5G技术及其在铁路通信中的应用

5G技术及其在铁路通信中的应用

陈锐

中铁建电气化局集团南方工程有限公司湖北省武汉市430000

摘要：当前，4G技术的功能较为健全，为人们的生活提供了极大便利，但仍然处在不断发展的过程中，为5G时代的全面到来奠定了一定基础。5G技术的优势体现在多个方面，如频带利用率高、通信性能好等，这对铁路运输业来说十分必要。因此，铁路通信系统可有效运用5G系统中包含的各项先进技术，确保列车的调度更加合理。本文对5G技术及其在铁路通信中的应用进行探讨。

关键词：5G技术；铁路通信；应用

一、5G系统指标

1、频带利用率

铁路通信形成之初至现在，已经经过了相当长的时间。因此，管网系统已经较为成熟，其中融合了较多先进技术。在对系统的运行效率进行衡量时，可运用多种指标，并以此为依据进行综合性评价。其中，最重要的一个评价指标就是频带利用率。通过这项指标能够更加直观地了解系统性能。从铁路通信对频带的应用程度来看，当前仍处在较低的层次，主要原因在于无线电波的穿透能力过强，导致频带损耗量较大，自然就使得频带的利用率始终难以得到有效提升。而5G的到来则有效解决了这一问题，系统中所包含的各项技术能够使频带利用率在原有基础上得到有效提升，进而将频带损耗量控制在最小范围。

2、系统性能

5G系统中包括多项先进技术，能够有效保障系统运行的安全性。这些先进技术可利用通信网络进行融合，进而使系统功能在原有基础上得到有效提升。同时，系统可发挥控制、交换等多项功能，有效提升资源利用率。5G系统还具有群呼等功能，能够对列车进行科学合理调度，使通信频率的分配更加有效。

3、集中管理

5G时代系统控制的要点在于资源的配置，进而使列车维修、应急救援等多项问题得到有效处理。5G技术还能有效节约开支，起到控制成本的作用。另外，5G技术能够发挥智能化管理的作用，进而有效提高系统的管理效率。

二、5G的应用

1、多天线技术

第一，具有较高的空间分辨率，能够获取更多空间资源，实现多个用户的自由通信，进而在此基础上有效提升频谱效率。第二，能够局限波束的范围，将外界干扰控制在最小范围。第三，控制发射功率，有效提升整体的功率效率。第四，提升预编码和检测器的质量，能够抵抗许多干扰因素。多天线技术的研究可从以下几个方面进行具体说明。第一，信道建模，需要在实测基础上获取相应参数，通过计算机进行仿真处理。这项工作较为复杂，因此技术方面要求相对较高。第二，空间分址，即在大维矩阵空间中获取更多资源。目前，华为、大唐多个领域都已经达到了这一要求。另外，当前规模最大的是空分多址，这项技术能够有效提升5G技术的性能，但其具有较大难度，还须加大研究力度。第三，信道导频，由于天线数量较多，因此估计时需要较大的开销，而信道估计也是目前要解决的一个重要问题，只有在此基础上才能顺利实现大规模的MIMO多天线技术。该技术在铁路通信的管理工作中能够充分发挥作用，有效保障网络的稳定性，并且合理分配频率，促使调动工作顺利完成。同时，系统传输效率也与天线数量有着较高关联性，因而能够合理利用频谱资源。此外，多天线技术能够进行功率发送，进而充分展现铁路设备的功能，使通信系统的布局更加合理。

2、全双工技术

全双工是5G技术中的一项接口技术，优势在于能够使终端设备信号的发送不局限于时间和频段，且使频谱效率在原有基础上提升了一倍左右，但同频信号会使接收信号受到影响。因此，这项技术需要解决的问题是如何控制干扰。当前，在消除干扰时采用的主要方法是数字域法，即对干扰参数进行估计，起到消除干扰的作用。当前使用的技术已经基本能够有效控制干扰，但在此基础上所建模型十分简单，且研究多局限于理论层面，缺乏实践经验，还需做进一步研究。要控制功率、能耗等，促使技术更加完善。从目前的应用情况来看，尽管全双工技术有一些缺陷，但在铁路通信中仍然具有优势，使系统中的不同链路顺利实现通信

，且有效提高了资源利用率，明显提升了设备的信息传输效率，也使列车的各项运行信息能够处于监测状态下，有效保障了列车运行的安全性。同时，应用这项技术时还能够将系统风险控制在最小范围，促使列车运行更加可靠。另外，该技术的应用也解决了资源耗量过大的问题，缩减了成本支出。但是，针对以上提出的全双工技术中存在的问题，还须加大研究力度，促使其在铁路通信中发挥更大的作用。

3、异构网络

当前，数据业务的需求量持续增加，且增幅度较大，使当前的无线通信面临着一定挑战。通过密集异构网络能够解决这一问题。它的覆盖范围较大，能够提升系统容量。估测结果显示，无线网络未来不同站点之间的密度将会是现在的10倍左右，且不同站点之间的距离将会越来越小，甚至在10m以内.这增加了限定范围内的用户数量，且每个节点都有对应的用户。同时，这项技术能够有效提升频谱效率和系统容量，进而增强系统的灵活性。另外，网络中不同技术之间通常会存在一定干扰，进而导致系统性能受损，因此还须进一步研究。此外，这项技术的应用能够降低网络维护成本，但还需要实现多层次的统一与联合，进而使技术的配置更加合理。当前，铁路通信在科学技术的推动下将逐步实现智能化，因此终端设备的性能与质量必须在现有基础上有所提升。超密集密度网络能够覆盖较大范围，且能够使系统功能更加完善，可将其运用于铁路通信系统，促使铁路设备运行更加可靠。这项技术的应用也使得系统各项参数的配置更加合理，确保各项技术能够同时应用于系统，进而满足不同用户的需求。

4、多载波技术

目前，铁路通信急需解决的问题是频谱效率和干扰问题。因此，可将多载波技术应用于其中，满足不同频率的要求，且适当增加信道数量，使系统中较为复杂的问题通过计算尽快得到处理。多载波技术主要通过滤波器实现，要求在设计时必须充分考虑铁路的业务需求，不断调整设计方案，确保系统的运行能够更加可靠和安全，提高系统处理各项业务的效率。5G时代全面到来后，滤波器的功能将会更加完善，将促使铁路通信系统的性能更好，系统指标更加清晰，各项先进技术的应用更加合理。

三、基于5G的高速铁路移动通信技术

第一，无线信道建模。目前，高速铁路对散射环境的要求较为简单，LOS特征较为显著，意味着通信环境比较优质。另外，移动速度过快会增强多普勒频移，但LOS可有效控制这一问题。第二，分布式网络和云架构。当前，网络基站的资源使用率较低，为了确保铁路运行足够安全，应采取间隔发车的方式，有效减少同一线路的列车数量，进而控制资源浪费问题。云无线接入网络架构对于这一问题的处理具有重要作用，能够将集中基站的公用资源转移至某一基带，进而集中控制资源。第三，控制面和用户面分离。通常情况下，服务基站与接入用户之间存在两个平面的连接。控制面用于指令的控制，而用户面则处理业务数据的传输。如果控制面的覆盖范围足够大，就能够保障用户的移动性。在此过程中，如果需要考虑成本问题，也可采用LTE-R遗留频段的方法。另外，还应在高频段处放置数据的承载者，有效扩充系统容量。第四，异构网技术。系统容量的增加可通过频谱效率的增强来实现，但系统宽带更易发挥作用。目前，在扩充系统容量过程中主要采用非许可证频段。该技术的协调方案容易受到干扰。为了避免出现这类问题，首先必须进行信道质量检测，其次进行信道筛选，最后选择出满足最低要求的信道。第五，多天线技术。该技术的应用能够改变不同天线阵列间的关联性，之后LOS在高速铁路的环境下就可有效扩充系统容量，但越区切换将直接影响列车运行的安全性。因此，需要采用分布式天线技术，有效减少切换次数。

结束语

总而言之，5G技术最突出的优势在于能够展现多项技术的优势，促使问题高效处理。5G技术的优势对于铁路通信来说十分适用，能够有效提升传输网的效率，及时处理故障，使系统运行更加稳定、安全。

参考文献

[1]郎保真.5G技术及WRC-19铁路交通新议题[J].中国铁路,2015(12)

[2]王宁.浅析光纤通信技术在铁路通信系统中的应用[J].科技创业家,2013(15)