高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中5G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用

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【摘要】5G移動(dòng)通信技術(shù)是“第五代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)”，該技術(shù)將以其高傳輸速率、覆蓋范圍廣、傳輸速度快、能大規(guī)模連接設(shè)備和更低信號(hào)延遲的優(yōu)點(diǎn)，在技術(shù)上改善現(xiàn)有的通信狀況與高鐵的運(yùn)行狀況，幫助高鐵運(yùn)行更加智能、安全，對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整都有極大的助力作用。本文就5G移動(dòng)通信技術(shù)在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】5g移動(dòng)通信技術(shù)；高鐵通信網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)初步形成，19年11月1日，三大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)上線5G商用套餐，表示運(yùn)營(yíng)商對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的第一步已經(jīng)到位。4G網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)影響了人們的生活與通信產(chǎn)業(yè)的走向，而5G技術(shù)的發(fā)展將會(huì)讓數(shù)據(jù)的傳輸頻率進(jìn)一步加快。對(duì)鐵路運(yùn)輸業(yè)來說，提高了高鐵的通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，減少延遲，精準(zhǔn)列車的定位，能讓列車的通信與管理更加有序的進(jìn)行。所以在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用5G技術(shù)中的各種先進(jìn)技術(shù)，可以提高高鐵的運(yùn)行與管理質(zhì)量。

一、5G移動(dòng)通信技術(shù)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各種智能終端的使用，用戶不斷增多，數(shù)據(jù)流量飛速增長(zhǎng)，讓移動(dòng)通信技術(shù)不斷研發(fā)。近年來5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展成果不斷實(shí)現(xiàn)，5G手機(jī)與5G網(wǎng)絡(luò)套餐的使用，讓5G網(wǎng)絡(luò)的普及打開序幕。而5G移動(dòng)通信技術(shù)有以下特點(diǎn)：5G技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度快，比4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快100倍；5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量超大，可接入眾多設(shè)備進(jìn)行工作；5G可依據(jù)智能設(shè)備支持更多的移動(dòng)業(yè)務(wù)，家庭與辦公網(wǎng)絡(luò)也能全面覆蓋，覆蓋范圍廣泛；網(wǎng)絡(luò)延遲較低，能精確的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，給用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的使用體驗(yàn)；5G系統(tǒng)的能耗與成本較低，使用范圍更加廣泛。最重要的是5G系統(tǒng)在500千米/小時(shí)的移動(dòng)速度中也能保持信號(hào)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可推動(dòng)高鐵通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展。

二、我國(guó)高鐵與高鐵通信系統(tǒng)

我國(guó)的高速鐵路在世界上屬于先進(jìn)水平，在各種復(fù)雜地形與氣候下的高鐵建造技術(shù)都已系統(tǒng)的掌握，具有完善的高鐵技術(shù)體系。而2018年一年內(nèi)累積發(fā)送的高鐵旅客就有超20億人次，高鐵在我國(guó)客運(yùn)與貨運(yùn)上承擔(dān)著重要的分量。但我國(guó)高速列車速度太快，產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會(huì)給高鐵通信系統(tǒng)帶來頻偏，讓基站信號(hào)接收不穩(wěn)定；各通信樞紐間距離較遠(yuǎn)，站點(diǎn)的服務(wù)范圍較廣；高鐵旅客太多，網(wǎng)絡(luò)用戶集中，讓網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷飆升，基站負(fù)荷太高讓移動(dòng)用戶信號(hào)下降；高鐵行駛的區(qū)域太多，用戶的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)頻繁的切換與重選，會(huì)出現(xiàn)掉線、切換失敗或緩慢等問題。

三、5G系統(tǒng)下應(yīng)用的高鐵通信技術(shù)

5G系統(tǒng)可以融合多種技術(shù)，主要有：第一，MIMO多天線技術(shù)，其具有較高的空間分辨率，獲取多個(gè)空間資源，提高檢測(cè)器與預(yù)編碼的質(zhì)量，局限波束的范圍，減少外界的干擾。還能控制發(fā)射功率，提高整體效率。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)高鐵通信的管理工作有重要作用，分布式的多天線技術(shù)，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(dòng)工作順利進(jìn)行。第二，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，此技術(shù)的覆蓋面廣，可提高系統(tǒng)的容量與頻譜效率，提高系統(tǒng)的靈活性。還可降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能化，完善系統(tǒng)功能，讓設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。第三，全雙工接口技術(shù)，使用時(shí)不會(huì)局限設(shè)備信號(hào)的時(shí)間與頻段，提高頻譜效率。連接不同鏈路，在通信時(shí)提高設(shè)備傳輸效率。還能監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)省成本，針對(duì)干擾問題還需深度研究。第四，OFDM多載波技術(shù)，此技術(shù)通過濾波器實(shí)現(xiàn)，但受干擾問題影響，但5G網(wǎng)絡(luò)能改善濾波器功能，提高技術(shù)性能。針對(duì)高鐵產(chǎn)生的多普勒頻偏效應(yīng)，還需在5G網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備實(shí)行頻偏補(bǔ)償，跟蹤好移動(dòng)高鐵的速度，抵消頻偏問題。5G網(wǎng)絡(luò)在高鐵通信中還能優(yōu)化切換帶與天線，而切換帶需要合理的優(yōu)化，保證大小適中，不會(huì)產(chǎn)生干擾；天線則需要合理的設(shè)置方位，天線近點(diǎn)覆蓋，在站點(diǎn)與站軌間的天線角度要設(shè)置的合理，提高信號(hào)的覆蓋率。用戶在高鐵快速移動(dòng)時(shí)，信號(hào)波動(dòng)大，會(huì)不斷切換網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，需根據(jù)高鐵特點(diǎn)設(shè)置5G網(wǎng)絡(luò)合適的切換策略，保證切換能快速的順暢的完成，可采用小區(qū)合并方式減少小區(qū)切換現(xiàn)象，減少切換的時(shí)延。

四、5G移動(dòng)通信技術(shù)在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

4.1針對(duì)高鐵乘客用網(wǎng)主要場(chǎng)景

高鐵中人員所在的地區(qū)范圍很廣，5G移動(dòng)技術(shù)需要覆蓋以下區(qū)域，第一，高鐵候車大廳。候車大廳基本是封閉式的室內(nèi)，面積較大，人流量大，可采用室內(nèi)5G和WiFi融合組網(wǎng)分布覆蓋，數(shù)字化室內(nèi)分布。如采用室外的宏站，效果較差。WiFi可對(duì)5G系統(tǒng)進(jìn)行分流，并且成本低、接入與維護(hù)方便等特性，提高用戶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)還能作為5G系統(tǒng)的補(bǔ)充。第二，高鐵站臺(tái)。站臺(tái)的區(qū)域較為開放，可采用宏站進(jìn)行覆蓋。在站臺(tái)間車速很緩慢，多普勒效應(yīng)幾乎沒有，用戶移動(dòng)較少，但人流量較大，可采用64T64RMIMO天線。第三，高鐵隧道。我國(guó)山區(qū)較多，隧道也較多，可采用特型天線，在短距離直線隧道可在隧道前后采用天線對(duì)打進(jìn)行覆蓋，設(shè)置在同一小區(qū)。而隧道長(zhǎng)度超過500米，在隧道中與隧道口安裝特型天線進(jìn)行覆蓋，安裝高度對(duì)應(yīng)高鐵窗口，兩側(cè)不同校區(qū)覆蓋增加用戶信號(hào)。如隧道太長(zhǎng)，可考慮新型漏纜。每隔500米設(shè)置設(shè)備洞室，安裝5G的移動(dòng)基站設(shè)備BBU和RRU。第四，高鐵沿線。一般沿線都是宏站覆蓋，采用5G網(wǎng)絡(luò)起步配置8T8R的高增益窄波束天線。5G基站交錯(cuò)分布在鐵路兩側(cè)，盡量利用舊的4G基站，100米左右的垂直高度，讓覆蓋性能與信號(hào)的分布和銜接更好。高鐵還需針對(duì)多普勒頻偏現(xiàn)象開啟高速頻偏矯正功能。

4.2在5G系統(tǒng)下輔助式衛(wèi)星定位系統(tǒng)

我國(guó)地形復(fù)雜，高鐵沿線有各種障礙物，會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)遮擋與反射現(xiàn)象，出現(xiàn)多徑效應(yīng)與丟星現(xiàn)象。那么5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)能準(zhǔn)確捕捉列車的位置信息。在列車發(fā)出定位時(shí)，5G系統(tǒng)能迅速找到衛(wèi)星信息，在5G網(wǎng)絡(luò)下把衛(wèi)星定位的輔助信息發(fā)送給列車，列車?yán)眯l(wèi)星輔助數(shù)據(jù)能精確計(jì)算出位置。5G系統(tǒng)改善衛(wèi)星信號(hào)被遮擋現(xiàn)象，在城市隧道中還能讓列車定位精確。

4.3在5G系統(tǒng)下的高鐵智能管控系統(tǒng)

高速鐵路通信系統(tǒng)保證了高鐵正常運(yùn)行與管理。在5G系統(tǒng)下的高鐵通信系統(tǒng)在高鐵運(yùn)輸中，通過通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與其他部門的合作，傳輸與控制好信息，科學(xué)的調(diào)度與指揮行車，實(shí)現(xiàn)集中化的管理，保證列車在運(yùn)輸中的安全與管理工作的順利進(jìn)行。在通信技術(shù)中還能隨時(shí)監(jiān)測(cè)路面與列車的狀況，實(shí)時(shí)的分析與檢測(cè)，能及時(shí)處理故障，提高高鐵運(yùn)行的安全。5G通信技術(shù)的短延時(shí)性，讓列車間、列車與配套設(shè)施間的通信無阻礙。高鐵智能管控系統(tǒng)緊急制動(dòng)告警功能的使用，實(shí)現(xiàn)智能的管理，讓列車的自動(dòng)駕駛與主動(dòng)安全控制得到實(shí)現(xiàn)，在5G的全面覆蓋能讓高鐵智能管控系統(tǒng)對(duì)列車自動(dòng)化調(diào)度、全面監(jiān)測(cè)離行車線路與列車的狀態(tài)、列車安全自動(dòng)控制功能等，讓高鐵運(yùn)輸?shù)陌踩玫竭M(jìn)一步的保證。

五、總結(jié)

總之，隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的鐵路也進(jìn)入跨時(shí)代的高速發(fā)展階段，5G移動(dòng)通信技術(shù)帶給高鐵移動(dòng)通信中的優(yōu)勢(shì)逐步走向成熟，隨著鐵路高速化的發(fā)展，提高數(shù)據(jù)信息傳輸效率，改善高鐵通信系統(tǒng)，使高鐵的運(yùn)行工作更加暢通。將來伴隨5G通信網(wǎng)絡(luò)的普及，軌道交通智能化催生許多新的鐵路業(yè)務(wù)，在智能的基礎(chǔ)設(shè)施上，根據(jù)大數(shù)據(jù)的融合、收集、處理，為高速鐵路運(yùn)行的安全性、精確性、和高速性提供了有力的保障。

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作者：王繼宇 單位：中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司