面也逐渐无法满足铁路通信发展需求。当列车进入不同通信基站范围时，该系统会自动切换网络。在高铁列车时速高达350Km的情况下，系统自动切换的频率为6s次，不仅切换过于频繁不利于乘客拥有良好的网络使用体验，并且当前技术无法确保切换过程的稳定性。

伴随着第四代移动通信技术发展，高铁通信普遍依托于4G网络传输，但是由于列车运动速度过快，在多普勒效应（Doppler Effect）影响下很容易发生网络信号错位问题，并且尽管4G系统现有的补偿算法对此类负面效应有部分抑制功能，但效率相对低下。在此背景下，高铁列车在移动通信安全性及可靠性方面有着更高的要求，为了进一步满足乘客的通信需求，以及高铁自身通信的需要，因此需要建设与之配套的更高级别的铁路通信网络系统，以满足不断提高的安全性、稳性定和可靠性等三方面的通信网络要求。

2 5G环境下的高速铁路通信系统优势分析

依托于边缘计算技术、全双工技术及超密集异构网络技术三项核心技术，5G网络具有低时延高带宽的优势。其中，边缘计算技术为网络就近提供了数据缓存能力和业务计算能力，改变了通信网络于业务分离的状态，降低网络时延，使业务平台下沉至网络边缘；全双工技术能够充分利用和发掘无线频谱资源，提高信息传输效率和频率利用率；超密集异构技术实现了组织多种网络并形成体系的目的，可以保障5G网络中协调各种节点，实现多种业务及节能配置等功能[2]。

2.1 更利于构建完备的铁路移动通讯系统

上文中提到的GSM-R移动通信系统虽实现了数据业务、机车同步操作信息船速、旅客列车移动信息、区间移动公务通信、调度通信、调车监控信心传输、列尾装置信息传送、应急指挥通信话音等功能，但数据从基站至移动终端传输地，依旧难以满足日渐提高的高速数据传输需求。随着时代的发展，客运专线铁路和高速铁路运营模式在快速、安全、高效三方面对铁路通信网络的要求愈来愈高，移动终端数量成倍增长；并且在高速列车智能化发展的背景下，系统与列车运行控制中对视频监控和智能调度需要大量数据传输，5G系统中的超密集异构技术和全双工技术能够有效解决这一环节出现的问题。

2.2 更利于提供完善的旅客通信服务

为了在列车高速运动过程中，满足旅客在日常生活中对网络使用的要求，例如线上会议、远程云办公、观看高清视频等问题，高铁列车通信的两项指标通常会设为端到端时延和用户速率。5G系统的低时延和高带宽两个特性可以满足两项指标，为高铁旅客提供良好的网络使用体验。而在客流密集场所，如火车站候车大厅，可以通过建设车站Wi-Fi/5G融合组网的方法解决大客流环境下进行高清视频通信、高速上网等需求。

2.3 更利于搭建可靠的铁路应急通信网络

铁路应急通信网络是为了保障铁路抢修指挥和应急运输而建设的，该系统即便在局部网络突发故障时也要保持正常通信状态。在列车运行的紧急情况中，应急救援在通信网络可靠性方面有严格要求，使用5G技术可以使铁路应急通信系统功能更完备，其表现为：结合5G技术使用北斗导航定位；结合5G技术用户终端的中继功能，辅助受损网络，使用临时救援通信节点保障通信效率和稳定性。另外，面对未来应急通信网主的多元需求，5G技术的高节点效率和可用性两项特点可以解决相关问题。

2.4 更利于建设高效的车-车通信机制

车-车通信机制为一种列车自动驾驶系统中交互信息传输机制，其运行对中心设备依赖大，系统结构和接口复杂，配置设备繁多，对数据传输速率要求较高，且无人化控制系统需在支持高速列车移动情况下达到全覆盖的条件。如图1所示，5G系统低时延的特性能为该机制提供了优秀的解决方案，有效降低列车运行成本。

图1 4G、5G网络传输速率对比图

3 5G环境下的高速铁路通信系统技术应用

3.1 基于5G系统的辅助式卫星定位系统应用

由于铺设铁路地形复杂的可能性，列车处于隧道和涵洞等特殊路段时存在“丢星现象”，卫星信号遮蔽和反射功能易受影响，将产生严重的多径效应。为了提高卫星信号接收速度和灵敏度，需要移动通信系统提供辅助。5G系统特性可以使列车接受并且利用卫星辅助数据，高效查询卫星信息，在列车发出定位请求情况下准确获得卫星信息，解算列车位置信息。

3.2 基于5G系统的高速铁路智能管控系统应用

5G通信系统在大数据和云计算等方面存在技术性的突破和发展，可以实现列车运行中智能管理、集中管理及智能调度等功能，在高速铁路通信系统中有着重要作用。5G通信系统的高传输速率特性，能够使高速列车配备的检测系统与其数据库对接，实现实时传输路轨状况等功能，从而对传输数据进行实时分析，预判并检测可能存在的故障，减小列车运营故障率，从而保障列车运行安全。另外，由于5G通信系统连接设备密度增大，让列车与路侧配套系统间通信及车到车间通信在端到端时延为毫秒级的情况下得以实现，从而实现列车自动驾驶化与安全控制。