5G技术在铁路通信工程中的实践应用分析

周德健

（中国铁建电气化局集团第五工程有限公司，四川 成都 610031）

1 国内铁路通信发展现状及铁路5G的应用场景

1.1 发展现状

2016年2月，中国移动通信集团有限公司搭建了我国第1个5G联合创新中心，旨在充分实现工业和交通业创新群体的有效联合，促进我国基础通信能力的提升，精准了解当前行业需求点和业务要求，对各种产品和应用进行融合创新，为垂直行业提供更加优质的业务方案。我国在2018年针对京沈客专展开了试验，其中包括承载多媒体调度通信等，为我国铁路5G的研究创造了良好条件。2020年4月，国铁集团决策通过发展铁路5G移动通信系统，深入探究铁路5G技术，申请专用频率并计划开展一系列实验工作，以进一步同我国新型基础设施建设部署要求相适应，加速推动我国现代化智能铁路的进一步发展[1]。

1.2 应用场景

相对于前4代移动通信技术，5G技术不仅进一步深化了人与人之间的通信服务，而且向人与物以及物与物之间的通信服务进行拓展，同当前行业整体应用需求相适应。高速铁路应用场景是5G典型应用场景之一，也是业内广泛关注的重点内容。铁路5G能够围绕着应用业务，在海量连接、低时延以及超宽带等功能方面为用户提供更加优质的体验。近些年来，我国铁路通信技术实现了进一步的发展，在原有的基础上拓宽了车地之间的通信业务需求，包括铁路物联网、自动驾驶以及远程实时监控列车车况等。

2 5G技术在铁路通信工程中的实践应用和优化路径

2.1 实践应用

2.1.1 移动通信系统

尽管当前使用的铁路数字移动通信系统能够满足移动信息服务、应急指挥通信、移动公务通信、调车监控信息传输以及调度通信等信息传递的要求，但是该系统提供的业务主要集中在数据通信和语音通信方面。移动终端同基站之间具有的传输速率相对较低，难以充分适应当前数据传输量不断增加的实际情况[2]。现阶段铁路正朝着更加高效、快速以及安全的运营模式不断迈进，提高了对铁路通信网的要求，而未来移动终端的数量势必会持续增多。随着智能调度的推广和视频监控的广泛应用，铁路移动通信系统需进行海量视频图像信息的传输。5G无线通信系统能够充分同未来各种新业务、新功能以及应用场景需求相适应，为铁路行车安全性的提升创造良好条件，并进一步提高运营效率。

2.1.2 应急通信网络

在铁路通信工程中，5G在铁路应急通信网的建设上有着较高的应用价值，能够有效提升其灵活性、快捷性以及安全性，是保障抢修指挥联络和应急运输的重要举措[3]。当产生紧急情况时，通信网络的高效运行可以在极大程度上提高应急救援成效，在突发事故的影响下产生局部网络损坏的现象，需采取相应的措施保障通信网络整体安全可靠。5G技术本身具有的高节点效率和高可用性优势，可以有效同未来应急通信网需求相适应。此外，将北斗导航定位系统与5G无线通信技术相结合，可以在原有基础上提升铁路应急通信系统功能的全面性和实效性。

2.1.3 旅客通信服务

在铁路工程中，火车站是客流密集场所之一。在车站建设中融入5G技术，能够满足高速上网的需求。社会经济发展水平的不断提升，进一步提高了乘客在网络使用方面的要求，希望在列车上依然能够顺畅开展远程会议、玩游戏以及观看视频等。但是，列车的高速行驶难免影响用户体验。针对高速列车通信而言，主要包括端到端时延和用户速率2个指标。良好的指标能够更好地满足低时延和高带宽要求，提升旅客通信服务质量，优化旅客体验感[4]。

5G NR继承了以往长期演进（Long Term Evolution，LTE）中的正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），可以方便简化接收机设置，高效落实统一的传输机制。相对于LTE来说，5G 新空口（New Radio，N R）在参数设置方面具有更高的灵活性。若是子载波间隔有所增加，会在一定程度上减小CP长度，降低系统抗多径能力。在时延小的情况下。还会在一定程度上产生相间干扰，需要5G NR子载波间隔配置处在15～240 kHz以内，具体如表1所示。

表1 5G NR子载波间隔配置

NR中的无线帧长度是10 ms，可以进一步划分成10个子帧，每个子帧长度为1 ms，帧结构如图1所示。

图1 帧结构

例如，在2022冬奥会上，旅客可以在列车上实时观看高清赛事直播。因为列车多媒体信息服务有着相对较大的下行带宽需求，且同行车之间的业务没有紧密关联，所以其业务使用5G公网承载[5]。5G基础上建设的列车多媒体信息服务系统，能够在车载天线和5G公网模块上同铁路沿线5G网络相连接，进而在运营平台上实时动态获取相应的视频源，通过多运营商汇聚向车载平台发放，车载平台对其进行汇聚、拉流以及编解码等工作，进而利用车厢中设置的无线局域网满足旅客观看比赛的需求。

2.1.4 “车-车”通信机制

在现代化铁路发展的背景下，若是在列车自动驾驶系统中依然沿用传统的“车-地-车”通信机制实现2列车辆的信息交互，会导致其出现系统结构接口复杂和设备使用过多等问题。如果要提升列车自动控制系统的科学性和完善性，则应积极研究车辆和地面基础设备之间的通信，开发“车-车”之间的通信机制。为了实现通信的稳定连接，需要承载高可靠和低时延车辆控制指令。该指令直接关系安全驾驶，并不会涉及大带宽的应用。但是，如果车辆之间需进行视频信息传输，则依然需确保其具有更高的传输速率[6]。

2.2 优化路径

2.2.1 提升乘客用网质量

为提高乘客用网质量，相关工作人员需意识到移动视频清晰度的重要性，综合考虑各方面影响因素，强化开展对4K超清视频应用需求的调查工作，明确了解5G技术具有的优势，更好地满足当前保障宽带稳定性的相关要求，加强维护，确保乘客高质量用网。相关工作人员在建设5G通信系统阶段，需要全方位了解4K超清移动视频的相关技术，并结合现有条件和相关经验总结技术需求，满足包括通话和监控等基本需求，提高乘客用网质量[7]。

2.2.2 保障传输方式安全

在工作实践中，相关工作人员针对5G技术建设的通信系统运行情况展开全面的考察和分析，意识到开放性信息传输的突出特点，对其进行总结，充分明确通信系统安全保障的重要意义，强化管控其普遍存在的黑客和病毒等问题，避免外部因素的入侵对系统正常运行造成影响，从根本上推动通信系统高质量维护工作的开展，提升系统的安全性和可靠性。此外，相关工作人员需深层次探究存在于铁路通信系统内部的故障及其特征，根据网管设置，结合相关因素和现有条件，制定信息安全控制方案，高效拦截非安全信息，在充分了解铁路系统网络通信实质性价值的基础上，更好地同网络独立性运行的实际需求相适应，支撑列车开放性信息的安全稳定传输。

2.2.3 优化卫星定位系统

除要保障用网质量和传输方式安全性以外，技术人员需在现有基础上优化卫星定位系统。在实际开展设计工作的过程中需重点开展对5G环境下信号传输难点的研究，详细了解列车沿线周边的地形条件，明确列车通信面临的各种影响因素，如树木和隧道等[8]。此外，工作人员需重点关注卫星信号的实际发射过程，全方位分析总结影响列车运行质量的各种因素，确定高层建筑物等在铁路运行方面造成的影响。此过程中还应不断总结5G网络的应用价值，以达到优化卫星辅助数据的效果，帮助工作人员精确了解铁路实际的方位信息。

2.2.4 完善智能管控系统

为了有效完善智能管控系统，相关工作人员需要深入研究5G通信系统的实际构成情况，在充分考虑列车实际运行特征的基础上，分析并监控系统的基础性保障措施，为后续高质量开展列车检测工作创造条件，切实满足列车路轨构建和应用的相关要求。此外，从各个环节着手，强化落实监督管理工作。工作人员需针对列车不同阶段产生的系统数据进行全面分析，更加精准地实现对系统运行阶段各种故障的推测，明确了解系统运行过程中有可能存在的风险，及时采取应对措施实现风险的事前控制[9]。

基于此，从每个时隙着手建立优化问题，优化问题在第τ个时隙中表示为

式中：Pmax为总功率；Ω为资源分配策略，作为优化变量，其中Ωm,s和Ωm,P分别为子载波分配策略和功率分配策略；Sm,n为子载波n在业务m间具有的分配状态。如果子载波n分配给业务m，那么Sm,n的取值便是1[10]。

业务跨层优化限制条件为

立足于现阶段铁路智能管控系统的具体需求，制定相应的实施策略，充分掌握列车运行过程中的潜在隐患和风险因素，方便后续进一步推广5G通信系统。

3 结 论

5G通信技术因其具有的无线通信载体有着突出的低时延、低功耗以及高可靠性优势，已在铁路通信工程中实现了初步应用。因此，相关研究人员应当加强对其的重视，在实践中不断总结经验教训，采取相应的优化发展策略，切实发挥出5G技术对通信工程发展的技术支撑作用。