柴金川

機(jī)車和動車組作為鐵路主要的裝備,安裝了大量傳感器,實(shí)現(xiàn)對制動、絕緣、防火、列車供電、走行部、視頻等狀態(tài)的監(jiān)測,從而保障其安全運(yùn)行,為列車壽命評估和故障預(yù)測奠定基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能,需要車地設(shè)備間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)通信及分析。檢測車上安裝了大量的檢測設(shè)備,對軌道、路基、接觸網(wǎng)、信號等專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行檢測,并產(chǎn)生大量的檢測數(shù)據(jù)。目前,少部分車載實(shí)時監(jiān)測信息可通過GPRS傳輸至地面信息系統(tǒng),但絕大多數(shù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸仍依靠WLAN［1］甚至人工下載方式,既不能保證實(shí)時性,又對檢修組織造成干擾,還需要消耗大量的人力和時間。因此,鐵路急需研究如何利用新一代移動通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化和智能化發(fā)展。

5G通信技術(shù)除可實(shí)現(xiàn)人與人通信外,還增強(qiáng)了人與物、物與物的互聯(lián),可支持增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）三大應(yīng)用場景。世界各國紛紛提出5G技術(shù)試驗(yàn)和商用計(jì)劃,我國更是將5G通信作為新基建之首。目前,國內(nèi)外都已開始進(jìn)行5G通信在鐵路領(lǐng)域中的應(yīng)用研究和試驗(yàn)。歐洲鐵路研究了基于5G技術(shù)的列控系統(tǒng)（Europe Train Control System,ETCS）,并開展了200 km/h以下的列控系統(tǒng)試驗(yàn)；韓國在其專用軌道測試線上開展了基于5G技術(shù)的列車自動控制系統(tǒng)的試驗(yàn)；日本采用28 GHz頻譜完成了4K監(jiān)控視頻傳輸測試；我國在部分車站和線路實(shí)施了公網(wǎng)5G覆蓋工程,在幾個典型站場開展了毫米波點(diǎn)對點(diǎn)大容量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用,并正在環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地搭建鐵路5G-R專網(wǎng)試驗(yàn)環(huán)境,準(zhǔn)備開展相關(guān)試驗(yàn)。

結(jié)合我國鐵路領(lǐng)域公網(wǎng)5G、專網(wǎng)5G-R和5G毫米波通信發(fā)展趨勢,并基于鐵路列車數(shù)據(jù)特點(diǎn)、車地通信場景,以及5G通信技術(shù)優(yōu)勢,本文研究并提出了利用專網(wǎng)5G-R承載少量實(shí)時安全數(shù)據(jù)、利用公網(wǎng)5G承載一部分實(shí)時非安全數(shù)據(jù)、利用5G毫米波承載大量非實(shí)時數(shù)據(jù)的的高效率、高可靠性、低成本的車地?cái)?shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案,為鐵路智能化、數(shù)字化發(fā)展以及安全、高效運(yùn)營提供技術(shù)支撐。

1 車載大數(shù)據(jù)車地傳輸場景

1.1 列車車載大數(shù)據(jù)

列車車載大數(shù)據(jù)主要包括行車應(yīng)用數(shù)據(jù)、車載設(shè)備設(shè)施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)輸服務(wù)數(shù)據(jù)等。其中:行車應(yīng)用數(shù)據(jù)主要包括調(diào)度命令信息、無線車次號信息、列控信息、列車自動駕駛（ATO）信息、列車安全防護(hù)預(yù)警信息、列車接近預(yù)警信息、機(jī)車同步操控信息、列尾信息等；車載設(shè)備設(shè)施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括列控車載設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）信息、電務(wù)車載通信設(shè)備動態(tài)監(jiān)測（RMS）信息、機(jī)車信號遠(yuǎn)程監(jiān)控信息、動車組司機(jī)操控信息分析系統(tǒng)（EOAS）信息、機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷（CMD）信息、供電安全監(jiān)測檢測系統(tǒng)（6C）信息、動車組車載信息無線傳送系統(tǒng)（WTDS）信息、客車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS）信息、基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)綜合檢測信息、基礎(chǔ)設(shè)施健康管理系統(tǒng)信息等；運(yùn)輸服務(wù)數(shù)據(jù)主要包括客運(yùn)乘務(wù)管理信息、旅客列車視頻監(jiān)控信息、在途和貨場貨運(yùn)信息等［1?3］。

無線車次號信息、列控信息等行車應(yīng)用數(shù)據(jù)通常為小數(shù)據(jù)量、可靠性和實(shí)時性要求高的數(shù)據(jù)。車載設(shè)備設(shè)施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)和運(yùn)輸服務(wù)數(shù)據(jù)為大量不同類型且通信要求不同的數(shù)據(jù)。其中,運(yùn)營中的機(jī)車每個交路一般產(chǎn)生30 GB以上的6 A視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；動車組各類系統(tǒng)每小時累計(jì)產(chǎn)生至少10 GB數(shù)據(jù)；檢測列車平均每月產(chǎn)生達(dá)170 GB的列車、接觸網(wǎng)、工務(wù)、電務(wù)各專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)。隨著鐵路智能化、數(shù)字化運(yùn)維的發(fā)展,車載各類數(shù)據(jù)仍在不斷增加。

鐵路車載大數(shù)據(jù)種類繁雜,既有速度、里程、位置等連續(xù)型數(shù)據(jù),又有空調(diào)、車門信息等離散型數(shù)據(jù)；維度多,既有列控信息、無線車次號信息等實(shí)時數(shù)據(jù),又有故障記錄和歷史統(tǒng)計(jì)等非實(shí)時性數(shù)據(jù)；可靠性要求不一,既有調(diào)度命令等安全性數(shù)據(jù),又有乘務(wù)管理信息等非安全性數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)量不等,既有列控?cái)?shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測等小容量數(shù)據(jù),又有視頻監(jiān)控等大容量數(shù)據(jù)［3］。本文根據(jù)數(shù)據(jù)特征將車載大數(shù)據(jù)分為4類:實(shí)時安全車地傳輸數(shù)據(jù)、實(shí)時非安全車地傳輸數(shù)據(jù)、非實(shí)時安全車地傳輸數(shù)據(jù)和非實(shí)時非安全車地傳輸數(shù)據(jù)。其中,非實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)占據(jù)較大比例。

1.2 鐵路車地通信場景

車載大數(shù)據(jù)車地通信以上行通信為主,即車載通信模塊向地面基站發(fā)送數(shù)據(jù)量大于地面基站向車載通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)量。鐵路車地通信場景主要分為兩大類:鐵路正線高速運(yùn)行、鐵路站場低速運(yùn)行或靜止［4］。

鐵路正線高速運(yùn)行場景包括正線線路區(qū)間和高速通過車站場景。無線小區(qū)覆蓋采用沿鐵路線的線狀覆蓋方式,列車高速移動,車地通信信號強(qiáng)度和載干比周期性變化,并伴隨著較大的多普勒頻偏和頻繁的小區(qū)重選,無線小區(qū)內(nèi)用戶較少。該場景下,無線通信條件惡劣,丟包、重傳、時延較嚴(yán)重,因此大大降低了數(shù)據(jù)有效傳輸速率。鐵路正線及車站車地通信場景示意見圖1。

圖1 鐵路正線及車站通信場景示意

鐵路站場車地通信場景包括鐵路車站（列車通過車站除外）、機(jī)務(wù)段、動車所等區(qū)域。無線小區(qū)覆蓋大部分采用面狀覆蓋,列車運(yùn)行速度一般較低或處于停止?fàn)顟B(tài),無線小區(qū)內(nèi)用戶較多。該場景下,無線通信條件優(yōu)良,傳輸速率較接近理論值。鐵路機(jī)務(wù)段、動車所等站場通信場景示意見圖2。

圖2 鐵路機(jī)務(wù)段、動車所等站場通信場景示意

2 鐵路5G通信無線傳輸特性

5G通信包括6 GHz以下的中頻段和毫米波高頻段等各類頻譜頻段通信制式。中國移動采用2.6 GHz和4.9 GHz 2個頻段,共計(jì)250 MHz頻率帶寬；中國電信和中國聯(lián)通分別采用3.4 GHz和3.5 GHz頻段,各占100 MHz頻率帶寬,均屬于6 GHz以下的中頻段通信制式。中國廣電700 MHz頻段5G應(yīng)用還處于探索階段,本文暫不考慮其在鐵路車地傳輸應(yīng)用中的研究。鑒于鐵路區(qū)間為無線小區(qū)線狀覆蓋和列車高速移動的通信場景,鐵路專網(wǎng)5G-R也將選擇6 GHz以下的中頻段通信制式。我國高頻頻段5G毫米波頻段通信制式研究和應(yīng)用已逐步趨于成熟,通常用于短距離大容量通信場景,作為6 GHz以下的中頻段通信的補(bǔ)充。結(jié)合5G通信發(fā)展應(yīng)用趨勢及鐵路應(yīng)用場景需求,主要介紹公網(wǎng)5G通信、鐵路專網(wǎng)5G-R通信和5G毫米波通信的無線傳輸特性。

2.1 公網(wǎng)5G通信和鐵路專網(wǎng)5G-R通信的無線傳輸特性

公網(wǎng)5G通信和鐵路專網(wǎng)5G-R通信的主體系統(tǒng)架構(gòu)基本相同,均可實(shí)現(xiàn)無線連續(xù)無縫覆蓋并滿足用戶移動條件下的不間斷通信,二者差異主要集中在用戶側(cè)和應(yīng)用側(cè),見圖3［5?6］。

圖3 公網(wǎng)5G通信和鐵路專網(wǎng)5G-R通信主體系統(tǒng)架構(gòu)

運(yùn)營商公網(wǎng)5G采用TDD模式專用頻段和蜂窩同步組網(wǎng)方式,電磁環(huán)境純凈,系統(tǒng)干擾易協(xié)調(diào)。由于基站發(fā)射干擾基站接收,且發(fā)送數(shù)據(jù)具有拖尾效應(yīng),因此TDD系統(tǒng)要考慮基站之間的干擾。動態(tài)TDD時隙會導(dǎo)致嚴(yán)重干擾,而自包含時隙需考慮TDD的拖尾效應(yīng)的保護(hù)時間,也會降低空口容量。因此,為適應(yīng)鐵路大數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍?公網(wǎng)3.5 GHz頻段的子幀配比暫時考慮為DDDSU（上/下行子幀按照配比1∶4配置）,見圖4［7?8］。車載大數(shù)據(jù)車地傳輸主要為上行通信場景。為滿足鐵路列車移動狀態(tài)下的通信要求,車載通信模塊通常以MIMO2流為主,最大調(diào)制編碼階數(shù)設(shè)定為64QAM。當(dāng)帶寬為100 MHz且TDD上行鏈路占比為1/5時,上行單用戶鏈路速率為180 Mbps。假設(shè)運(yùn)營商可提供10%的上行資源專用于鐵路車地傳輸,則100 MHz帶寬單運(yùn)營商下,動車組可采用的最高理論速率為18 Mbps。列車同時使用多家運(yùn)營商傳輸數(shù)據(jù)時,可有效提高無線傳輸速率［9］。

圖4 5G無線幀結(jié)構(gòu)及時隙配比

鐵路專網(wǎng)5G-R通信正在申報(bào)專用頻率,與公網(wǎng)5G頻譜相近且無線傳輸特性類似,但頻譜資源遠(yuǎn)少于運(yùn)營商頻譜資源,未來主要用于承載列控、ATO、調(diào)度通信等最高可靠、最低時延要求的安全運(yùn)營業(yè)務(wù),將以犧牲有效傳輸速率為代價,保障通信的低時延和可靠性［10］。因此,鐵路專網(wǎng)5G-R的有效傳輸速率也將遠(yuǎn)小于公網(wǎng)5G的有效傳輸速率,可承載的數(shù)據(jù)量也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公網(wǎng)。

2.2 5G毫米波通信無線傳輸特性

5G毫米波通信是5G技術(shù)在高頻頻段的應(yīng)用,即5G技術(shù)在30～300 GHz毫米波波段的通信。無線通信中,頻段越高,可用頻譜帶寬越大。根據(jù)香濃公式（見式1）,信道最大傳輸速率與頻譜帶寬成正比,可知毫米波高頻頻段無線傳輸速率會比6 GHz以下的中頻段傳輸速率更快。

式中:C為信道容量；B為頻譜帶寬；S/N為信道信噪比。

另外,天線的長短是由中心工作頻率的大小決定的,中心工作頻率與天線尺寸大小成反比關(guān)系,因此,頻率越高,天線尺寸越小,則有限面積內(nèi)可布局的天線陣列越多,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流越多（見式2）,傳輸速率越高［11］。通常,在低頻段（1 GHz以下）,最高可采用8發(fā)8收的天線陣列；中頻段（1～6 GHz）最高可采用64發(fā)64收的天線陣列；在高頻毫米波頻段,可支持更多數(shù)量的天線陣列。大規(guī)模多入多出天線陣列,可增加同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù),提高信道傳輸速率。

式中:min(n1,n2)為接收和發(fā)送天線最小傳輸數(shù)據(jù)流數(shù)值；x為多天線增加的數(shù)據(jù)量。

盡管無線頻率越高,傳輸速率越快,但也將面臨電磁波自由空間傳播損耗越大（見式3）、有氧衰耗和穿透損耗越大、電磁波衍射繞射能力越弱、多普勒頻偏越明顯（見式4）、視距傳播距離越近、適用的空間通信距離越短等問題。

式中:f為電磁波頻率(MHz)；Lbf為電磁波自由空間傳播損耗(dB)；d為傳播距離(km)；fs為實(shí)時多普勒頻偏；fd為最大多普勒頻偏；c為電磁波傳播速率；v為電磁波收、發(fā)相對移動速率；θt為電磁波收、發(fā)方向和相對移動方向之間的夾角。

目前國內(nèi)外已開展了不同頻段5G毫米波的研究和應(yīng)用,其覆蓋距離和傳輸速率也各有特點(diǎn),傳輸速率均遠(yuǎn)大于6 GHz以下的中頻段傳輸速率；且隨著頻段增高,傳輸速率越大,有效通信距離越短［12?14］。我國在滿足相關(guān)技術(shù)要求的情況下,可免申請頻段59～64 GHz,遠(yuǎn)離常用民用頻點(diǎn),在特定區(qū)域內(nèi)具有干擾小、大帶寬、可支持1～3 Gbps傳輸速率等優(yōu)點(diǎn),成為大數(shù)據(jù)、短距離、無線快速傳輸?shù)妮^佳選擇［15?16］。華為Air flash毫米波技術(shù)采用59～64 GHz頻段,并在我國部分鐵路機(jī)車和深圳地鐵中進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用,可滿足300 m內(nèi)低速移動或靜止場景下點(diǎn)對點(diǎn)1.5 Gbps的上行傳輸速率。5G毫米波速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公、專網(wǎng)5G通信系統(tǒng)速率,可用于承載鐵路大數(shù)據(jù)的快速傳輸。

3 車載大數(shù)據(jù)車地傳輸整體方案

未來鐵路5G-R作為專用無線通信網(wǎng)絡(luò),將無縫覆蓋鐵路線路,有效保障鐵路數(shù)據(jù)的安全性和實(shí)時性；可用于承載調(diào)度通信、列控?cái)?shù)據(jù)、ATO數(shù)據(jù)以及少量其他列車運(yùn)行安全數(shù)據(jù)；但無法實(shí)現(xiàn)列車產(chǎn)生的其他各類大量數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。

運(yùn)營商掌握了大量的5G頻率資源,鐵路可充分利用公網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)勢承載大數(shù)據(jù)車地傳輸。雖然公網(wǎng)5G上行傳輸速率理論可達(dá)每秒百兆,但在列車高速移動場景下,上行有效傳輸速率將大幅下降；公網(wǎng)5G除承載車載大數(shù)據(jù)車地傳輸外,還需要承載其他各類公、專網(wǎng)用戶業(yè)務(wù)；公網(wǎng)5G無法完全保證無縫覆蓋所有鐵路線路,且具有一定的開放性,無法全封閉式傳輸鐵路數(shù)據(jù)。因此,公網(wǎng)5G無法完全保障列車數(shù)據(jù)安全、可靠、實(shí)時傳輸至鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),最終至鐵路應(yīng)用系統(tǒng),即公網(wǎng)5G無法承載鐵路實(shí)時性極高、保密性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)。

5G毫米波通信覆蓋距離較短,若鐵路全線覆蓋則耗費(fèi)巨大；且鐵路正線列車高速移動環(huán)境下會產(chǎn)生較強(qiáng)的多普勒效應(yīng),導(dǎo)致無線傳輸性能大大降低［17?18］。因此,短時間內(nèi)不適宜采用全線鋪設(shè)5G毫米波承載列車大數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸,但可以在站場設(shè)置5G毫米波通信,并接入鐵路專用網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)出站和停站過程中大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。

結(jié)合列車車載大數(shù)據(jù)車地傳輸場景和5G高/低頻無線傳輸特征,本文提出利用鐵路專網(wǎng)5G-R通信沿鐵路連續(xù)組網(wǎng),并承載少量列車實(shí)時安全數(shù)據(jù)傳輸；利用公網(wǎng)5G通信沿鐵路連續(xù)組網(wǎng),并承載少部分列車實(shí)時非安全數(shù)據(jù)傳輸；利用站場5G毫米波通信獨(dú)立組網(wǎng),承載列車大量非實(shí)時安全和非安全數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)快速傳輸（見圖5）,形成列車車載大數(shù)據(jù)車地綜合傳輸方案,見圖6。

圖5 站場設(shè)置獨(dú)立組網(wǎng)5G毫米波通信系統(tǒng)

圖6 車載大數(shù)據(jù)車地綜合傳輸方案

4 結(jié)論

在充分分析鐵路車載大數(shù)據(jù)特征及車地通信場景的基礎(chǔ)上,結(jié)合公網(wǎng)5G、鐵路專網(wǎng)5G-R和5G毫米波通信特點(diǎn),提出了融合公網(wǎng)5G、鐵路專網(wǎng)5G-R,以及毫米波通信技術(shù)的車載大數(shù)據(jù)車地傳輸技術(shù)方案。該方案既考慮了鐵路運(yùn)維特征,又能夠充分發(fā)揮5G通信技術(shù)特點(diǎn),以最高效率和最低成本,滿足我國鐵路數(shù)字化、智能化運(yùn)維模式下的車地?cái)?shù)據(jù)傳輸安全和快速傳輸需求。未來隨著5G通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,車載大數(shù)據(jù)車地傳輸方案也將不斷優(yōu)化和完善。