高鐵通信網(wǎng)絡中5G移動通信技術的應用
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【摘要】5G移動通信技術是“第五代數(shù)字蜂窩移動通信技術”，該技術將以其高傳輸速率、覆蓋范圍廣、傳輸速度快、能大規(guī)模連接設備和更低信號延遲的優(yōu)點，在技術上改善現(xiàn)有的通信狀況與高鐵的運行狀況，幫助高鐵運行更加智能、安全，對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整都有極大的助力作用。本文就5G移動通信技術在高鐵通信網(wǎng)絡中的應用進行分析探討。
5G網(wǎng)絡時代已經(jīng)初步形成，19年11月1日，三大運營商已經(jīng)上線5G商用套餐，表示運營商對5G網(wǎng)絡建設的第一步已經(jīng)到位。4G網(wǎng)絡通信已經(jīng)影響了人們的生活與通信產(chǎn)業(yè)的走向，而5G技術的發(fā)展將會讓數(shù)據(jù)的傳輸頻率進一步加快。對鐵路運輸業(yè)來說，提高了高鐵的通信網(wǎng)絡通信質(zhì)量，減少延遲，精準列車的定位，能讓列車的通信與管理更加有序的進行。所以在高鐵通信網(wǎng)絡中應用5G技術中的各種先進技術，可以提高高鐵的運行與管理質(zhì)量。
一、5G移動通信技術
移動互聯(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，讓移動通信技術不斷研發(fā)。近年來5G移動通信技術的發(fā)展成果不斷實現(xiàn)，5G手機與5G網(wǎng)絡套餐的使用，讓5G網(wǎng)絡的普及打開序幕。而5G移動通信技術有以下特點：5G技術的數(shù)據(jù)傳輸速度快，比4G蜂窩網(wǎng)絡傳輸速率快100倍；5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡容量超大，可接入眾多設備進行工作；5G可依據(jù)智能設備支持更多的移動業(yè)務，家庭與辦公網(wǎng)絡也能全面覆蓋，覆蓋范圍廣泛；網(wǎng)絡延遲較低，能精確的對準時間，給用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的使用體驗；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/小時的移動速度中也能保持信號，5G網(wǎng)絡技術可推動高鐵通信網(wǎng)絡的不斷發(fā)展。
二、我國高鐵與高鐵通信系統(tǒng)
我國的高速鐵路在世界上屬于先進水平，在各種復雜地形與氣候下的高鐵建造技術都已系統(tǒng)的掌握，具有完善的高鐵技術體系。而2018年一年內(nèi)累積發(fā)送的高鐵旅客就有超20億人次，高鐵在我國客運與貨運上承擔著重要的分量。但我國高速列車速度太快，產(chǎn)生的多普勒效應會給高鐵通信系統(tǒng)帶來頻偏，讓基站信號接收不穩(wěn)定；各通信樞紐間距離較遠，站點的服務范圍較廣；高鐵旅客太多，網(wǎng)絡用戶集中，讓網(wǎng)絡負荷飆升，基站負荷太高讓移動用戶信號下降；高鐵行駛的區(qū)域太多，用戶的移動網(wǎng)絡頻繁的切換與重選，會出現(xiàn)掉線、切換失敗或緩慢等問題。
三、5G系統(tǒng)下應用的高鐵通信技術
5G系統(tǒng)可以融合多種技術，主要有：第一，MIMO多天線技術，其具有較高的空間分辨率，獲取多個空間資源，提高檢測器與預編碼的質(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。這項技術對高鐵通信的管理工作有重要作用，分布式的多天線技術，在合理的分配頻率下保證網(wǎng)絡穩(wěn)定，促使列車間的調(diào)動工作順利進行。第二，異構網(wǎng)絡技術，此技術的覆蓋面廣，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)絡維護成本，通過5G網(wǎng)絡實現(xiàn)智能化，完善系統(tǒng)功能，讓設備安全可靠的運行。第三，全雙工接口技術，使用時不會局限設備信號的時間與頻段，提高頻譜效率。連接不同鏈路，在通信時提高設備傳輸效率。還能監(jiān)測列車運行狀態(tài)，節(jié)省成本，針對干擾問題還需深度研究。第四，OFDM多載波技術，此技術通過濾波器實現(xiàn)，但受干擾問題影響，但5G網(wǎng)絡能改善濾波器功能，提高技術性能。針對高鐵產(chǎn)生的多普勒頻偏效應，還需在5G網(wǎng)絡下的設備實行頻偏補償，跟蹤好移動高鐵的速度，抵消頻偏問題。5G網(wǎng)絡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，不會產(chǎn)生干擾；天線則需要合理的設置方位，天線近點覆蓋，在站點與站軌間的天線角度要設置的合理，提高信號的覆蓋率。用戶在高鐵快速移動時，信號波動大，會不斷切換網(wǎng)絡小區(qū)，需根據(jù)高鐵特點設置5G網(wǎng)絡合適的切換策略，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，減少切換的時延。
四、5G移動通信技術在高鐵通信網(wǎng)絡中的應用
4.1針對高鐵乘客用網(wǎng)主要場景
高鐵中人員所在的地區(qū)范圍很廣，5G移動技術需要覆蓋以下區(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5G系統(tǒng)進行分流，并且成本低、接入與維護方便等特性，提高用戶網(wǎng)絡體驗還能作為5G系統(tǒng)的補充。第二，高鐵站臺。站臺的區(qū)域較為開放，可采用宏站進行覆蓋。在站臺間車速很緩慢，多普勒效應幾乎沒有，用戶移動較少，但人流量較大，可采用64T64RMIMO天線。第三，高鐵隧道。我國山區(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打進行覆蓋，設置在同一小區(qū)。而隧道長度超過500米，在隧道中與隧道口安裝特型天線進行覆蓋，安裝高度對應高鐵窗口，兩側不同校區(qū)覆蓋增加用戶信號。如隧道太長，可考慮新型漏纜。每隔500米設置設備洞室，安裝5G的移動基站設備BBU和RRU。第四，高鐵沿線。一般沿線都是宏站覆蓋，采用5G網(wǎng)絡起步配置8T8R的高增益窄波束天線。5G基站交錯分布在鐵路兩側，盡量利用舊的4G基站，100米左右的垂直高度，讓覆蓋性能與信號的分布和銜接更好。高鐵還需針對多普勒頻偏現(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)
我國地形復雜，高鐵沿線有各種障礙物，會出現(xiàn)衛(wèi)星信號遮擋與反射現(xiàn)象，出現(xiàn)多徑效應與丟星現(xiàn)象。那么5G移動通信系統(tǒng)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)能準確捕捉列車的位置信息。在列車發(fā)出定位時，5G系統(tǒng)能迅速找到衛(wèi)星信息，在5G網(wǎng)絡下把衛(wèi)星定位的輔助信息發(fā)送給列車，列車利用衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)能精確計算出位置。5G系統(tǒng)改善衛(wèi)星信號被遮擋現(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)保證了高鐵正常運行與管理。在5G系統(tǒng)下的高鐵通信系統(tǒng)在高鐵運輸中，通過通信系統(tǒng)實現(xiàn)與其他部門的合作，傳輸與控制好信息，科學的調(diào)度與指揮行車，實現(xiàn)集中化的管理，保證列車在運輸中的安全與管理工作的順利進行。在通信技術中還能隨時監(jiān)測路面與列車的狀況，實時的分析與檢測，能及時處理故障，提高高鐵運行的安全。5G通信技術的短延時性，讓列車間、列車與配套設施間的通信無阻礙。高鐵智能管控系統(tǒng)緊急制動告警功能的使用，實現(xiàn)智能的管理，讓列車的自動駕駛與主動安全控制得到實現(xiàn)，在5G的全面覆蓋能讓高鐵智能管控系統(tǒng)對列車自動化調(diào)度、全面監(jiān)測離行車線路與列車的狀態(tài)、列車安全自動控制功能等，讓高鐵運輸?shù)陌踩玫竭M一步的保證。
五、總結
總之，隨著5G移動通信技術的發(fā)展，相關的鐵路也進入跨時代的高速發(fā)展階段，5G移動通信技術帶給高鐵移動通信中的優(yōu)勢逐步走向成熟，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)，使高鐵的運行工作更加暢通。將來伴隨5G通信網(wǎng)絡的普及，軌道交通智能化催生許多新的鐵路業(yè)務，在智能的基礎設施上，根據(jù)大數(shù)據(jù)的融合、收集、處理，為高速鐵路運行的安全性、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：中交鐵道設計研究總院有限公司