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摘要:隨著鐵路高速化、智能化的發(fā)展和不斷進(jìn)步,鐵路的移動(dòng)通信系統(tǒng)面對(duì)著新的發(fā)展要求。第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5g)擁有傳輸速率高、大帶寬、低時(shí)延、大規(guī)模連接設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能進(jìn)一步提高現(xiàn)有的鐵路通信和運(yùn)行狀況,對(duì)保障列車(chē)運(yùn)行智能性和安全性具有十分重要的作用。5G移動(dòng)通信技術(shù)在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用成為鐵路無(wú)線通信發(fā)展的方向,文章就高速鐵路通信系統(tǒng)在5G環(huán)境下的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。
關(guān)鍵詞:5G;鐵路通信;智能應(yīng)用
5G網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)影響了人們的生活與通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向,目前國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商已上線了5G商用套餐,標(biāo)志著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的第一步已經(jīng)到位,5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)初步形成。對(duì)鐵路運(yùn)輸業(yè)來(lái)說(shuō),5G能提高高速鐵路的通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量,通過(guò)有效運(yùn)用5G的各種技術(shù),不僅能讓列車(chē)的通信、運(yùn)行和管理更加有序,而且還能提高智能高鐵智慧化水平。
15G移動(dòng)通信技術(shù)
第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)是第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4G)之后的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。5G的核心性關(guān)鍵技術(shù)主要包括大規(guī)模MIMO技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、超密集組網(wǎng)、全頻譜式接入和全雙工通信技術(shù)。相較于4G技術(shù),5G具有顯著的優(yōu)勢(shì),包括數(shù)據(jù)傳輸速度快,網(wǎng)絡(luò)速度高達(dá)4G技術(shù)的100倍,帶寬是4G技術(shù)的1000倍,網(wǎng)絡(luò)延時(shí)縮短至≤1ms,實(shí)現(xiàn)了端與端延時(shí)毫秒級(jí),能精確地對(duì)準(zhǔn)時(shí)間,給用戶(hù)提供更加優(yōu)質(zhì)的使用體驗(yàn);而且5G網(wǎng)絡(luò)容量超大,可接入眾多設(shè)備進(jìn)行工作,覆蓋范圍廣泛,進(jìn)而滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的需求實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián),能耗與成本較低,使用范圍更加廣泛。最重要的是5G能夠支持500km/h的終端移動(dòng)速度,這一優(yōu)點(diǎn)使得5G移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)中國(guó)高速鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展有著極其重要的作用。
2我國(guó)高鐵通信系統(tǒng)
高速鐵路是當(dāng)前中國(guó)非常重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施,在我國(guó)客運(yùn)與貨運(yùn)上承擔(dān)著重要的分量,我國(guó)的高速鐵路在世界上屬于先進(jìn)水平,具有完善的高鐵技術(shù)體系。而高速鐵路通信系統(tǒng)又在整個(gè)高速鐵路運(yùn)輸過(guò)程中扮演著不可或缺的角色,承擔(dān)著確保高速鐵路列車(chē)行駛安全及保障高速鐵路列車(chē)運(yùn)輸與管理工作順利展開(kāi)的重任。但隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)在已有的鐵路專(zhuān)用通信技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高速鐵路通信的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?,主要包括高速列?chē)運(yùn)行速度快,使高鐵通信系統(tǒng)產(chǎn)生頻偏,讓沿線的各類(lèi)基站信號(hào)接收不穩(wěn)定;各通信系統(tǒng)樞紐站的距離相對(duì)較遠(yuǎn),使得各個(gè)站點(diǎn)需要服務(wù)的范圍太廣;高速鐵路的旅客較多,增加了網(wǎng)絡(luò)的使用量和基站負(fù)荷,導(dǎo)致移動(dòng)信號(hào)下降;高鐵速度太快,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷切換,會(huì)導(dǎo)致掉線、切換失敗或緩慢等問(wèn)題?,F(xiàn)有的4G系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用一些補(bǔ)償算法對(duì)這些有害效應(yīng)進(jìn)行一定程度的抑制,但效果并不理想,這也導(dǎo)致在高鐵列車(chē)上的通話以及網(wǎng)絡(luò)連接效果等功能無(wú)法得到保證。
35G系統(tǒng)下應(yīng)用的高鐵通信技術(shù)
5G系統(tǒng)融合了多種技術(shù),主要有:第一,大規(guī)模MIMO技術(shù)。在發(fā)射端和接收端配備更多的天線,在相同的無(wú)線信道上同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào),也使信號(hào)通過(guò)多個(gè)鏈路進(jìn)行傳送和接收,數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性得到進(jìn)一步加強(qiáng),從而改善通信質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中,多天線的基站發(fā)射的信號(hào)可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)用戶(hù),而不向其他方向擴(kuò)散,構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)用戶(hù)的不同波束。通過(guò)相同的無(wú)線電信道發(fā)送和接收多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào),可以有效提高頻譜效率,同時(shí)也能提高網(wǎng)絡(luò)容量和服務(wù)的用戶(hù)數(shù)量;通過(guò)提供精確的窄波束,減小對(duì)其他用戶(hù)的干擾,提高信號(hào)質(zhì)量。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)高鐵通信的管理工作有重要作用,可以在合理的分配頻率下保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定,促使列車(chē)間的調(diào)動(dòng)工作順利進(jìn)行。第二,毫米波通信技術(shù)。4G系統(tǒng)的最高頻率為2GHz左右,可用頻譜帶寬只有100MHz。毫米波頻率在30GHz~300GHz之間,頻譜寬較寬,較高的頻率使其受干擾很少,能較好抵抗雨水天氣的影響,因此能提供穩(wěn)定的傳輸信道;由于波長(zhǎng)在1~10mm之間,波長(zhǎng)極短,所需的天線尺寸很小,易于在較小的空間內(nèi)和移動(dòng)設(shè)備上集成大規(guī)模天線陣,實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。第三,超低時(shí)延技術(shù)。5G技術(shù)降低時(shí)延的思路:一是大幅度降低空口傳輸時(shí)延。采用新型幀結(jié)構(gòu),利用更短的子幀長(zhǎng)度,在同一子幀內(nèi)完成確認(rèn)反饋;二是要盡可能減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),縮短源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的“距離”,在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用終端直接通信(D2D)模式,讓設(shè)備之間可以直接通信而不再需要網(wǎng)絡(luò);采用移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)(MEC),將計(jì)算、處理和存儲(chǔ)推向移動(dòng)邊界,讓海量的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)和快速的處理,以減少時(shí)延。第四,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。將不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)融合起來(lái),增加不同站點(diǎn)之間的密度,根據(jù)用戶(hù)的特點(diǎn)(如車(chē)載用戶(hù))、業(yè)務(wù)特點(diǎn)(如實(shí)時(shí)性要求高)和網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),來(lái)為用戶(hù)選擇合適的網(wǎng)絡(luò),滿(mǎn)足終端業(yè)務(wù)的多樣性需求的同時(shí)也提供了更好的服務(wù)質(zhì)量。此技術(shù)能在原網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增大覆蓋范圍,有效提升系統(tǒng)容量,使得通信系統(tǒng)更具靈活性,同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本;通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)可以無(wú)處不在進(jìn)行服務(wù)和無(wú)縫切換,使通信系統(tǒng)功能更加完善和智能化,促使鐵路設(shè)備運(yùn)行更加可靠。第五,全雙工接口技術(shù)。在同一信道上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)送,不再局限于設(shè)備信號(hào)的時(shí)間和頻段,能夠?qū)㈩l譜效率提高一倍,有效節(jié)約成本。在連接不同鏈路時(shí),還可以監(jiān)測(cè)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài),有效保障了列車(chē)運(yùn)行的安全性。
4鐵路通信系統(tǒng)應(yīng)用5G技術(shù)的典型場(chǎng)景特殊環(huán)境
火車(chē)站是典型的客流密集場(chǎng)所,采用室內(nèi)5G組網(wǎng)分布覆蓋,可以滿(mǎn)足旅客超高清移動(dòng)視頻直播、視頻通話、視頻會(huì)議和視頻監(jiān)控等需求,同時(shí)也為5G賦能智慧火車(chē)站提供了可能,進(jìn)一步提升鐵路系統(tǒng)以及火車(chē)站的管理效率和服務(wù)品質(zhì)。高鐵隧道。我國(guó)山區(qū)較多,隧道也較多,可采用特型天線,在短距離直線隧道前后采用天線進(jìn)行覆蓋。一般情況下,可以在隧道中與隧道口安裝特型天線進(jìn)行覆蓋,兩側(cè)不同區(qū)域覆蓋增加用戶(hù)信號(hào)。如隧道太長(zhǎng),可考慮新型漏纜,每隔500m設(shè)置設(shè)備洞室,安裝5G的移動(dòng)基站設(shè)備BBU和RRU。高鐵沿線。采用宏站覆蓋,盡量利用舊的4G基站,配置高增益窄波束天線,讓覆蓋性能與信號(hào)的分布和銜接更好。調(diào)度通信。5G網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足超高流量密度運(yùn)用,可達(dá)到每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度,具備Gb/s級(jí)的用戶(hù)體驗(yàn)速率,可以滿(mǎn)足列車(chē)無(wú)線列調(diào)區(qū)段內(nèi)的調(diào)度員、車(chē)站值班員和機(jī)車(chē)司機(jī)、車(chē)長(zhǎng)之間的無(wú)線通信。除了通過(guò)數(shù)字調(diào)度通信系統(tǒng)中的調(diào)度電話、專(zhuān)用電話、站間區(qū)間電話等傳統(tǒng)調(diào)度語(yǔ)音通信外,還可以進(jìn)行視頻通話等功能。由于具備完整的優(yōu)先級(jí)處理、質(zhì)量保證機(jī)制和集群調(diào)度功能,可用于控制中心調(diào)度與各站、段值班員、司機(jī)之間的單呼、組呼、全呼、強(qiáng)插、強(qiáng)拆等不同優(yōu)先級(jí)通話等調(diào)度通信業(yè)務(wù)。集成的多媒體通信。在多媒體通信功能方面,5G也能加強(qiáng)多媒體信息傳輸技術(shù),將原本單一的文本格式短消息擴(kuò)展升級(jí)為富媒體消息,消息內(nèi)容不再僅僅是文本,還能支持圖片、音頻、視頻、位置、聯(lián)系人等多種形式。鐵路運(yùn)營(yíng)應(yīng)用中,會(huì)議電視系統(tǒng)、流媒體應(yīng)用、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)等多媒體面臨的主要問(wèn)題就是信道容量問(wèn)題和大容量通信傳輸問(wèn)題,而5G通信技術(shù)正好能有效解決這些問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)化行車(chē)控制。5G技術(shù)擁有高帶寬,能實(shí)現(xiàn)毫秒(ms)級(jí)端到端時(shí)延,可以支持500km/h以上的超高移動(dòng)性速率,因此能夠穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)各類(lèi)車(chē)載設(shè)備間和車(chē)地設(shè)備間的通信,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度和主動(dòng)安全控制功能;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)及行車(chē)線路狀態(tài),將路軌狀況、列車(chē)狀況等上傳到數(shù)據(jù)庫(kù),再通過(guò)實(shí)時(shí)分析,對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)判,提出合理的解決方案,從而減小了列車(chē)運(yùn)行中的故障率,保障了列車(chē)的運(yùn)行安全。這也為未來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程駕駛或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)智能駕駛技術(shù),打造下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等智能鐵路的行車(chē)控制系統(tǒng)提供了可能。云化行車(chē)數(shù)據(jù)管理。列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中,將產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),現(xiàn)有的鐵路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信能力有限,需要將大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保留在車(chē)載設(shè)備本地,車(chē)載設(shè)備數(shù)據(jù)變更的時(shí)間效率和組織效率低下。而基于5G網(wǎng)絡(luò)的車(chē)地設(shè)備,可以進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ),5G轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)車(chē)輛部分(視頻自動(dòng)記錄)、車(chē)站和場(chǎng)站(視頻自動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ))和中心機(jī)房(視頻自動(dòng)分析)三部分的協(xié)調(diào)運(yùn)作,可實(shí)現(xiàn)下載數(shù)據(jù)Gb/s秒級(jí)快傳?;蛘邔I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳至云網(wǎng)絡(luò),通過(guò)實(shí)時(shí)更新和下載系列關(guān)鍵數(shù)據(jù),快速進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)、傳達(dá)動(dòng)作指令,實(shí)現(xiàn)調(diào)度通信列車(chē)智能精準(zhǔn)控制,也將進(jìn)一步提升高速鐵路智能化管理水平。
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作者:向欣 單位:中鐵四局集團(tuán)有限公司