4G 与5G 技术对动车组车地无线实时传输的影响试验研究

高会永，欧阳省

（中车青岛四方车辆研究所有限公司 山东 青岛 266031）

0 引言

我国运行的高速动车组，目前均已配置了无线传输装置（Wireless Transmit Device，WTD），其作为车地实时无线传输的重要载体，结合动车组地面集中数据中心平台，实现了动车组的远程实时监视，为列车运维提供了指导[1]。本文将结合动车组车地通信现状及未来发展要求，结合CRH3A 车地无线传输通信改造实践，制定了车地实时通信研究评价方法，并基于该方法浅析了4G/5G 通信技术对于动车组WTD 车地无线实时传输的影响。

1 动车组车地通信的现状及未来发展要求

和谐号动车组是我国早期发展起来的动车组，由于发展较早，设计之初WTD 普遍采用了2G/3G 技术，实现车地无线实时传输。由于车地传输速率、带宽的限制，车地传输的列车参数及频率均处于较低的水平，对于列车运维的实时性、数据可扩展性也带来了挑战。特别是，随着移动通信技术的快速发展，4G 技术已普及应用，5G 技术方兴未艾，正处于大量部署阶段，2G/3G 频段已逐渐缩窄，面临下线的风险[2]。因此，对于既有部分和谐号动车组WTD仍采用2G/3G 进行车地实时传输，已经不能满足目前和未来的技术要求。基于此，和谐号动车组也已经根据铁路总公司的需求，制定了相应的改造实施方案，开始了WTD 4G/5G 的升级改造。

而随着我国复兴号动车组的问世，列车智能化诊断感知水平进一步提高，且以大数据、边缘计算、人工智能等技术为支撑的列车智能运维技术的发展，对于列车车地实时传输带来了更高的要求[3]。

（1）多维数据源带来高带宽数据要求。列车智能化传感器以及列车安全诊断设备的增加，以安全为导向的多维数据源综合诊断分析需求将会带来更多运行数据的落地应用需求[4]。特别是对于地面动车组预测与健康管理系统（PHM）而言，更多的有效数据，对于预测模型建立及维修决策准确性具有重要意义[5]。

（2）数据实时性要求越来越高。区别于以往的单一周期性运行参数数据和故障诊断触发式数据这一传统数据传递方式，以报警/预警事件+时间序列环境信息等多种方式的融合性快速触发数据，以及基于业务需求不同频次的多元化列车运行数据需求越来越多，不同业务对于列车的车地传输的实时性要求也越来越高。

（3）列车以太网总线应用普及，数据安全性要求越来越高。目前复兴号CR300 系列动车组已经批量采用以太网控车，列车通信数据带来质的飞跃[6]。控车网络方式的改变，对于车地无线数据通信安全提出了更高的要求，车载安全网关已经成为复兴号动车组W T D 的必选配置之一。

（4）车载数据价值的增加，对于车载设备处理性能要求越来越高。目前动车组WTD 作为车载数据传输单元，除了承载单一列车网络通信数据外，还承担了以数据驱动服务列车运维为导向的部分数据处理及转发，例如能量计装置、EOAS 设备、车载PHM 边缘计算单元等。基于客制的用户要求，提供额外的客制处理逻辑，比如基于不同环境温度情况下，基于设备保护的动车组异常工况提醒等。这对于承载车地传输的WTD 的CPU 处理性能也越来越高。

与此同时，我国移动通信技术从最早的2G 到5G，通信频率、频宽也在不断变化[7]。商用的最大通信频率已由2G 的1 850 MHz、4G 的2 390 MHz，提高到5G 的4 900 MHz，目前三大运营商的通信频率见表1。随着通信频率的提高，对车载设备通信接口、通信线缆、车载合路器、列车天线耐受频率以及信号抗衰减能力要求也逐渐提高。

表1 三大运营商频率分配表（2021 年版本）

2 CRH3A型动车组4G、5G通信方案

CRH3A 型动车组是由中车长客股份有限公司研制的时速250KM 电力动车组，于2017 年在西成高铁线路首发批量运营。由于设计较早，设计之初WTD 采用了3G 通信模块（实际使用2G 网络），实现车地实时传输功能。

车载WTD设备基本组成见图1，由车载WTD主机、合路器、通信线缆、车载天线组成。为实现对CRH3A 型动车组的车地通信升级，基于4G、5G 的通信频率（表1）等要求，兼顾列车实际，按照最小化改动原则，分别制定了4G 和5G通信升级应用方案。其中，4G 通信方案为：（1）WTD 主机升级为支持4G 通信主机，通信接口保持不变。（2）车载合路器升级至支持4G 通信频率的合路器。（3）车载通信线缆升级至支持4G 通信频率线缆。

5G 通信方案为：（1）WTD 主机升级为支持5G 通信主机，由单3G/2G 天线接口，升级为4 路5G MIMO 天线接口。（2）取消车载合路器，取消WTD 主机至合路器之间通信线缆。（3）车载通信线缆，升级到支持5G 通信频率线缆，同时额外增加3 路车体线缆，作为5G MIM0 补充天线通信线缆。（4）车载天线变更为5G MIMO 多合一天线。

针对以上两种方案：采用5G 方案对于列车通信速率、通信延时上具有明显优势，即使在5G 模块采用USB2.0 接口通信的情况下，实测最大通信速率也可达280 Mbps；但是5G 方案也存在改造实施难度较大，改造周期长等缺点。而采用4G 方案，虽然通信速率低于5G 方案，但是综合考虑列车实际上行数据量需求，兼顾经济性以及车体改造难度小等优点，亦可作为优选的改造实施方案。

本文以实际CRH3A 4G 改造实践，结合列车实际运用，制定了车地实时通信研究评价方法，以分析4G/5G 对车地实时传输的影响。

3 动车组车地实时通信评价方法研究

动车组车地实时传输受多方面影响，如车载设备、车载天线、车载通信线缆衰减、地面基站信号覆盖能力、沿途信号强度、地面数据中心数据处理能力等影响，而且列车处于静止、高速运动状态，评价列车的车地通信特性是一项较为复杂的工作。

为科学、高效的检验和评估采用4G/5G 通信技术对于既有动车组车地实时传输特性的影响，针对动车组改造前后的车载WTD 设备，采用同一动车组相同的车载线缆、车载天线等基础硬件条件以及同一地面数据中心数据收发平台，使用相同的车载软件，依托车地传输应答机制，制定了如下重点评价参数，以对列车改造前后的通信参数进行评价分析。

（1）评估平均数据延时，即数据从产生到收到地面确认的平均延时。

（2）评估平均数据发送次数，即数据从产生到收到数据时需要发送的平均发送次数。

（3）评估联网率/有效联网率，其中联网率=联网时间/总时间、有效联网率=连接服务器时间/总时间。

（4）评估掉线最大恢复时间，即设备掉线后到恢复在线的最长时间间隔。

其中，参数“平均数据延时”反映了车地实时传输的综合延时特性，“平均数据发送次数”则反映了车地数据有效传递的成功率，这两个参数均在一定程度上反映了车地实时传输的效率。而“联网率/有效联网率”“掉线最大恢复时间”在一定程度上反映了沿线信号覆盖及设备对沿线的信号质量的适应性，“掉线最大恢复时间”更加直观地反映了信号基站切换、隧道信号盲区等情况对列车实际车地实时通信的影响。

4 CRH3A型动车组WTD 4G改造前后传输参数特性分析

为充分验证动车组使用2G 技术和升级至4G 技术后对列车车地实时传输的影响，课题组按照2G、4G WTD 主机分别安装于同一列车运行于随机交路，和同一列车头车安装2G WTD 主机、尾车安装4G WTD 主机运行于相同交路两种不同的工况下，分别进行了车地传输性能试验和传输特性分析。

4.1 随机交路试验分析

依次安装2G、4G WTD 主机于同一组动车组，分别运行随机交路，针对运行的交路随机抽取了3 组试验数据作为样本数据，其中2G、4G 主机的评价参数结果见表2、表3，图2 为二者的对比分析。

表2 2G 主机通信试验结果

表3 4G 主机通信试验结果

由随机所选的试验样本数据分析：4G WTD 主机的各项车地实时传输评价参数均优于2G WTD，其中平均发送次数降低了23%，平均数据延时降低了62.6%，掉线恢复速度上也具有明显的优势，采用4G WTD 的传输实时性、传输效率更高，通信质量更好。

4.2 典型交路试验分析

头车安装2G WTD 主机，尾车安装4G WTD 主机，列车运行于同一交路，外部基站、信号等环境条件完全相同的情况下进行试验分析，更能客观体现二者的通信差异。同时为了充分反应列车运行及开行过程中的复杂环境特点，课题组选取了D353 次（上海虹桥—成都东）作为典型交路进行试验，该线路运行时长超过14 h，总计运行里程接近2 000 公里，途径市区与郊区，涵盖了大部分的移动通信工况。表4、图3 为在该典型交路下，2G 和4G WTD 设备的评价参数试验结果与对比分析情况。

表4 2G+4G 上海虹桥—成都东典型交路通信试验结果

通过上述典型试验线路的通信参数可以看出，该线路采用4G WTD 的各项通信参数特性，同样明显优于采用2G 的WTD。其中采用4G 的设备平均发送次数降低了21%，平均数据延时降低了62.6%，通信效率得到了提高。而整个线路上来看，采用4G 设备的联网率和有效联网率均得到了提高，其中有效联网率提在2G 基础上提高了约30%。从联网率和掉线最大恢复时间上来看，试验区间采用2G 信号的信号盲区范围大于4G 信号的盲区范围，这一定程度上反映了目前线路的4G 覆盖已经远远优于2G。

综上所述，采用4G 通信技术，相较于2G 通信技术，在通信效率、通信延时上均得到了大大提升，提高了车地传输的实时性、提高传输通信效率、降低数据延时，同时也在一定程度上降低了由于通信不良造成的数据传输失败而额外需要消耗的流量成本。

而随着我国5G 基站的日益完善，同时5G 设备向下普遍兼容4G，相信5G 技术在动车组中的应用也会越来越广泛，同时对于车地传输的业务场景也会越来越丰富[8]。

5 结语

目前，4G、5G 技术已经在和谐号、复兴号等动车组车地传输中进行了批量应用[9]。通过运用及试验分析，新一代移动通信技术的运用，对于车地无线传输效率的提升以及提高列车远程运维效率具有重要意义。