浅谈高速铁路通信系统在5G环境下的应用

张弛

摘  要： 高速铁路通信系统的构建是影响高铁运营质量的重要工作， 在5G网络推广普及的情况下， 高速铁路通信系统的建设拥有了较为理想的基础 条件。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

目前，中国铁路建设事业在科技力量的驱动下，逐渐迎来了全新的发 展机遇与挑战。结合当前的发展情况来看，以大数据技术以及云计算技术 为主的先进技术已经广泛应用于铁路建设事业当中，尤其是在高速铁路建 设体系当中。在上述技术的驱动下，智能化调度、监控以及安全管理俨然 成为当下高速铁路的发展方向。 2018年由中国制造的智能高铁在京沈高铁 路线正式试行，其中，以自动驾驶系统为主的智能系统被应用于高铁建设 体系当中。可以说，无人驾驶将会成为未来高铁行业的目标方向。在这样 的发展趋势下，高铁铁路通信系统应该及时解决当前系统稳定性差、承载 效果不足的问题，为高铁铁路运行的安全性与稳定性提供内在驱动力。

1 5G 移动通信技术

第五代移动通信技术（ 5G ）是第四代移动通信技术（ 4G ）之后的新 一代移动通信技术。 5G的核心性关键技术主要包括大规模MIMO技术、网 络体系架构、超密集组网、全频谱式接入和全双工通信技术。相较于4G技 术， 5G具有显著的优势， 包括数据传输速度快， 网络速度高达4G技术的 100倍，带宽是4G技术的1000倍，网络延时缩短至 ≤ 1ms，实现了端与端 延时毫秒级，能精确地对准时间，给用户提供更加优质的使用体验;而且 5G网络容量超大，可接入众多设备进行工作， 覆盖范围广泛， 进而满足物 联网的需求实现万物互联，能耗与成本较低，适用范围更加广泛。

2 国内外高速铁路通信系统发展现状

高铁列车的智能化、无人化对铁路移动通信的可靠性、安全性提出 了更高的要求，而列车旅客携带的智能手机、笔记本电脑、平板电脑等移 动智能设备对铁路移动通信的无线宽带及通话等服务提出了更高的要求。 随着中国高速铁路的发展，与之配套的铁路移动通信系统也应不断发展以 满足可靠性、稳定性、安全性以及大容量等多方面的要求。现在国际上比 较常见的应用于高速铁路的通信系统主要为GSM-R  （综合专用数字移动通 信系统），该系统可以实现对列车的调度、监控及管理，也可以满足旅客 的简单通信要求。但随着智能调度以及视频监控等列车安全辅助系统的应 用，现有的技术已经无法满足高速铁路通信的高速数据传输要求，且现有 方案不利于旅客的智能手机等智能便携设备接入专用移动网络，这也导致 旅客在列车上的通话、网络连接等体验不佳。在乘坐高铁列车时，会进入 不同的通信基站范围，为了保证通话和网络连接不间断，系统会自动进行 切换，当高铁列车以350千米每小时运行时，这种系统的自动切换每6秒就 要发生一次，以现有的铁路通信技术，难以保证这种切换的稳定性。除此 之外，还需要考虑其他因素的影响，如当高铁正常运行时，由于运动速度 过快， 且4G（第四代移动通信技术）系统频率较高，由于多普勒效应的影 响会导致信号错位，多径效应等也会对信号的传输造成影响。现有的通信 技术，如4G系统会应用一些补偿算法对这些有害效应进行一定程度的抑 制，但效果并不理想，这也导致在高铁列车上3 5G环境下高速铁路通信系 统的应用分析

2.1  提升高速铁路智能管控系统成熟度

要加强对5G通信系统构成情况的考察，结合列车的运行特征，对实 施监控系统的基础性保障加以分析，以便高速铁路的通信系统可以为列 车检测设备的成熟应用提供必要支持，从而满足高铁列车路轨的构建和使 用需要，并保证相应的监督管理措施得到改良。要对高铁列车运行过程中 的系统数据内容加以分析，并对系统运行过程中的各类故障进行精准的检 测，结合高速铁路智能管控系统的实际应用需要，构建符合故障管控需求 的具体策略，使列车运行质量的各方面影响因素得到有效明确，进而满足5G通信系统的推广普及需要。要对高速铁路列车的信息时延情况进行特征 分析，并从信息资源的毫秒级传输角度出发，制定设备连接密度的管控方 案，为列车的稳定运行提供必要支持。

2.2  加快完善辅助式卫星定位系统

在针对高速铁路进行卫星定位系统设计过程中，一定要对5G环境下的 信号传输难点加以分析，并对高铁列车沿线的地形地貌特征予以研究，使 隧道和树木等影响因素得到充分明确，保证高铁列车的运营可以有效满足 5G通信环境下的信息传导需要。要加强对卫星信号发射过程的关注，并对 高铁列车运行质量的影响因素进行全面总结，以便高层建筑物等因素对高 速铁路的影响可以得到明确认定， 以此实现对5G通信系统的成熟应用。高 铁列车还需要加强对5G网络实际应用价值的总结， 使卫星辅助数据可以得 到进一步优化，确保高铁具体的方位信息得到明确。

2.3  5G系统下乘客用网的应用分析

近些年来，随着移动设备与移动网络的规模化发展，移动设备在线 视频观看频率已经超出传统在线视频观看时长。目前，随着移动视频的普 及应用，移动视频清晰度已经从原本的标清提升到高清，乃至当前的4K超 清。但是从当前的情况来看，现有的4G系统难以满足4K超清的要求， 且在 带宽稳定性方面也难以达到规定要求。

2.4  网络化行车控制

5G技术拥有高带宽，能实现毫秒（ ms ）极端到端时延，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。这也为未来实现无人驾驶、远程驾驶或者增强现实（ AR ）智能驾驶 技术，打造下一代自动驾驶系统等智能铁路的行车控制系统提供了可能。

2.5  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、質量保证机制 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。

4 结束语

5G技术的应用为高速铁路优化通信系统提供了高水平支持。因此，对目前高速铁路通信系统在5G环境下应用存在的问题加以总结， 并制定符合 5G环境特征的高速铁路通信系统改进策略，对提升高速铁路通信系统的总 体构建质量，具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]王增浩，杨丽花，等.5G-NR毫米波HSR上行多用户系统中多普勒频偏估计 方法[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2019，39（06）：28-34.

[2]侯天宇，周杰，等.5G多天线城市降雨环境下的信道模型研究[J].电子测量技 术， 2020，43（02）：21-25.

[3]王承祥，黄杰，等.面向6G的无线通信信道特性分析与建模[J].物联网学报， 2020，4（01）：19-32.

1908501705251