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5G环境下高速铁路通信系统应用研究吕露露

发表时间：2021/7/28 来源：《中国科技信息》2021年9月上作者：吕露露

[导读] 目前，我国科学技术水平显著提升，铁路的移动通信系统面对着新的发展要求。第五代移动通信技术（5G）拥有传输速率高、大带宽、低时延、大规模连接设备的优势。

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摘要：目前，我国科学技术水平显著提升，铁路的移动通信系统面对着新的发展要求。第五代移动通信技术（5G）拥有传输速率高、大带宽、低时延、大规模连接设备的优势。该技术能进一步提高现有的铁路通信和运行状况，对保障列车运行智能性和安全性具有十分重要的作用。5G移动通信技术在铁路行业中的应用成为铁路无线通信发展的方向，文章就高速铁路通信系统在5G环境下的应用进行分析探讨。
关键词：5G；铁路通信；智能应用
        引言
        第五代通信系统（5G）具有超高频谱利用率、大宽带高速率、覆盖范围广、大连接以及高可靠低时延等技术优势。综述我国高速铁路通信系统和5G的基础内容，重点分析大规模天线技术、全双工技术以及超密集异构网络等5G关键技术在我国高铁通信系统中的应用。
        1.5G移动通信技术
        5G移动通信技术，即第五代移动通信技术，它是在4G与3G等技术基础上兴起与发展的一种新型技术。对5G移动通信技术的应用特点，有关研究显示，与4G技术相比，5G通信网络的数据传输速度能够达到4G的100倍左右。由此可见，5G移动通信技术的通信传输速度不仅存在大幅的提升，而且其通信质量也具有显著改善，在通信工程领域所受的关注和重视程度更高。此外，根据5G移动通信技术的标准技术参数分析，可知由于其通信传输的标准频谱在中高频段表现较为集中，使其与传统的通信技术相比，虽然具有传输速度更快的特征和优势，但也会导致其覆盖成本增加，同时由于5G通信传输中采用毫米波频率的设置较宽，但存在绕射和衍射不足情况，需要通过对MIMO引入应用来促进其天线增益提升，最终实现网络覆盖的范围拓展。
        2.5G移动通信网络的特点
        5G移动通信网络优先采用了独立组网，采用了64端口、192振子网以实现大规模天线覆盖。网络设计也考虑到了4G与5G基站耦合的需要，对非独立组网终端侧LTE频段与NR频段存在的干扰问题，选择了独立组网架构。5G空口技术框架结合场景、性能、频段、设备功能、造价等，依据需要实现技术的最优组合，参数的优化配置，保证空口技术方案的适用性，业务可以定制化，可以灵活应对5G技术下的新场景与新业务对通信网络的需求，兼容问题得以有效满足解决。5G网络架构包括了多项关键技术，如接入云、控制云、转发云。借助接入云，可以保证多种无线制式的高效接入，可以对无线接入点实施系统化的控制，有有效适应多种回传链路，保证了无线资源利用率，无线资源管理更加高效；控制云实现了会话控制的高效，可屏蔽网络存在的开放接口，有利于保证业务的部署效果；借助转发云，能对网络资源加以集中控制，数据转发更具有灵活性，海量数据传输可以保证高效与可靠。
        3.高铁对移动通信的业务和功能需求
        （1）在智能建造方面，以BIM+GIS技术为核心，应满足工程设计及仿真、数字化工厂、精密测控、自动化安装、动态监测等工程化应用，以及勘察、设计、施工、验收、安质、监督等环节对移动通信的需求。例如，解决勘察数据高效采集和传输，BIM的精细化建模以及BIM工程管理平台和现场施工的实时数据交互，桥隧路轨、客站、四电等施工现场的智能化作业，智能工地现场数据实时回传和分析。通过建造过程智能化信息实时交互，全面提升建筑工程和生产制造的质量、安全、环境、效益的管理水平。（2）在智能装备方面，着重解决全方位态势感知、自动驾驶、运行控制、故障诊断、故障预测与健康管理的通信需求，实现高铁移动装备及基础设施的自感知、自诊断、自决策、自适应、自修复。

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例如，车车通信列车接近预警、司机超视距驾驶、列车运行控制、自动驾驶、多媒体调度通信等新技术应用，可提升运输生产安全水平和效率；通过实施铁路沿线远程视频实时监测、技术作业站智能调车等技术手段，可减少沿线巡检人员、现场调度人员数量，降低劳动强度，提高工作效率。
        4.5G系统下应用的高铁通信技术
        4.1超密集异构网络技术
        超密集异构网络技术融合多种无线接入技术，覆盖不同范围、承担不同功能的大、小基站在空间中采用极度密集部署的方式，能够满足未来高铁通信系统的多元化需求。据预测，在宏基站的覆盖范围内，未来低功率节点的部署密度将升至当前密度的10倍以上，节点间距将降至10m以下，甚至每个节点均有对应的用户。因此，超密集异构网络具有大容量、大面积覆盖、低拥塞、高频谱效率以及高服务质量（QualityofService，QoS）满意度等优势，但是也存在不少问题，如同频干扰、共享频谱资源干扰、层间干扰以及频繁切换等。因此，行业需重点研究如下内容：5G网络中相邻节点的传输损耗较为接近，使得目前的干扰管理算法和干扰协调算法难以应对；由于节点的开启、关闭具有突发性和随机性，网络拓扑和干扰可能存在大范围动态变化，且由于密集部署导致系统运营成本和能源消耗急剧提升，高效的网络动态部署技术是广大学者的主要研究内容；小区边界模糊化和形状不规则化导致小区频繁切换，需要深入探索低复杂度的切换算法。
        4.2天线技术
        5G时代的移动通信应用了大规模的MIMO，线性预编码的应用与信号检测技术的实现，能降低传输噪声与信号快速衰落存在的影响，保证小区内不受到干扰。MIMO技术应用于节点扩展与传输部署具有优势，因此推动了5G网络的发展。由于节点扩展技术得以应用，可以发挥4G通信网络的作用，借助定向天线来消除限制因素的影响。在信号传播中，角度会不定向加以扩散，扩展等级受到影响。由于应用了大规模MIMO，基站天线原有的阵列不会受到空间与时域改变的影响，特别是上行导频为时分双工估计信度，5G传输得以保证。采用了新型的部署和框架，利用低增益谐振天线阵列取代原有的基站，部署天线阵列更具有灵活性。
        4.3同时同频全双工技术
        无线通信设备时间频率一致，无线信号的发射、接收也可以同步进行，即为同时同频全双工技术，该技术有利于提升无线通信线路频谱利用率。5G无线通信中的同时同频全双工技术，深入开发无线频谱资源，但发射与接收信号的终端存在频率方面的差异，所以在传输过程中可能会面临自干扰，这也是5G通信传输的影响因素。一般会利用相互抵消这一措施，将全双工技术运用于5G无线传输，解决信号自干扰问题。不同模拟端之间存在互相干扰，将这种干扰及时消除，或者消除数字端部分干扰信号，整合之后也可以解决自干扰问题。
        结语
        5G网络通信已经影响了人们的生活与通信产业发展方向，目前国内三大运营商已上线了5G商用套餐，标志着5G网络建设的第一步已经到位，5G网络时代已经初步形成。对铁路运输业来说，5G能提高高速铁路的通信网络通信质量，通过有效运用5G的各种技术，不仅能让列车的通信、运行和管理更加有序，而且还能提高智能高铁智慧化水平。
参考文献
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