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高铁通信网络中5G移动通信技术的应用

高铁通信网络中5G移动通信技术的应用摘要: 【摘要】5G移动通信技术是“第五代数字蜂窝移动通信技术”,该技术将以其高传输速率、覆盖范围广、传输速度快、能大规模连接设备和更低信号延迟的优点,在技术上改善现有的通信状况与高铁的运行状况,帮助高铁运行更…

【摘要】5G移动通信技术是“第五代数字蜂窝移动通信技术”,该技术将以其高传输速率、覆盖范围广、传输速度快、能大规模连接设备和更低信号延迟的优点,在技术上改善现有的通信状况与高铁的运行状况,帮助高铁运行更加智能、安全,对地区经济发展和产业结构调整都有极大的助力作用。本文就5G移动通信技术在高铁通信网络中的应用进行分析探讨。

【关键词】5G移动通信技术;高铁通信网络;应用

5G网络时代已经初步形成,19年11月1日,三大运营商已经上线5G商用套餐,表示运营商对5G网络建设的第一步已经到位。4G网络通信已经影响了人们的生活与通信产业的走向,而5G技术的发展将会让数据的传输频率进一步加快。对铁路运输业来说,提高了高铁的通信网络通信质量,减少延迟,精准列车的定位,能让列车的通信与管理更加有序的进行。所以在高铁通信网络中应用5G技术中的各种先进技术,可以提高高铁的运行与管理质量。

一、5G移动通信技术

移动互联网的发展,各种智能终端的使用,用户不断增多,数据流量飞速增长,让移动通信技术不断研发。近年来5G移动通信技术的发展成果不断实现,5G手机与5G网络套餐的使用,让5G网络的普及打开序幕。而5G移动通信技术有以下特点:5G技术的数据传输速度快,比4G蜂窝网络传输速率快100倍;5G系统的网络容量超大,可接入众多设备进行工作;5G可依据智能设备支持更多的移动业务,家庭与办公网络也能全面覆盖,覆盖范围广泛;网络延迟较低,能精确的对准时间,给用户提供更加优质的使用体验;5G系统的能耗与成本较低,使用范围更加广泛。最重要的是5G系统在500千米/小时的移动速度中也能保持信号,5G网络技术可推动高铁通信网络的不断发展。

二、我国高铁与高铁通信系统

我国的高速铁路在世界上属于先进水平,在各种复杂地形与气候下的高铁建造技术都已系统的掌握,具有完善的高铁技术体系。而2018年一年内累积发送的高铁旅客就有超20亿人次,高铁在我国客运与货运上承担着重要的分量。但我国高速列车速度太快,产生的多普勒效应会给高铁通信系统带来频偏,让基站信号接收不稳定;各通信枢纽间距离较远,站点的服务范围较广;高铁旅客太多,网络用户集中,让网络负荷飙升,基站负荷太高让移动用户信号下降;高铁行驶的区域太多,用户的移动网络频繁的切换与重选,会出现掉线、切换失败或缓慢等问题。

三、5G系统下应用的高铁通信技术

5G系统可以融合多种技术,主要有:第一,MIMO多天线技术,其具有较高的空间分辨率,获取多个空间资源,提高检测器与预编码的质量,局限波束的范围,减少外界的干扰。还能控制发射功率,提高整体效率。这项技术对高铁通信的管理工作有重要作用,分布式的多天线技术,在合理的分配频率下保证网络稳定,促使列车间的调动工作顺利进行。第二,异构网络技术,此技术的覆盖面广,可提高系统的容量与频谱效率,提高系统的灵活性。还可降低网络维护成本,通过5G网络实现智能化,完善系统功能,让设备安全可靠的运行。第三,全双工接口技术,使用时不会局限设备信号的时间与频段,提高频谱效率。连接不同链路,在通信时提高设备传输效率。还能监测列车运行状态,节省成本,针对干扰问题还需深度研究。第四,OFDM多载波技术,此技术通过滤波器实现,但受干扰问题影响,但5G网络能改善滤波器功能,提高技术性能。针对高铁产生的多普勒频偏效应,还需在5G网络下的设备实行频偏补偿,跟踪好移动高铁的速度,抵消频偏问题。5G网络在高铁通信中还能优化切换带与天线,而切换带需要合理的优化,保证大小适中,不会产生干扰;天线则需要合理的设置方位,天线近点覆盖,在站点与站轨间的天线角度要设置的合理,提高信号的覆盖率。用户在高铁快速移动时,信号波动大,会不断切换网络小区,需根据高铁特点设置5G网络合适的切换策略,保证切换能快速的顺畅的完成,可采用小区合并方式减少小区切换现象,减少切换的时延。

四、5G移动通信技术在高铁通信网络中的应用

4.1针对高铁乘客用网主要场景

高铁中人员所在的地区范围很广,5G移动技术需要覆盖以下区域,第一,高铁候车大厅。候车大厅基本是封闭式的室内,面积较大,人流量大,可采用室内5G和WiFi融合组网分布覆盖,数字化室内分布。如采用室外的宏站,效果较差。WiFi可对5G系统进行分流,并且成本低、接入与维护方便等特性,提高用户网络体验还能作为5G系统的补充。第二,高铁站台。站台的区域较为开放,可采用宏站进行覆盖。在站台间车速很缓慢,多普勒效应几乎没有,用户移动较少,但人流量较大,可采用64T64RMIMO天线。第三,高铁隧道。我国山区较多,隧道也较多,可采用特型天线,在短距离直线隧道可在隧道前后采用天线对打进行覆盖,设置在同一小区。而隧道长度超过500米,在隧道中与隧道口安装特型天线进行覆盖,安装高度对应高铁窗口,两侧不同校区覆盖增加用户信号。如隧道太长,可考虑新型漏缆。每隔500米设置设备洞室,安装5G的移动基站设备BBU和RRU。第四,高铁沿线。一般沿线都是宏站覆盖,采用5G网络起步配置8T8R的高增益窄波束天线。5G基站交错分布在铁路两侧,尽量利用旧的4G基站,100米左右的垂直高度,让覆盖性能与信号的分布和衔接更好。高铁还需针对多普勒频偏现象开启高速频偏矫正功能。

4.2在5G系统下辅助式卫星定位系统

我国地形复杂,高铁沿线有各种障碍物,会出现卫星信号遮挡与反射现象,出现多径效应与丢星现象。那么5G移动通信系统的卫星定位系统能准确捕捉列车的位置信息。在列车发出定位时,5G系统能迅速找到卫星信息,在5G网络下把卫星定位的辅助信息发送给列车,列车利用卫星辅助数据能精确计算出位置。5G系统改善卫星信号被遮挡现象,在城市隧道中还能让列车定位精确。

4.3在5G系统下的高铁智能管控系统

高速铁路通信系统保证了高铁正常运行与管理。在5G系统下的高铁通信系统在高铁运输中,通过通信系统实现与其他部门的合作,传输与控制好信息,科学的调度与指挥行车,实现集中化的管理,保证列车在运输中的安全与管理工作的顺利进行。在通信技术中还能随时监测路面与列车的状况,实时的分析与检测,能及时处理故障,提高高铁运行的安全。5G通信技术的短延时性,让列车间、列车与配套设施间的通信无阻碍。高铁智能管控系统紧急制动告警功能的使用,实现智能的管理,让列车的自动驾驶与主动安全控制得到实现,在5G的全面覆盖能让高铁智能管控系统对列车自动化调度、全面监测离行车线路与列车的状态、列车安全自动控制功能等,让高铁运输的安全得到进一步的保证。

五、总结

总之,随着5G移动通信技术的发展,相关的铁路也进入跨时代的高速发展阶段,5G移动通信技术带给高铁移动通信中的优势逐步走向成熟,随着铁路高速化的发展,提高数据信息传输效率,改善高铁通信系统,使高铁的运行工作更加畅通。将来伴随5G通信网络的普及,轨道交通智能化催生许多新的铁路业务,在智能的基础设施上,根据大数据的融合、收集、处理,为高速铁路运行的安全性、精确性、和高速性提供了有力的保障。

参考文献

[1]王海涛.数字化室分系统应用研究及未来5G室内覆盖展望[J].电信工程技术与标准化,2019(2):64-69.

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[3]翟冠楠,李兆勇.5G无线通信技术概念及相关应用[J].电信网技术,2013(09):1-6.

[4]李伟,魏运锋,刘庆东.LTE高铁覆盖多场景组网规划[J].邮电设计技术,2017(5):48-53.

作者:王继宇 单位:中交铁道设计研究总院有限公司

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作者: 论文库

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