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【摘要】 随着5G无线通信技术进入商用，人类改造世界有了更新的技术力量。本文介绍了5G无线通信技术的特点和关键技术，并结合其特点对5G技术在铁路通信系统中的应用场景进行阐述。
【关键词】 5G 关键技术 铁路通信
引言
在5G時代，移动互联的能力突破了传统带宽的限制，时延或大量终端的接入能力等问题得到根本解决，能够把智能感应、大数据和智能学习的能力充分发挥出来，并整合这些能力，形成强大的服务体系。随着我国铁路技术的不断进步及其在铁路运输生产中的广泛应用，对铁路通信系统提出新的要求。如果结合5G特点并利用其关键技术，将能够满足其不断发展的需求，更加有效地保障行车安全，提高运输效率。
一、5G概述
5G是一个真正意义上的的融合网络，这个融合统一的标准将提供人与人、人与物、物与物之间高速、安全、自由的连接，这种席卷而来的融合力也在移动通信技术领域逐步显现;5G无线通信技术的基本特点是：高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联和重构安全体系;5G旨在解决高速率、低延时通信、海量互联、智慧城市建设等方面的技术问题，如果说4G改变了人们生活的话，那么5G的到来将改变我们的社会，也就是说，这种新的改变，无论广度还是深度都要深刻得多;5G不是一项技术，而是由大量技术形成了一个综合体系，这些技术将在5G建设过程中不断完善。
二、5G的关键技术
2.1 超密集异构网络技术
为了把带宽做的很宽，5G采用的是28GHZ——32GHZ的频率，也就是毫米波。这种波基本没有穿透能力。如果通信采用毫米波的频率，意味着没办法穿透障碍，所以就需要用到很多微基站，做到密集部署。密集部署的网络拉进了终端与节点间的距离，使得网络的功率和频谱效率大幅度提高。异构就是不同结构的意思。5G网络需要采用一些措施来保障系统性能，主要有不同业务在网络中的实现，各种节点间的协调方案、网络的选择以及节能配置方法等。这种将多种网络组织起来形成一个体系的方式就叫超密集异构。
虽然说超密集异构网络技术在5G通信传输中拥有很大发展空间和进步的余地，但是仍然有些缺点，主要可以体现为：一是各个节点排列得相对紧密，因此它们之间的距离就非常的有限，这样使得系统内出现以下问题：由于同种类别的无线接入所造成的同频干扰，以及不同种类别的无线接入所造成的分层干扰。而为了解决上述问题，将需要对5G通信传输进行更深入的探究;二是大量系统内部存在的用户所部署的节点导致了干扰图样和拓扑结构出现较大范围内的动态变化。综上所述，我们要强化相关方面的技术研究来应对这些出现的问题。
2.2 边缘计算技术
大宽带业务的不断增加，势必将对网络的传输带宽造成很大的影响，所以运营商寻找一套合理的解决方案使其能够降低对传输带宽的需求愈发强烈。移动边缘计算（Mobile Edge Computing， MEC）最初于2013年在IBM和诺基亚、西门子共同推出的一套计算平台上出现。移动边缘计算侧重在移动网边缘提供IT服务、云计算能力和智能服务、强调靠近移动用户以减少网络操作和服务交付的时延。移动边缘计算技术使边缘网络具有业务处理的能力，同时下沉内容及应用，是降低时延的有效解决方案。移动边缘计算改变了移动通信系统中网络与业务分离的状态，将业务平台下沉到网络边缘，为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力。移动边缘计算将业务本地化，将内容本地缓存，业务的理想时延降至毫秒级，典型时延小于10ms。
边缘计算作为一种新的部署方案，一方面通过把小型数据中心或带有缓存计算处理能力的节点部署到网络边缘，与移动设备、传感器和用户紧密相连，减少核心网络负载，降低数据传输时延。例如，在车联网中，业务控制和数据传输的实时性要求高，如果数据分析和控制逻辑全部集中在较远的云端完成，难以满足业务的实时性需求。另一方面，边缘计算可以提供流量卸载，移动终端可以根据应用对时延的容忍程度、自身的处理能力以及能耗等因素判断是否需要流量卸载。通过流量卸载，计算密集型和时延敏感型应用可以在边缘计算平台上处理;在时延和回程链路负载允许的情况下，计算密集型应用可以进一步卸载到核心网络 以获得更充足和强大的计算资源。
2.3 全双工技术
同时、同频全双工技术指的是无线通讯设备时间频率均相同，且可同时发射接收无线信号。从而实现提升无线通信线路频谱利用率这一目标。在5G移动通信中使用同时同频全双工技术。可以有效提高频率利用率，提升信息传输效率。在5G通信传输中，全双工计划可以对无线频谱资源进行充分的利用和发掘。在5G通信传输发展的过程中也遇到了一些比较难以解决的瓶颈问题，比如说，发射信号和接收信号的两个终端之间始终有大幅度的频率差别，因此而产生的自干扰现场非常严重，在对于5G通信传输的进一步发展产生了莫大的阻挠。所以，通过互相抵消的方法，把全双工技术有效的应用在5G通信传输系统中，就能使得信号自干扰的问题得到合理解决。通过消除模拟端之间的相互干扰或是将干扰信号的数字端部分消除，并在此基础上把它们合理的结合起来，则能够有效解决或者缓解所谓的自干扰。
2.4 自组网络
自组织网络的含义就是网络在定义的过程中，要根据不同的业务进行组织，即对于各种不同要求的网络，可以通过一个自组织体系进行构建，在大的网络体系下，为某些用户提供特殊的服务，因此，自组织网络的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。
在传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。在5G时代，原有的移动通讯网络会面临很多新的挑战。比如怎么进行网络部署、运营及维护。这主要是由于网络存在多种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。 自组织网络技术解决的关键问题主要有： 一是网络部署阶段的自规划合资配置，二是网络维护阶段的自优化和自愈合。自规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需求。自配置即新增网络节点的配置可以实现即插即用，具有低成本安装简易等优点。自优化的目的是减少业务工作量，达到提升网络质量及性能的效果。至于自愈合，顾名思义，指的是构建的网络系统，可以自动发现问题，找到问题，同时可以排除故障，大大减少维护成本，并避免对网络质量和用户体验的影响。
三、5G无线通信技术在铁路通信系统中的应用
3.1 更加完备的铁路移动通信系统
现有的铁路数字移动通信系统（GSM-R），虽然可以实现调度通信、列尾装置信息传送、无线机车信号和调车监控信息传输、机车同步操作信息传输、列车控制数据传输、区间移动公务通信、应急指挥通信话音和数据业务、旅客列车移动信息服务等信息传递功能。但是，现有GSM-R系统主要提供语音通信和数据通信业务，且移动终端到基站的传输速率很低，不能满足高速铁路通信日益增长的高速数据传输的需求;随着铁路大发展，特别是高速铁路和客运专线铁路安全、快速、高效的运营模式对铁路通信网提出了越来越高的要求，未来铁路移动通信网中移动终端的数量将成倍数增长;且随着智能调度的推出以及视频监控在列车运行控制系统中的大量应用，铁路移动通信系统需要传输大量的视频和图像信息。
5G无线通信系统的全双工技术、超密集异构技术，以及在GSM-R 系统中采用移动软交换等技术，能够满足未来不断涌现的新功能、新业务和应用场景需求，保证铁路行车安全，提高运营效力。
3.2 更加高效的车—车通信机制
列车自动驾驶系统中，两列运行的车辆之间的信息交互，如果仍然只采用“车—地—车”的通信链路，存在配置设备多、系统接口和结构复杂、列车运行对中心设备依赖大的缺点。更高级别的列车自动驾驶控制系统不仅需要车辆和地面基础设备的通信，还包括车辆与车辆之间的通信。这些通信连接需要承载极低时延和高可靠性的车辆控制指令，而这些指令对于安全驾驶极为重要。尽管这些指令通常不需要大带宽，但是当车辆之间需要交换视频信息时，较高的传输速率仍然是必要的。此外，当支持高速车辆的移动性时，无人参与的控制必须具备完全覆盖条件。5G技术的低时延特性，必将使铁路列车自动驾驶技术实现再一次飞跃，大大提高运营效率，降低运营成本。
3.3 更加可靠的铁路应急通信网络
建设安全可靠、迅速快捷、机动灵活的铁路应急通信网，是保证铁路应急运输及铁路抢修指挥联络的重要手段。在紧急情况下，可靠的通信网络对于应急救援非常重要，而且即使在突发事故中局部网络损毁，这要求也不能放松。5G无线通信系统中，临时的救援通信节点可以用来辅助受损的网络，用户终端也能够承载中继功能，帮助其它的终端技术仍然具有通信能力的网络节点;5G技术的高可用性和高节电效率恰是未来应急通信网主需求;5G无线通信技术结合北斗导航定位系统，能够使铁路应急通信系统的功能更加完备。
3.4 更加完善的旅客通信服务
火车站是典型的客流密集场所，通过建设5G车站，可以解决火车站大客流场景下的旅客高速上网、高清视频通信等需求;乘客在高速行进的列车上，仍然希望能够像在家里一样使用网络，例如，观看高清视频，玩儿游戏，或者远程接入办公云和虚拟现实的会议。而当列车在高速行进中时，在用户体验没有显著下降的情况下，较好地满足上述需求将是具有挑战性的任务。高速列车上通信最重要的两个指标是用户速率和端到端时延。5G无线通信系统较好的指標可以确保高带宽、低时延的需求，给旅客完美的旅途体验。
3.5 构建铁路智能通信网
铁路智能通信网必须能够快速的响应供给或者使用的变化，避免可能的大规模系统故障，并对运输系统产生重大影响。例如，铁路供电系统发生停电事故可能是由接触网系统故障引起，而这些故障可能是由于不可预测的事件造成的，这种情况下，要避免停电则需要必要的反应能力，并采取相应的措施。监视和控制系统以及无线通信解决方案，对远程保护发挥着重要的作用。及时、高可靠的重要信息交换是保证迅速做出响应的关键因素。5G技术的高频率资源，实现万物互联，为智能通信网的构建创造了条件。
四、结束语
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，这对于铁路通信来说，十分适用。5G通信技术在铁路通信系统上的应用，将为各车载系统及铁路运营管理等众多系统，提供高可靠、低时延的无线通信载体，有效地提升传输效率，增强系统的可靠性和稳定性，使系统运行更加安全。
参 考 文 献
[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学：信息科学，2014（5）.
[2]张筵.浅析5G移动通信技术及未来发展趋势[J].中国新通信，2014（20）.
[3]项立刚 《5G时代》2019（5）
【关键词】 5G 关键技术 铁路通信
引言
在5G時代，移动互联的能力突破了传统带宽的限制，时延或大量终端的接入能力等问题得到根本解决，能够把智能感应、大数据和智能学习的能力充分发挥出来，并整合这些能力，形成强大的服务体系。随着我国铁路技术的不断进步及其在铁路运输生产中的广泛应用，对铁路通信系统提出新的要求。如果结合5G特点并利用其关键技术，将能够满足其不断发展的需求，更加有效地保障行车安全，提高运输效率。
一、5G概述
5G是一个真正意义上的的融合网络，这个融合统一的标准将提供人与人、人与物、物与物之间高速、安全、自由的连接，这种席卷而来的融合力也在移动通信技术领域逐步显现;5G无线通信技术的基本特点是：高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联和重构安全体系;5G旨在解决高速率、低延时通信、海量互联、智慧城市建设等方面的技术问题，如果说4G改变了人们生活的话，那么5G的到来将改变我们的社会，也就是说，这种新的改变，无论广度还是深度都要深刻得多;5G不是一项技术，而是由大量技术形成了一个综合体系，这些技术将在5G建设过程中不断完善。
二、5G的关键技术
2.1 超密集异构网络技术
为了把带宽做的很宽，5G采用的是28GHZ——32GHZ的频率，也就是毫米波。这种波基本没有穿透能力。如果通信采用毫米波的频率，意味着没办法穿透障碍，所以就需要用到很多微基站，做到密集部署。密集部署的网络拉进了终端与节点间的距离，使得网络的功率和频谱效率大幅度提高。异构就是不同结构的意思。5G网络需要采用一些措施来保障系统性能，主要有不同业务在网络中的实现，各种节点间的协调方案、网络的选择以及节能配置方法等。这种将多种网络组织起来形成一个体系的方式就叫超密集异构。
虽然说超密集异构网络技术在5G通信传输中拥有很大发展空间和进步的余地，但是仍然有些缺点，主要可以体现为：一是各个节点排列得相对紧密，因此它们之间的距离就非常的有限，这样使得系统内出现以下问题：由于同种类别的无线接入所造成的同频干扰，以及不同种类别的无线接入所造成的分层干扰。而为了解决上述问题，将需要对5G通信传输进行更深入的探究;二是大量系统内部存在的用户所部署的节点导致了干扰图样和拓扑结构出现较大范围内的动态变化。综上所述，我们要强化相关方面的技术研究来应对这些出现的问题。
2.2 边缘计算技术
大宽带业务的不断增加，势必将对网络的传输带宽造成很大的影响，所以运营商寻找一套合理的解决方案使其能够降低对传输带宽的需求愈发强烈。移动边缘计算（Mobile Edge Computing， MEC）最初于2013年在IBM和诺基亚、西门子共同推出的一套计算平台上出现。移动边缘计算侧重在移动网边缘提供IT服务、云计算能力和智能服务、强调靠近移动用户以减少网络操作和服务交付的时延。移动边缘计算技术使边缘网络具有业务处理的能力，同时下沉内容及应用，是降低时延的有效解决方案。移动边缘计算改变了移动通信系统中网络与业务分离的状态，将业务平台下沉到网络边缘，为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力。移动边缘计算将业务本地化，将内容本地缓存，业务的理想时延降至毫秒级，典型时延小于10ms。
边缘计算作为一种新的部署方案，一方面通过把小型数据中心或带有缓存计算处理能力的节点部署到网络边缘，与移动设备、传感器和用户紧密相连，减少核心网络负载，降低数据传输时延。例如，在车联网中，业务控制和数据传输的实时性要求高，如果数据分析和控制逻辑全部集中在较远的云端完成，难以满足业务的实时性需求。另一方面，边缘计算可以提供流量卸载，移动终端可以根据应用对时延的容忍程度、自身的处理能力以及能耗等因素判断是否需要流量卸载。通过流量卸载，计算密集型和时延敏感型应用可以在边缘计算平台上处理;在时延和回程链路负载允许的情况下，计算密集型应用可以进一步卸载到核心网络 以获得更充足和强大的计算资源。
2.3 全双工技术
同时、同频全双工技术指的是无线通讯设备时间频率均相同，且可同时发射接收无线信号。从而实现提升无线通信线路频谱利用率这一目标。在5G移动通信中使用同时同频全双工技术。可以有效提高频率利用率，提升信息传输效率。在5G通信传输中，全双工计划可以对无线频谱资源进行充分的利用和发掘。在5G通信传输发展的过程中也遇到了一些比较难以解决的瓶颈问题，比如说，发射信号和接收信号的两个终端之间始终有大幅度的频率差别，因此而产生的自干扰现场非常严重，在对于5G通信传输的进一步发展产生了莫大的阻挠。所以，通过互相抵消的方法，把全双工技术有效的应用在5G通信传输系统中，就能使得信号自干扰的问题得到合理解决。通过消除模拟端之间的相互干扰或是将干扰信号的数字端部分消除，并在此基础上把它们合理的结合起来，则能够有效解决或者缓解所谓的自干扰。
2.4 自组网络
自组织网络的含义就是网络在定义的过程中，要根据不同的业务进行组织，即对于各种不同要求的网络，可以通过一个自组织体系进行构建，在大的网络体系下，为某些用户提供特殊的服务，因此，自组织网络的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。
在传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。在5G时代，原有的移动通讯网络会面临很多新的挑战。比如怎么进行网络部署、运营及维护。这主要是由于网络存在多种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。 自组织网络技术解决的关键问题主要有： 一是网络部署阶段的自规划合资配置，二是网络维护阶段的自优化和自愈合。自规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需求。自配置即新增网络节点的配置可以实现即插即用，具有低成本安装简易等优点。自优化的目的是减少业务工作量，达到提升网络质量及性能的效果。至于自愈合，顾名思义，指的是构建的网络系统，可以自动发现问题，找到问题，同时可以排除故障，大大减少维护成本，并避免对网络质量和用户体验的影响。
三、5G无线通信技术在铁路通信系统中的应用
3.1 更加完备的铁路移动通信系统
现有的铁路数字移动通信系统（GSM-R），虽然可以实现调度通信、列尾装置信息传送、无线机车信号和调车监控信息传输、机车同步操作信息传输、列车控制数据传输、区间移动公务通信、应急指挥通信话音和数据业务、旅客列车移动信息服务等信息传递功能。但是，现有GSM-R系统主要提供语音通信和数据通信业务，且移动终端到基站的传输速率很低，不能满足高速铁路通信日益增长的高速数据传输的需求;随着铁路大发展，特别是高速铁路和客运专线铁路安全、快速、高效的运营模式对铁路通信网提出了越来越高的要求，未来铁路移动通信网中移动终端的数量将成倍数增长;且随着智能调度的推出以及视频监控在列车运行控制系统中的大量应用，铁路移动通信系统需要传输大量的视频和图像信息。
5G无线通信系统的全双工技术、超密集异构技术，以及在GSM-R 系统中采用移动软交换等技术，能够满足未来不断涌现的新功能、新业务和应用场景需求，保证铁路行车安全，提高运营效力。
3.2 更加高效的车—车通信机制
列车自动驾驶系统中，两列运行的车辆之间的信息交互，如果仍然只采用“车—地—车”的通信链路，存在配置设备多、系统接口和结构复杂、列车运行对中心设备依赖大的缺点。更高级别的列车自动驾驶控制系统不仅需要车辆和地面基础设备的通信，还包括车辆与车辆之间的通信。这些通信连接需要承载极低时延和高可靠性的车辆控制指令，而这些指令对于安全驾驶极为重要。尽管这些指令通常不需要大带宽，但是当车辆之间需要交换视频信息时，较高的传输速率仍然是必要的。此外，当支持高速车辆的移动性时，无人参与的控制必须具备完全覆盖条件。5G技术的低时延特性，必将使铁路列车自动驾驶技术实现再一次飞跃，大大提高运营效率，降低运营成本。
3.3 更加可靠的铁路应急通信网络
建设安全可靠、迅速快捷、机动灵活的铁路应急通信网，是保证铁路应急运输及铁路抢修指挥联络的重要手段。在紧急情况下，可靠的通信网络对于应急救援非常重要，而且即使在突发事故中局部网络损毁，这要求也不能放松。5G无线通信系统中，临时的救援通信节点可以用来辅助受损的网络，用户终端也能够承载中继功能，帮助其它的终端技术仍然具有通信能力的网络节点;5G技术的高可用性和高节电效率恰是未来应急通信网主需求;5G无线通信技术结合北斗导航定位系统，能够使铁路应急通信系统的功能更加完备。
3.4 更加完善的旅客通信服务
火车站是典型的客流密集场所，通过建设5G车站，可以解决火车站大客流场景下的旅客高速上网、高清视频通信等需求;乘客在高速行进的列车上，仍然希望能够像在家里一样使用网络，例如，观看高清视频，玩儿游戏，或者远程接入办公云和虚拟现实的会议。而当列车在高速行进中时，在用户体验没有显著下降的情况下，较好地满足上述需求将是具有挑战性的任务。高速列车上通信最重要的两个指标是用户速率和端到端时延。5G无线通信系统较好的指標可以确保高带宽、低时延的需求，给旅客完美的旅途体验。
3.5 构建铁路智能通信网
铁路智能通信网必须能够快速的响应供给或者使用的变化，避免可能的大规模系统故障，并对运输系统产生重大影响。例如，铁路供电系统发生停电事故可能是由接触网系统故障引起，而这些故障可能是由于不可预测的事件造成的，这种情况下，要避免停电则需要必要的反应能力，并采取相应的措施。监视和控制系统以及无线通信解决方案，对远程保护发挥着重要的作用。及时、高可靠的重要信息交换是保证迅速做出响应的关键因素。5G技术的高频率资源，实现万物互联，为智能通信网的构建创造了条件。
四、结束语
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，这对于铁路通信来说，十分适用。5G通信技术在铁路通信系统上的应用，将为各车载系统及铁路运营管理等众多系统，提供高可靠、低时延的无线通信载体，有效地提升传输效率，增强系统的可靠性和稳定性，使系统运行更加安全。
参 考 文 献
[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学：信息科学，2014（5）.
[2]张筵.浅析5G移动通信技术及未来发展趋势[J].中国新通信，2014（20）.
[3]项立刚 《5G时代》2019（5）