城市軌道交通5G通信應用綜述

張 艷

株洲中車時代電氣股份有限公司軌道交通技術中心 湖南 株洲 412005

引言

城市軌道交通列車運行控制業務利用連續、大容量的車地雙向無線通信實現列車控制信息的傳輸，由于1.8G專網頻段受限的原因，LTE-M網絡傳輸帶寬難以滿足無人駕駛應用場景下的車地無線大帶寬傳輸需求。同時，在保障列車運行控制、緊急文本下發等關鍵業務的高可靠、低時延傳輸，大帶寬傳輸，高速移動性支持，減少越區切換，避免弱場強覆蓋等方面，5G通信網絡都有更優越的性能。

1、城市軌道交通無線覆蓋特點

城市軌道交通信號系統車地無線信號覆蓋范圍為沿軌道線路的線性覆蓋，實現無線網絡的覆蓋和接入。無線覆蓋的區域主要包括所有車站、正線、高架橋、折返線、車輛段、停車場、試車線。

滿足現有城市軌道交通設計最高時速120km/h的運行需求，確保列車在高速運營時無線網絡的帶寬、丟包率、傳輸時延滿足要求，保證各業務系統平穩可靠地實現車地無線雙向通信。

列車正常運行時，車載無線終端（TAU）跨越兩個無線小區進行越區切換，不會造成業務中斷或者服務降級，無線切換時延需要小于100ms，保證越區切換過程中各業務系統平穩可靠地實現車地雙向通信。

車地無線網絡采用雙網冗余，且兩個網分別采用不同頻率，實現雙頻冗余覆蓋。列車運行控制系統為保障車地通信的連續性和冗余性，覆蓋規劃時考慮相鄰兩個無線基站的覆蓋區域彼此重疊，以確保覆蓋的快速切換和冗余覆蓋。

2、城市軌道交通業務需求分析

根據應用場景分類，我國城市軌道交通安全/非安全寬帶移動通信業務需求可分成：列車運行控制業務信息、列車緊急文本應用、列車運行狀態監測應用、IMS視頻監控應用、地面旅客信息系統應用、集群調度業務信息。

列車運行控制業務：通過列車在交通線路上的實際運行狀況和客觀因素，對列車車速及制動方式等進行實時的控制、監督，并合理調整業務信息。車緊急文本：PIS服務器傳送給車載PIS終端的緊急文本信息。列車緊急文本下發業務為隨機性數據。列車運行狀態監測業務：列車運行狀態實時監測系統，它主要是將傳感器采集到的列車關鍵參數實時傳送到地面監測中心，列車運行狀態監測業務為周期性數據。CCTV視頻監控：通過無線傳輸的方式將列車駕駛室和車廂的視頻監控圖像實時回傳到控制中心或地面監控站，以便集中監控。PIS視頻業務：由地面將視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸到車廂內播放。主要包括需要保障連續、高帶寬、低時延需求的視頻便民信息，如緊急文本、行車信息、新聞廣播、換乘信息、在線廣告等。集群調度業務：線路運營、應急和維護等需要的各種語音、視頻和數據呼叫通信和管理業務。此業務屬于生產安全信息網業務。

3、城市軌道交通5G應用分析

5G移動通信的三種典型業務場景包括：增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（uRLLC）。

eMBB主要面向高速移動通信、超高清視頻傳輸等對承載網存在超大帶寬需求的大帶寬移動寬帶應用。單用戶的接入帶寬達到當前固網寬帶相同的量級，相比4G網絡吞吐量增長達到數十倍，可滿足城市軌道交通提供一網承載的多業務綜合承載車地無線傳輸需求。

mMTC主要面向以傳感和數據采集為目標的物聯網等應用場景，5G承載網具有高精度同步、多連接通道、低功耗低成本、簡易部署等特征，可構建軌道交通5G信息化物聯網絡，實現車載、軌旁、路基等應用環境下的無線數據采集，協助完成軌道交通各種設備設施的運營維護。

uRLLC主要面向軌道交通、車聯網、工業控制等垂直行業，承載網絡具備超低時延和高可靠等能力。5G采用分布式網絡架構，在終端側位置部署邊緣MEC，并結合5G網絡切片技術，實現業務之間的安全隔離的同時為終端提供專用的網絡和應用資源。

4、5G通信對軌交通信信號系統的影響

城市軌道交通場景具有高移動性、高吞吐量、高穿透損耗、用戶集中、頻繁切換等特點。而現有移動通信系統無法適應軌道交通場景的各種特點，這就促使5G系統需要提供先進的網絡架構和關鍵技術，為軌道交通場景中用戶提供連續、安全、可靠、高速的寬帶移動通信服務。

1）城市軌道交通綜合承載解決方案，由于專用頻段受限的原因，尤其是無人駕駛（FAO）應用場景下難以滿足車地無線通信大帶寬傳輸需求。在滿足城市軌道交通列車控制業務、視頻傳輸需求的同時，5G網絡還可為智能運維系統提供大帶寬傳輸通道，保障海量車載運維數據的實時轉載。為軌道交通提供滿足大帶寬承載的“多網融合”車地無線通信系統全方位解決方案。

2）超低時延的高速移動通信系統方案，面向城市軌道交通系統的5G超可靠低時延無線通信（uRLLC）解決了列控相關信號的車地無線信息傳輸需求，支撐這類業務的核心挑戰來自于高速移動場景下信道環境的快速變化與傳輸可靠性、傳輸時延之間的矛盾。實現網絡從接入管道向信息化服務使能平臺的關鍵跨越，大幅降低業務時延，滿足軌道交通應用場景中低時延業務需求，是5G網絡的代表性能力。

3）軌道交通物聯網解決方案，軌道交通物聯網指通過物聯網技術，構建軌道交通信息化物聯網絡，實現車載、軌旁、路基等應用環境下的無線數據采集，協助完成軌道交通各種設備設施的運營維護。5G 與互聯網的融合使得傳感器、處理器和網絡技術成本將迅速降低。

4）軌道交通車車通信解決方案，通過車車通信的方式實現無人駕駛，即將傳統以地面控制中心為主的列車信號系統轉變為以列車自行計算最大移動授權區間的列車控制系統，實現列車與列車互傳位置、方向、速率、駕駛模式和車載信號設備及列車車輛相關狀態信息等，通過獲取臨近列車的位置、方向、速率等信息，列車依據防沖撞原則自行計算最大移動授權區間和最大運行速度等行車數據，實現列車無需地面控制中心的自我調度。

5、結語

本文針對5G通信的關鍵技術展開分析，并針對城市軌道交通的無線覆蓋特點和關鍵業務承載需求展開敘述，總結了5G通信技術在城市軌道交通中應用的典型場景。隨著5G通信技術的成熟與推廣應用，將為城市軌道交通提供大帶寬、高可靠、低時延的通信傳輸保障。