刘志刚1 崔炳胜2
1中国铁路昆明局集团有限公司电务处650217
2北京铁路通信技术中心100038
摘要：我国进入到5G 时代后，传统带宽在移动互联的作用下有了明显变化，直接改善了时延、大量终端接入等问题，体现出智能感应与大数据技术等诸多优势，整合型优质高效服务体系。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
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。
15G无线通信概述
铁路通信主要表现在信息承载和调度通信两个方面，其中涉及的内容比较多，例如行车指挥、列车控制与安全防范等。现阶段铁路专用移动通信是以450MHz无线列调、900MHzCSM-R系统为主[1]。随着5G无线通信技术的出现与应用，相比之前应用的通信技术，速度更快、功耗与时延更低，而且具有泛在网、万物互联、重构安全体系的功能。在铁路通信系统中应用，5G无线通信可以将通信速率、延时通信、海量互联等诸多领域存在的问题解决，组建更加完善的综合通信体系。
2铁路通信常见的5G无线通信技术
2.1超密集异构网络技术
铁路通信系统始终面临带宽的问题，要想扩大带宽，5G无线通信直接利用28GHz-32GHz频率，即毫米波便可达到该目的。毫米波本身穿透能力有限，若铁路通信应用毫米波频率，那么便不能穿透障碍，要建设大量微基站，而且所有微基站网络要密集部署。采用密集部署方式设置网络，将终端、节点距离更近，有利于提高网络功率、频谱效率。5G无线通信涉及“异构”的概念，5G无线通信面对不同结构，往往要采取相应措施维持系统性能的发挥，而且要体现在网络中各个业务的作用，所有节点之间协调、选择网络、节能配置也是十分有效的方法。不同网络整合成为体系，即超密集异构。尽管超密集异构网络技术是5G无线通信相对重要的技术，而且在通信传输方面有极大的空间，然而也难免会存在一些不足，例如节点之间排列过于紧密，大致彼此之间的距离十分有限，通信系统运行也会面临一些问题。因为相同种类的无线接入会面临同频干扰，或者不同种类无线接入之后引发分层干扰。针对以上问题，需要在今后铁路通信系统完善与创新的过程中，进一步探讨5G无线通信传输。
2.2毫米波通信技术
4G系统的最高频率为2GHz左右，可用频谱带宽只有100MHz。毫米波频率在30GHz～300GHz之间，频谱宽较宽，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，因此能提供稳定的传输信道；由于波长在1～10mm之间，波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内和移动设备上集成大规模天线阵，实现超高速数据传输。
2.3超低时延技术
5G技术降低时延的思路：一是大幅度降低空口传输时延。采用新型帧结构，利用更短的子帧长度，在同一子帧内完成确认反馈；二是要尽可能减少转发节点，缩短源节点到目的节点之间的“距离”，在实际应用中，可以采用终端直接通信（D2D）模式，让设备之间可以直接通信而不再需要网络；采用移动边缘计算技术（MEC），将计算、处理和存储推向移动边界，让海量的数据能够进行实时和快速的处理，以减少时延。
2.4异构网络技术
将不同类型网络融合起来，增加不同站点之间的密度，根据用户的特点（如车载用户）、业务特点（如实时性要求高）和网络的特点，来为用户选择合适的网络，满足终端业务的多样性需求的同时也提供了更好的服务质量。此技术能在原网络基础上增大覆盖范围，有效提升系统容量，使得通信系统更具灵活性，同时也降低了网络维护成本；通过5G网络可以无处不在进行服务和无缝切换，使通信系统功能更加完善和智能化，促使铁路设备运行更加可靠。第五，全双工接口技术。在同一信道上同时进行信号的接收和发送，不再局限于设备信号的时间和频段，能够将频谱效率提高一倍，有效节约成本。在连接不同链路时，还可以监测列车运行状态，有效保障了列车运行的安全性。
3铁路通信系统应用5G技术的典型场景
3.1特殊环境
火车站是典型的客流密集场所，采用室内5G组网分布覆盖，可以满足旅客超高清移动视频直播、视频通话、视频会议和视频监控等需求，同时也为5G赋能智慧火车站提供了可能，进一步提升铁路系统以及火车站的管理效率和服务品质。高铁隧道。我国山区较多，隧道也较多，可采用特型天线，在短距离直线隧道前后采用天线进行覆盖。一般情况下，可以在隧道中与隧道口安装特型天线进行覆盖，两侧不同区域覆盖增加用户信号。如隧道太长，可考虑新型漏缆，每隔500m设置设备洞室，安装5G的移动基站设备BBU和RRU。高铁沿线。采用宏站覆盖，尽量利用旧的4G基站，配置高增益窄波束天线，让覆盖性能与信号的分布和衔接更好。
3.2调度通信
5G网络满足超高流量密度运用，可达到每平方公里数十Tb/s的流量密度，具备Gb/s级的用户体验速率，可以满足列车无线列调区段内的调度员、车站值班员和机车司机、车长之间的无线通信。除了通过数字调度通信系统中的调度电话、专用电话、站间区间电话等传统调度语音通信外，还可以进行视频通话等功能。由于具备完整的优先级处理、质量保证机制和集群调度功能，可用于控制中心调度与各站、段值班员、司机之间的单呼、组呼、全呼、强插、强拆等不同优先级通话等调度通信业务。
3.3集成的多媒体通信
在多媒体通信功能方面，5G也能加强多媒体信息传输技术，将原本单一的文本格式短消息扩展升级为富媒体消息，消息内容不再仅仅是文本，还能支持图片、音频、视频、位置、联系人等多种形式。铁路运营应用中，会议电视系统、流媒体应用、视频监控系统、旅客信息系统等多媒体面临的主要问题就是信道容量问题和大容量通信传输问题，而5G通信技术正好能有效解决这些问题。
3.4网络化行车控制
5G技术拥有高带宽，能实现毫秒（ms）级端到端时延，可以支持500km/h以上的超高移动性速率，因此能够稳定、可靠地实现各类车载设备间和车地设备间的通信，可以实时监控列车运行，实现自动化调度和主动安全控制功能；实时监测列车及行车线路状态，将路轨状况、列车状况等上传到数据库，再通过实时分析，对可能出现的故障进行检测及预判，提出合理的解决方案，从而减小了列车运行中的故障率，保障了列车的运行安全。
结束语
综上所述，5G无线通信是现阶段我国铁路通信系统建设与完善的关键技术，充分发挥5G无线通信作用，可以提高铁路行车、调度等关键信息数据传输的效率，在原有铁路通信系统功能的基础上进行完善，使铁路通信系统建设符合5G时代发展要求，在今后通信系统建设过程中也可以明确5G技术的优势。
参考文献
[1]蔺伟，李毅，姜博，等.2100MHz频段铁路5G专网电磁兼容特性研究[J].中国铁路，2020（11）：22-28.
[2]何笛丽.5G在铁路信号控制系统上的应用研究[J].数字通信世界，2020（05）：60-61.
[3]王莉，张宇.浅析基于5G技术的铁路站房安防系统[J].智能城市，2020（14）