許艷芹

摘 要：我國進入到5G時代后，傳統(tǒng)帶寬在移動互聯(lián)的作用下有了明顯變化，直接改善了時延、大量終端接入等問題，體現(xiàn)出智能感應(yīng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等諸多優(yōu)勢，整合成為完善的服務(wù)體系。鐵路網(wǎng)絡(luò)不斷完善的現(xiàn)代，鐵路運輸與生產(chǎn)離不開鐵路通信系統(tǒng)的作用，應(yīng)用5G無線通信技術(shù)，有利于行車安全、運輸效率的提升。所以，下面針對5G無線通信與該技術(shù)在鐵路通信技術(shù)中的應(yīng)用展開討論。

關(guān)鍵詞：5G無線通信;鐵路通信系統(tǒng);超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù);邊緣計算技術(shù)

0 引言

鐵路發(fā)展至今，經(jīng)歷了多種鐵路專用移動通信系統(tǒng)，包括450 MHz列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)、900 MHz GSM-R系統(tǒng)等。而目前在用的主要的鐵路數(shù)字移動通信GSM-R系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)展將近15年，隨著全球公共移動通信市場技術(shù)更新，作為GSM-R系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)的GSM系統(tǒng)技術(shù)將逐漸從新建，擴容及維持走向徹底退出公共移動通信市場的階段，逐步步入第五代移動通信（5G）階段。5G的變化將在容量、時延和應(yīng)用方面提供許多新的可能性，有了5G，我們開啟了鐵路數(shù)字化的可能性，5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推出是未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS）標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。而目前中國國家鐵路集團有限公司啟東了新一代移動通信系統(tǒng)技術(shù)演進的研究工作。

1 5G系統(tǒng)

5G是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)。國際電信聯(lián)盟（ITU）將5G命名為IMT-2020，其技術(shù)指標(biāo)由3GPP統(tǒng)一制定。3GPP將5G應(yīng)用分為移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)兩大類。2015年，ITU明確了5G的三大應(yīng)用場景，即增強型移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）。其中，eMBB場景關(guān)注通信性能，如數(shù)據(jù)速率和用戶體驗率等;mMTC場景關(guān)注連接密度、設(shè)備多樣性及可變性等;uRLLC場景對數(shù)據(jù)的延遲和可靠性要求較高。2019年3月，3GPP發(fā)布R15標(biāo)準(zhǔn)，支持eMBB場景;2020年7月3日，3GPP發(fā)布R16標(biāo)準(zhǔn)，將全面支持三大應(yīng)用場景，是5G標(biāo)準(zhǔn)走向完善的一個關(guān)鍵性版本。中國的5G頻段大致分為FR1和FR2區(qū)域，包括低頻段的Sub-6GHz（FR1：450 MHz～6 000 MHz）和高頻段的毫米波（FR2：24 250 MHz～52 600 MHz）。由于低頻頻段的資源有限，而5G對帶寬的需求量很大，因此大部分5G網(wǎng)絡(luò)都會部署在高頻頻段。5G關(guān)鍵技術(shù)主要分為無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面。無線技術(shù)主要包括大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)以及新型多址等技術(shù);網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）等。當(dāng)前，全球運營商及相關(guān)行業(yè)紛紛開展基于5G的研究及孵化，覆蓋移動監(jiān)測控制、超高清視頻、AR/VR、無人機、車聯(lián)網(wǎng)、智慧電網(wǎng)、智慧教育以及智慧醫(yī)療等行業(yè)領(lǐng)域。

2 5G無線通信技術(shù)及其在鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用

2.1 5G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，在相同的無線信道上同時發(fā)送和接收多個數(shù)據(jù)信號，也使信號通過多個鏈路進行傳送和接收，數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性得到進一步加強，從而改善通信質(zhì)量。在實際應(yīng)用中，多天線的基站發(fā)射的信號可以同時瞄準(zhǔn)多個用戶，而不向其他方向擴散，構(gòu)造朝向多個目標(biāo)用戶的不同波束。通過相同的無線電信道發(fā)送和接收多個數(shù)據(jù)信號，可以有效提高頻譜效率，同時也能提高網(wǎng)絡(luò)容量和服務(wù)的用戶數(shù)量;通過提供精確的窄波束，減小對其他用戶的干擾，提高信號質(zhì)量。這項技術(shù)對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，促使列車間的調(diào)動工作順利進行。第二，毫米波通信技術(shù)。4G系統(tǒng)的最高頻率為2 GHz左右，可用頻譜帶寬只有100 MHz。毫米波頻率在30 GHz～300 GHz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;由于波長在1 mm～10 mm之間，波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)和移動設(shè)備上集成大規(guī)模天線陣，實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。第三，超低時延技術(shù)。5G技術(shù)降低時延的思路：一是大幅度降低空口傳輸時延。采用新型幀結(jié)構(gòu)，利用更短的子幀長度，在同一子幀內(nèi)完成確認反饋;二是要盡可能減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，縮短源節(jié)點到目的節(jié)點之間的“距離”，在實際應(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);采用移動邊緣計算技術(shù)（MEC），將計算、處理和存儲推向移動邊界，讓海量的數(shù)據(jù)能夠進行實時和快速的處理，以減少時延。第四，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。將不同類型網(wǎng)絡(luò)融合起來，增加不同站點之間的密度，根據(jù)用戶的特點（如車載用戶）、業(yè)務(wù)特點（如實時性要求高）和網(wǎng)絡(luò)的特點，來為用戶選擇合適的網(wǎng)絡(luò)，滿足終端業(yè)務(wù)的多樣性需求的同時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，同時也降低了網(wǎng)絡(luò)維護成本;通過5G網(wǎng)絡(luò)可以無處不在進行服務(wù)和無縫切換，使通信系統(tǒng)功能更加完善和智能化，促使鐵路設(shè)備運行更加可靠。第五，全雙工接口技術(shù)。在同一信道上同時進行信號的接收和發(fā)送，不再局限于設(shè)備信號的時間和頻段，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，還可以監(jiān)測列車運行狀態(tài)，有效保障了列車運行的安全性。

2.2 設(shè)備流控

設(shè)備通過對輸入、輸出流量進行控制，達到防止設(shè)備過載并維持設(shè)備穩(wěn)定的目的。設(shè)備流控有以下2種方式：（1）控制面流控。假設(shè)在用戶接入場景，有過多的終端用戶嘗試通過隨機接入連接1個基站，且用戶數(shù)量超出基站對應(yīng)能力，基站主控單元會啟動流控機制，對于已被拒絕接入的用戶，丟棄該用戶對應(yīng)的初始接入信息，同時降低可發(fā)起隨機接入的用戶數(shù)。直至系統(tǒng)負載下降，再逐漸提升可發(fā)起隨機接入的用戶數(shù)。與接入場景原理類似，控制面還可進行初始接入消息流控、切換請求消息流控、尋呼消息流控等操作。（2）用戶面流控。分為下行流控和上行流控。在終端、基站、核心網(wǎng)的用戶面協(xié)議棧，下行數(shù)據(jù)在基站中流向為GTP-U→PDCP→RLC→MAC，當(dāng)RLC和MAC單元負載過重時，通知GTP-U模塊降低下行報文發(fā)送速率，RLC和MAC單元同時降低下行調(diào)度用戶數(shù)，通過這2種方式實現(xiàn)流控，直至負載恢復(fù)至可承受能力范圍，再逐漸提高下行報文發(fā)送速率及調(diào)度用戶數(shù)。上行流控數(shù)據(jù)流向相反，原理一致。

2.3 邊緣計算技術(shù)

隨著鐵路通信系統(tǒng)大寬帶業(yè)務(wù)的拓寬，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬面臨一定的影響，需要在系統(tǒng)運行中總結(jié)可行的解決方案，降低對傳輸帶寬的需求。移動邊緣計算技術(shù)作為5G無線通信技術(shù)之一，在鐵路通信系統(tǒng)中也有相對普遍的應(yīng)用。移動邊緣計算的重點在于移動網(wǎng)邊緣IT服務(wù)，通過強大的云計算、人工智能功能，最大限度地靠近移動用戶，縮短因網(wǎng)絡(luò)操作、服務(wù)交付導(dǎo)致的時延。除此之外，移動邊緣計算技術(shù)為邊緣網(wǎng)絡(luò)賦予處理各項業(yè)務(wù)的技能，下沉內(nèi)容、應(yīng)用以達到降低時延的目的。基于鐵路通信系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)移動邊緣計算將原本移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)彼此分離的問題解決，業(yè)務(wù)平臺下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，此時移動用戶遵循就近原則，便可以享受到業(yè)務(wù)計算、數(shù)據(jù)緩存功能。使用移動邊緣計算技術(shù)，系統(tǒng)中的各項業(yè)務(wù)支持本地化處理，內(nèi)容直接在本地緩存，降低理想時延至毫秒級。邊緣計算技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中屬于全新部署規(guī)劃，利用小型數(shù)據(jù)中心、緩存計算處理節(jié)點，將各項業(yè)務(wù)部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，連接移動設(shè)備、傳感器、用戶之后，系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)負載也會有所有降低，進而縮短數(shù)據(jù)傳輸時延。比如車聯(lián)網(wǎng)具備業(yè)務(wù)控制、數(shù)據(jù)傳輸功能，且這兩項功能對實時性的要求非常高，若數(shù)據(jù)分析、控制邏輯集中于云端，那么業(yè)務(wù)實時性要求很難達到。另外，邊緣計算技術(shù)具有流量卸載功能，通過移動終端便可以直接按照應(yīng)用進行判斷，根據(jù)時延容忍性、處理水平、能耗等，判斷流量卸載的必要性。流量卸載之后計算密集型、時延敏感型應(yīng)用的處理便可以直接在邊緣計算平臺上進行，如果時延、回程鏈路負載均滿足規(guī)范，那么計算密集型應(yīng)用卸載可以直接到核心網(wǎng)絡(luò)，從而獲取更為充足的計算資源。

2.4 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著高鐵向智能化、數(shù)字化和信息化的方向發(fā)展，無線通信業(yè)務(wù)量需求呈指數(shù)增長，新興業(yè)務(wù)對移動通信系統(tǒng)的傳輸頻帶提出了更高的要求，現(xiàn)有鐵路移動通信系統(tǒng)無法承載智能化調(diào)度、移動視頻監(jiān)控及運營管理等高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)需求，鐵路通信無線頻譜資源短缺問題愈加突出。對此，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合多種無線接入技術(shù)，覆蓋不同范圍、承擔(dān)不同功能的大、小基站在空間中采用極度密集部署的方式，能夠滿足未來高鐵通信系統(tǒng)的多元化需求。據(jù)預(yù)測，在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)，未來低功率節(jié)點的部署密度將升至當(dāng)前密度的10倍以上，節(jié)點間距將降至10 m以下，甚至每個節(jié)點均有對應(yīng)的用戶。

2.5 自組網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)的含義就是網(wǎng)絡(luò)在定義的過程中，要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)進行組織，即對于各種不同要求的網(wǎng)絡(luò)，可以通過一個自組織體系進行構(gòu)建，在大的網(wǎng)絡(luò)體系下，為某些用戶提供特殊的服務(wù)，因此，自組織網(wǎng)絡(luò)的智能化將成為5G網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的一項關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡(luò)部署及運維，不但人力資源和運行成本巨大，而且網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也不理想。在5G時代，由于網(wǎng)絡(luò)存在多種無線接入技術(shù)，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋能力各不相同，原有的移動通訊網(wǎng)絡(luò)在進行網(wǎng)絡(luò)部署、運營及維護方面會面臨很多新的挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語

綜上所述，5G將為鐵路帶來基于移動寬帶的新的機遇和應(yīng)用。對列車運行和安全有至關(guān)重要的應(yīng)用，如緊急通信、調(diào)車、地面維護、列車自動運行系統(tǒng)（ATO）、列車自動控制系統(tǒng)（ATC）和列車自動保護系統(tǒng)（ATP）。有助于提高鐵路運行性能的應(yīng)用，如列車發(fā)車程序和遙測，以及還可以支持無線互聯(lián)網(wǎng)和票務(wù)系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等。

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