展望5G时代智能高铁的运用

发表时间:2019/3/5   来源:《知识-力量》2019年6月上   作者:李瑞
[导读] 第五代移动通信(5G)是基于前几代无线通信技术的发展,顺应社会对无线连接的需求,可提供海量连接、极限带宽和极低时延的无线通信技术。5G技术将以人为主要服务对象的无线通信,延伸到人与物全连接,实现了万物互联,能够推动工业自动化水平再次飞跃,为进入工业革命第四阶段提供了途径。2017年底,我国的高铁运营里程已达2.5万公里,占

(中国铁路广州局集团有限公司,广东 广州 510080)
摘要:第五代移动通信(5G)是基于前几代无线通信技术的发展,顺应社会对无线连接的需求,可提供海量连接、极限带宽和极低时延的无线通信技术。5G技术将以人为主要服务对象的无线通信,延伸到人与物全连接,实现了万物互联,能够推动工业自动化水平再次飞跃,为进入工业革命第四阶段提供了途径。2017年底,我国的高铁运营里程已达2.5万公里,占全球高铁里程的66.3%,已成为中国领先世界的一个名片。未来我国的高铁建设将会向“八横八纵”迈进,届时高铁里程将达到3万公里。5G技术在高铁领域的运用,不论是在传统铁路通信业务还是新业务、新应用上都能带来革命性的发展。
关键词:5G;智能高铁;无线通信;D2D;虚拟现实(VR)

 
        第一章 5G技术的发展
        从20世纪五六十年代开始部署的第一代商用模拟移动通信系统开始运用到现在,无线通信已经经历了半个多世纪的发展。第一代移动通信系统(1G)依据70年代贝尔实验室提出的蜂窝网概念采用了频分复用模式,语音信号为模拟调制,每隔30/25kHz一个模拟用户信道,大大提高了系统容量,在商业上取得了巨大的成功。
        为了克服模拟移动通信具有的频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、成本高、容易被窃听等缺点,数字移动通信技术应运而生,也就是以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统(2G)。我国高铁数字移动通信技术GSM-R网络,就是从GSM发展演化而来。
        由于第二代移动通信系统以传输语音和低速数据业务为目的,而网络的发展促进了数据和多媒体通信业务的快速发展,所以第三代移动通信(3G)的目标就是移动宽带多媒体通信。3G是一种真正意义上的宽带移动多媒体通信系统,能提供高质量的宽带多媒体综合业务,并实现了全球无缝覆盖、全球漫游。
        第四代移动通信技术(4G)的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。4G比3G拥有更多功能,可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务,可以在任何地方用宽带接入互联网,能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。
        随着20世纪的两个主要产业的融合,即电信产业和计算机产业的融合,21世纪诞生了信息通信技术(又称ICT技术),推动了移动互联网和物联网的发展,也成为了未来移动通信发展的主要驱动力。面向2020年及未来,第五代移动通信系统(5G)将满足数据流量的千倍增长,百亿设备连接和多样化的业务需求,5G将支持更加多样化的场景,融合多种连接方式,充分利用低频和高频等频谱资源。
        2018年6月14日,国际移动通信标准化组织(3GPP)发布了5G第一阶段的确定标准,意味着5G无线通信技术在全面商用上迈出了关键的一步。5G在技术目标和网络性能上大大超越了4G的能力,网络速率更高、时延更低,可提供增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、超高清视频、云存储、物联网等典型业务。
        第二章 5G网络的技术特点
        一、SDN与NFV技术
        5G网络平台为满足网络优质、灵活、智能、友好的发展趋势,通过基础设施平台和网络结构两个方面的技术创新和协同发展,最终实现网络变革。将通过引入互联网和虚拟化技术,设计基于通用硬件实现的新型基础设施平台,以解决成本高,资源配置能力不足,业务上线周期长的一系列问题。
        新型设施平台的基础是网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络技术(SDN)技术。NFV使网元功能与物理实体解偶,通过通用硬件取代专用硬件,可以方便快捷地把网元功能部署在网络中任意位置。SDN功能实现控制功能和转发功能的分离。控制功能的抽离和聚合,有利于网络控制平面从全局视角来感知和调度网络资源,实现网络连接的可编程。
        (一)软件定义网络(SDN)是一种新型网络结构,通过OpenFlow技术将网络设备控制面和数据面分离开来。网络架构如下图:
 
        图1 SDN分层架构
        SDN分为转发层(基础设施层)、控制层和应用层,可以做到降低设备的复杂度,提高网络利用率,加速网络创新的作用。
        (二)网络功能虚拟化(NFV)利用IT虚拟化技术,将现有的各类网络设备功能整合进标准的工业IT设备。用以解决通信网络扩容时需增加大量的专用设备。
        NFV强调的是功能而非架构,通过高度重用云网络,以支持不同的网络功能需求,可以有效地提升业务支撑能力,缩短网络建设周期。
        二、D2D技术
        D2D(Device-to- Device)即终端直连技术,是指邻近终端可以在近距离的范围内通过直连链路进行数据传输的方式,而不需要通过中心节点(基站)进行转发。
        D2D技术是在系统控制下,运行终端之间通过复用小区资源直接进行通信的一种方式,无需基站转接而直接实现数据交换或服务提供。可有效地减轻网络负担,减少移动终端电池功耗,提高网络设施的健壮性。
        三、MIMO增强技术
        随着无线通信技术的高速发展,用户的无线应用越来越丰富,未来10年,数据业务将以1.6~2倍的速率增长,多天线技术正是应对无线数据业务爆发式增长挑战的关键技术。
        下一代5G无线通信主要考虑采用Massive MIMO和3D MIMO两种天线技术,Massive MIMO的特征是应对密集型覆盖,多用户场景,相应需要天线数量的大幅增加。3D MIMO在垂直维度和水平维度均具备较好的波束赋形能力,可以有效地抑制小区间同频用户的干扰,提升边缘用户的性能。
        第三章 5G技术在智能高铁的应用
        铁路无线通信主要由450M模拟无线通信和GSM-R数字移动通信系统构成,随着450M的无线频率被国家无线电委员会收回,逐渐都会转为采用数字移动通信系统。
        现有GSM-R数字移动通信系统主要业务分为电路域和分组域两种,电路域业务包含了调度语音通话和电路域数据传输业务,
        分组域业务包括了进路预告、调度命令传输,以及近年新拓展的客运站车和双模货列尾业务。无论是电路域,还是分组域数据业务都是窄带数据业务。
        5G网络在可以满足以上业务需求的基础上,可以进行新业务的拓展应用开发,在充分利用高带宽、大容量、海量机器互联的通信环境中,可以增加以下运用场景:
        1.语音通信
        5G网络满足超高流量密度运用,可达到数十Tbit/s每平方公里的流量密度,具备Gbit/s级的用户体验速率。满足传统行车调度语音通信的同时,可以提供视频通话功能。可运用于站场通话、车地通信、车与车通信、施工作业通信、应急通信等场景。
        2.车地数据传递
        5G网络具备超高移动性的网络保障,可达到ms级端到端时延,并且支撑500km/h以上的移动速率。可稳定可靠的为下一代列控系统提供高带宽传输通道。还可提供列车行车视频传递、列车安全防护数据传递、机车设备状态监控数据的实时上传。
        3.铁路物联网的应用
        我国高铁各种维护专业在线路上都存在着大量的设备、设施。更好的掌握沿线设备、设施的运用状况,就能更好的保障安全。通过5G网络可以方便快捷的部署亿级数量的传感器、监控设备,实时的上传监控数据。通过对各种监控数据积累,建立大数据分析模式,更好地指导现场生产维护。
        4.应急通信的应用
        当极端自然灾害发生时,传统通信网络基础设施往往也会受损,甚至发生网络拥塞或瘫痪。5G网络可以利用个人终端采用D2D技术组建Ad hoc网络,保障终端间的无线通信畅通,为救援提供保障。
        救援过程中,方便对救援进程的指挥和现场情况的了解,可以采用VR技术通过5G网络传递,虚拟现实技术可以完美复刻现场的场景。
        5.其方面的应用
        高稳定、高可靠、海量接入的5G网络为铁路各专业提供应用的开发条件。不仅可以满足行车需求,也可以在办公生产、设备维护、货运运输、客运服务等方面进行开发利用。比如多人视频会议、机器人货场巡检、列车无线热点、车站个人终端广告投放等等。
        第四章 结语
        新一代无线通信技术虽然还未正式商业化,但是5G技术的发展进程是全球关注的焦点,面向2020年及未来,移动数据流量将出现爆发式增长,新一代无线通信技术实现万物互联,无处不在的连接设备和物品。
        虽然铁路建设5G网络还有诸多的困难需要克服,如频点的发放、技术标准的确定、长大隧道的覆盖方案、高额的投资,但是有理由相信新一代无线通信技术将给铁路管理、生产、运营模式带来革命性的变化。多元化的应用,稳定可靠的保障手段,畅通无阻的信息交流,拥有5G网络的未来智能高铁值得期待。
参考文献
[1]朱晨鸣,王强,李新,何洁,陈旭奇,房树森.5G:2020后的移动通信.2017
[2]SDN产业发展白皮书
[3]IMT-2020(5G)推进组.5G无线技术架构白皮书.2015
[4]陈明,缪庆育,等译.5G移动无线通信技术
[5]徐峰,等.移动网络扁平化架构探讨.电信科学.2010(7)

 

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