淺析5G通信技術在城市軌道交通中的應用

白浩

摘要：4G通信技術的高速發展與普及應用，推動了城市軌道交通通信系統的創新發展，實現了LTE車地無線通信傳輸系統的構建，有效提升了通信覆蓋范圍、信息傳播速率、信息傳輸抗干擾能力，為城市軌道交通管理與服務帶來便利。但在測試與實踐應用中發現，基于4G通信技術應用下的LTE系統，其綜合承載能力存在一定限制，在信息傳輸與處理上有待進一步完善。而5G通信技術的研發與應用，為城市軌道交通的創新發展提供了新動力。對此，有必要加強5G通信技術及其在城市軌道交通中應用的研究。

關鍵詞：5G通信技術；軌道交通；應用

15G技術概述

1.15G介紹

隨著移動通信需求的不斷增長，新一代移動通信系統——5G將在未來幾年內逐漸商用。屆時，5G依據以往發展的規律會在多個方面的性能有所突破，特別是頻譜利用率和能效將有較大提升，使得在傳輸速率和資源利用率方面會提高1個數量級甚至更高。另外，5G將在傳輸延時、可靠性、安全性、覆蓋能力等方面獲得較大的性能提升。5G移動通信系統的應用領域也將進一步擴展，將增加端對端（D2D，Device-to-Device）通信功能，同時增強對海量傳感設備及機器對機器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支撐能力，從而促進未來萬物互聯目標的實現。5G不僅讓用戶的體驗更好，而且能夠滿足更多行業、不同應用領域的特定需求。

1.2技術優勢

根據目前的研究進展，5G將采用多種新技術和新方法改善網絡性能、擴展網絡功能，如高頻段數據通信、大規模陣列天線、新型多址技術、新型多載波技術、全雙工、D2D通信、密集網絡、新型網絡構架等技術。通過這些技術實現4G網絡到5G網絡的飛躍。

相比較4G網絡，5G網絡系統在以下幾個方面的性能將得到顯著提升。5G還增加了D2D通信功能，是一種設備到設備的直接通信技術，可以減輕基站負擔、減小通信時延，與蜂窩通信相比，D2D通信僅占一半的頻譜資源。此外，距離較近的用戶利用D2D通信可以減少傳輸功率、節約能耗。另外，5G在安全性、可靠性等方面也提出了更高的要求。以上5G這些主要性能改善有助于提高城市軌道交通通信系統性能。

25G通信技術在城市軌道交通中的應用

2.15G通信技術應用的可行性與必要性

首先，在城市軌道交通中，由于列車運行速度較快，且穿行于低下或高大建筑物之間。因此，傳統衛星通信系統已經無法滿足實際通信需求，存在通信不穩定、通信安全水平低下等問題。隨著無線通信技術的創新與應用，基于4G通信技術下的LTE車地無線通信系統得以構建并應用。但從現階段應用的LTE-M系統實際運行情況來看，其使用的頻段主要為1785～1805MHz頻段，且受地方頻率資源應用限制，城市軌道交通通信網絡帶寬僅為10MHz，同時為保證通信安全、可靠，10MHz帶寬以半雙工方式進行通信，其上行通信最大吞吐量約為3.7Mbit/s，最小吞吐量約為2.9Mbit/s；下行通信最大吞吐量約為8.6Mbit/s，最小吞吐量約為6.0Mbit/s。但由《城市軌道交通裝備技術規范》相關要求可知，城市軌道交通通信系統系承載多項業務通信需求，包括列車運行控制業務、PIS（PassengerInformationSystem，乘客信息系統）視頻業務、列車運行狀況監測業務、共舞電話業務、時鐘通信業務、緊急文件發布業務、專用電話通信業務等，且不同自動運行等級，業務傳輸速率要求也不同。例如，GOA（GradeofAutomation自動運行等級）1/2的列車運行控制業務上行速率與下行速率需達到0.256Mbit/s、運行狀態監測業務的上行速率需達到0.024Mbit/s；而GOA3/4的列車運行控制業務上行速率與下行速率需達到0.512Mbit/s，運行狀態監測業務的上行速率需達到0.1Mbit/s。而當前應用的LTE-M系統則無法滿足各業務綜合通信需求，影響城市軌道交通通信服務質量與效率。應用5G通信技術，通信網絡頻譜效率得到大幅度提升，可將上行平均通信速率提升至18.4Mbit/s～37Mbit/s，上行平均通信速率提升至41Mbit/s～84Mbit/s，從而滿足城市軌道交通多業務并行通信需求，提升通信質量與效率。

其次，城市軌道交通中，為保證列車能夠在特定時間間隔內進行規范、有效、不干擾運行，一方面需保證列車運行控制質量，另一方面需保證列車運行效率。在此過程中，需依托無線通信進行最小追蹤間隔確定。在此過程中，一旦出現通信延遲問題，將降低追蹤時間確定的準確性，對列車運行可靠性、安全性產生不利影響。由《城市軌道交通裝備技術規范》可知，城市軌道交通通信系統單路單項傳輸時延需控制在2s以為，98%的時延不應超過1.5s。而基于4G通信技術應用下的通信系統，在5M帶寬下的單路CBTC業務中，端到端單漏纜最小時延為11.5ms，最大時延為67ms，平均時延為16.5ms。而應用5G通信技術，能夠將端到端縮短至1ms之內，從而大幅度提升系統運行的穩定性與可靠性，提高列車運行安全水平。

此外，相對于4G通信而言，5G網絡下D2D通信技術的應用，簡化了系統結構，能夠在不經過基站中轉的前提下，實現列車與列車之間通信，使相關工作人員能夠實時掌握列車所處位置、運行情況。與此同時，D2D通信技術可經一部縮短列車運行過程中的通信間隔，從而實現列車運行間隔的縮短，以提升列車控制質量與控制效率。另外，D2D通信技術與自組織網絡技術、SDN（software-definednetworking，軟件定義網絡）/NFV（networkfunctionvirtualization，網絡功能虛擬化）、新型多址技術等的整合應用，能夠對系統基礎設施進行簡化，實現網絡集約控制，并在大數據分析下及時掌握設備運行存在的問題，為設備運行維護提供信息支持，提升維護效率，降低維護成本的同時，保證城市軌道交通通信的安全與穩定。

2.25G通信技術應用的注意事項

目前，5G通信技術正處于發展階段，在實踐應用過程中不可避免會遇到諸多問題，有待進一步改善與處理。以城市軌道交通中的應用為例，在實踐應用過程中，需注意以下幾點：（1）在應用超密集異構網絡進行通信覆蓋范圍擴大，頻譜效率提升，系統通信容量擴展時，需注重現有頻譜資源的科學配置，根據不同業務實際需求，選擇資源節約方案進行網絡設計。與此同時，善于利用新切換算法，滿足系統頻發切換需求，降低動態變化對網絡運行穩定的干擾。（2）在應用D2D通信技術時，為促進其作用，包括資源節約、傳輸效率提升、時延縮短、傳輸成本控制等，需注重該技術在蜂窩網絡中應用的科學性，能夠實現與蜂窩網絡資源共享，在蜂窩網絡中完成會話建立、會話維持、信息識別、信息移動性管理等工作。（3）5G通信技術的應用需遵循循序漸進原則，即在現有4G通信模式的基礎上進行系統改造與升級。對此，城市軌道交通中5G網絡應具備兼容性，當5G網絡發生突發事故時，可轉換到其他方式維持通信，以保證列車運行的穩定與安全。（4）在新時代下，節約通信資源已經成為通信網絡構建的客觀需求與必然趨勢，對此應用5G通信技術，需實現綠色通道構建，增強通信安全水平的同時，實現通信資源的有效節約。

結論

5G網絡技術研究及應用，對于正在快速發展的城市軌道交通建設具有一定的積極作用。5G網絡技術有望解決現在困擾城市軌道交通通信系統應用中的一些問題，而且提供了更強大的功能、更靈活的應用，為優化城市軌道交通相關系統提供了新的思路。同時5G網絡技術能夠提高系統效率、減少能量損耗、進一步降低部分成本，實現國家倡導的節能減排、綠色通信，對后續城市軌道交通設計、建設和運營都有非常重要的指導意義。

參考文獻

[1]周相鈺，祝陶美.5G通信在城市軌道交通的應用[J].信息通信，2018（09）：169-172.

[2]凌力.5G與物聯網融合在城市軌道交通運維中的探究[J].鐵道建筑技術，2018（06）：18-22.

（作者單位：天津市地下鐵道運營有限公司）