淺析5G通信技術在城市軌道交通中的應用

李洋

摘要：現階段，隨著社會的發展，我國的現代化建設的發展也突飛猛進。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；城市軌道交通；應用

引言

基于4G網絡技術的城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M，地鐵長期演進系統），由于其移動性高（相對移動速度≥350km/h）、覆蓋范圍大、抗干擾能力強、業務優先級調度算法先進，逐漸取代基于無線局域網（WLAN）的車地通信系統。隨著2016年中國城市軌道交通協會發布《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）規范》，LTE-M系統成為新建城市軌道交通線路的首選車地通信系統。同時，應用LTE通信網絡在地上和地下城市軌道交通運營線的廣泛覆蓋，也給乘客上網和視頻通話提供了方便。但在實際應用和測試中發現，應用于城市軌道交通的LTE-M帶寬受頻譜資源限制，綜合承載能力有限；受LTE-M延時影響，基于通信的列車控制（CBTC）系統性能受限。目前各國正在積極推進第5代移動通信（5G）技術的研發和相關標準制定工作。國務院在2016年11月印發的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中對5G技術已有明確方向：“大力推進第5代移動通信（5G）聯合研發、試驗和預商用試點”，同時對軌道交通行業也提出了明確的要求：“強化軌道交通裝備領先地位。推進軌道交通裝備產業智能化、綠色化、輕量化、系列化、標準化、平臺化發展，加快新技術、新工藝、新材料的應用”。地方企業、科研單位已開始進行關于軌道交通信息化和高速移動下的5G研究。北京市科委表示，未來地鐵新建線將預留5G信號空間。工信部表示，力爭2020年啟動5G商用。通信系統作為城市軌道交通重要的系統之一，5G新技術的推進為城市軌道交通發展增加了新的動力。

1對“5G通信技術”的基本認識

“5G”是對第五代移動通信技術（Fifthgenerationmobilecom-municationtechnology）的簡稱，又被稱之為“第五代移動電話行動通信標準”，是基于4G（第四代移動通信技術）上延伸的移動通信技術。作為新一代移動通信技術，5G通信具備了更高的要求，實現了眾多先進技術的整合應用。例如，5G通信技術應用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用技術）實現通信信號的疊加傳輸，為不同用戶間的多路傳輸奠定良好基礎，促進5G通信系統接入能力的提高；5G通過引入可拓展OFDM間隔參數配置，通過構建超密集組網，提升通信容量，實現多種部署模式下不同信道寬度的支持，在不增加控制系統復雜性的基礎上，滿足5G網絡大規模設備連接要求；5G通過應用大規模天線陣列技術、全頻譜接入技術，實現系統頻譜效率提升，增強對各頻譜資源處理能力，以滿足5G網絡大規模、高速率通信需求；5G系統引入綠色通信技術，實現信息與通信技術產業耗能的降低，滿足社會與市場對綠色發展的需求。在先進技術結合應用下，5G網絡在以下場景中具備較高應用價值與應用前景：（1）超高速場景，如滿足高速列車控制系統通信需求，實現狀態信息的高效傳輸，提升高速列車運行穩定性與安全性；（2）高可靠、低時延場景，覆蓋范圍不斷拓展，實現網絡內部實時通信，提升通信可靠性；（3）大規模物聯網業務場景，可滿足大規模通信設備連接需求，使眾多人參與到通信事件中，進行同步交流，構建物與物、人與物、人與人相互溝通的“萬物物聯”網絡體系；（4）高體驗性場景，即在滿足信息無障礙傳輸的基礎上，實現更自由、開放網絡的構建，增強網絡應用安全性、便利性、高效性、互動性。對4G通信技術與5G通信技術進行對比分析，發現5G通信技術具有如下優勢：（1）傳輸速率更高。5G通信技術應用下，信息傳輸速率可達到10Gbps是4G（100Mbps）的百倍，與此同時5G網絡100MHz以上的帶寬，為信息傳輸速率的進一步提高奠定了良好基礎。（2）信息容量更大。5G網絡每平方公里能夠連接的設備數量是4G的十倍有余，且通信質量更好，通信可靠性更強，能夠滿足人口密集城市軌道交通的通信需求。（3）資源利用率更高。5G網絡結構的改變，如D2D（Device-to-Device，端對端通信）的設計、自組織網絡技術的應用等，不僅增強了信息傳輸速率，也有效提升了資源利用率，利于實現移動通信網絡體系構建的綠色化發展。

2城市軌道交通5G應用

2.1高速通信

目前城市軌道交通LTE-M系統使用1785～1805MHz頻段，但受各地方頻率資源使用限制，一般只批準其中的10MHz帶寬用于城市軌道交通。考慮到信號系統安全可靠的需求，把10MHz帶寬又分為A、B雙網（5MHz+5MHz）冗余方式進行通信，按照《城市軌道交通裝備技術規范》系統需求，在不同的自動運行等級（GOA，GradeofAutomation）下綜合承載列車運行控制業務、列車緊急文本下發業務、列車運行狀態監測業務、視頻監控業務（IMS）。集群調度業務的傳輸速率未做要求，但根據實際場地測試，單路高清視頻約<4Mbit/s（H.264）或<2Mbit/s（H.265）。在以上每個業務最小單位的情況下，5MHz帶寬LTE-M通信速率難以滿足各業務綜合承載的設計要求，特別是多業務并發時，例如多列列車在同一小區進行通信、多路視頻傳輸等情況下單網承載遠遠不能滿足需求，進一步使得業務擴展空間受限。受此問題影響，目前解決辦法是設計多個網絡承載不同業務，導致網絡建設復雜、周期長、后期維護難度大等問題。

2.2低延時，高可靠

追蹤間隔保證列車以一定的時間間隔在線路上互不干擾地運行，不僅是衡量列車運行控制系統性能的關鍵指標之一，也是保證運營效率的重要參考。無線通信是CBTC系統實現較小追蹤間隔的基礎，而通信延遲是無線通信過程中普遍存在的問題，會造成車載和地面設備對信息使用不同步，可靠性降低，對列車追蹤間隔、運行安全和效率產生影響。按照《城市軌道交通裝備技術規范》，要求通信系統單路單向傳輸時延不超過150ms的概率不小于98%，不超過2s的概率不小于99.92%。根據不同通信時延下列車追蹤間隔和最優速度值可知，在沒有通信延時的理想情況下，列車追蹤間隔為33.06s，當延時為200ms時，列車追蹤間隔為38.27s。應用5G技術，可將端到端的延時降低至1ms以內，這將使運行間隔進一步縮短，使得虛擬聯掛、編組運行成為可能。另外，通信延時減小，可增加系統的可靠性，提高運行安全。

2.3端到端通信

目前基于CBTC的列車控制系統，為了防止軌旁網絡設備發生故障造成列車降級行駛或者停運，在列車運行線路設計了A、B相互獨立的車地通信網絡，互為冗余進行通信。但這樣需要在軌旁增設大量的通信設施，提高了建設成本，延長了施工周期，也增加了后期運行維護的難度，不利于老舊線路改造。5G通信引入了端到端（D2D）通信技術，設備之間數據通信不需要基站的中轉。D2D通信技術可作為另一種冗余通信方式，在軌旁網絡故障情況下，可以使列車與列車之間直接通信，相互匯報各自的位置信息及運行狀態信息，從而在保證安全的前提下，不降級繼續安全運營。D2D通信技術使列車與列車之間通信時延可以進一步降低，從而進一步減少列車運行間隔，在提高運行效率的同時，也增加了通信的可靠性。

結語：

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]北京多條地鐵線實現4G全覆蓋并預留5G信號空間[J].都市快軌交通，2016（4）：19.