基于5G的D2D通信技術在地鐵中的應用研究

胡軼群 王鈺 王壯

摘? 要：D2D通信技術是5G網絡的關鍵技術，可以實現兩個用戶節點直接進行通信，本文研究了5G網絡的技術特點，詳細分析了D2D通信技術在地鐵通信領域的應用方法，通過概述D2D通信技術的通信過程，資源分派方式和優點，提出了其在列車控制系統中的應用要領。我們假設無線電資源的配置十分合適，于是利用D2D技術可以減少網絡互相擾亂，更大程度上利用設備的功能，改善了列控系統的整體機能。

關鍵詞：5G通信? 地鐵列車? D2D通信? 列車控制

中圖分類號：U285? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）08（a）-0164-03

Abstract： D2D communication technology is the key technology of 5g network， which can realize the direct communication between two user nodes. This paper studies the technical characteristics of 5G network， analyzes the application methods of D2D communication technology in the field of Metro communication in detail， summarizes the communication process， resource allocation method and advantages of D2D communication technology， and puts forward the application essentials in the train control system. We assume that the allocation of radio resources is very appropriate， so we can use D2D technology to reduce network interference， to a greater extent， use the function of equipment， and improve the overall function of the train control system.

Key Words： 5G communication; Metro train; D2D communication; Train control

1? 引言

5G是第五代移動通信技術的簡稱。5G是一種促成了人和人、人和物、物和物的安全高速融合網絡。目前，5G的建設已成為一個熱門的研究領域。在城市軌道交通中，因為列車較高的運行速度，且通行于地下或高大的建筑物之間。因此，通信的實際需求已經是傳統的衛星通信無法滿足的了，經常出現通信不穩定、安全水平低等問題。現如今，無線網絡通信技術在生活中越來越普及，構建與應用了利用4G通信技術的LTE車地無線通信戰線。但現階段應用的LTE-M系統，其使用的頻段主要為1785～1805MHz頻段，且目前無線電委員會允許的城市軌道交通通信網絡帶寬僅為10～20MHz。

2? 5G技術在城市軌道中的應用

目前，5G網絡對于可靠性、安全性、覆蓋范圍都有所提升。其新增加的端對端（D2D，Device-to-Device）通信功能將5G的應用領域進一步擴展。

通過兩個設備之間直接通訊，基站的頻譜資源僅使用了一半，可以減小基站負擔和通信時延。此外，相鄰的兩個用戶通過D2D 通信技術來有效節約電量。其通信模式如圖1所示。

5G網絡中的D2D通信網絡相較于4G來說，通訊系統的結構相對簡單，能夠不路過基站，實現列車與列車之間的通信，從而使相關工作人員了解實際的列車的位置、運行狀況。此外， D2D通信網絡技術可減少列車運行過程中的通信區間，從而縮合列車出行時間間隔，列車控制的技術得以提升，大大增加控制效率。

3? D2D優勢及具體應用方法

當前基于CBTC的列車控制系統，在行駛線路中建設兩條獨立的車地通信網絡互為冗余來防止軌旁網絡設備故障造成列車降級運行或停止運行。5G通信使用了設備之間不需要進行基站中轉，而是端到端（D2D）的通信技術。D2D通信技術是一種替代復雜的通信模式，在軌旁網絡出問題時可以進行列車之間相互通信相互發送位置信息以及運作狀態，從而確保安全的情況下，不會降低級別繼續安全操作。D2D通信在進行列車之間的通信時可以減少列車出發時間的間隔，提高了管理效率，也使通信更為可靠。具體應用方式如圖2所示。

此外，D2D通信技術支持多路跳轉技術，也就是說終端的設備可以給其他設備提供通信鏈路，充當一個中繼站，使得整個網絡將不會因為某個位置信號弱或遭遇信號干擾，或者基站故障而不能進行通信，于是加強整個網絡的健壯性、可靠性。D2D通信技術是列車首部和尾部通信的新方式。以往車子首部和尾部的車載控制器之間進行通信需要在建造時鋪上首尾相連的線路，這樣老舊線路和車輛的改建會很困難。D2D技術運用另一種無線的方式，首部和尾部機載控制器直接通信，而不用通過車地網絡，不通過貫穿首尾的通信線路進行通信，同時減少施工時間，也為列車維護提供了方便。D2D通信網絡技術為地鐵系統提供了更加靈活的通信方法。D2D通信技術具有以下的優勢：

（1）提高頻帶操縱效率，利用D2D通信資源可以二次使用蜂窩狀網絡的頻譜，從而使網絡的吞吐量提高。采取D2D通信方式，通信兩個終端之間的數據傳輸可以方便進行，無需基站轉化，節省通信成本。

（2）改善社區籠蓋范圍，使用者的信號強弱程度通常和蜂窩式網絡基站所在的地理位置有關，基站更接近使用者通常具有更高的信號強度，使用者在社區外圍時有著相對較弱的信號。采取D2D通信有利于社區外圍的使用者收到信號，社區的信號覆蓋范圍得以擴大，確保社區內所有的使用者獲得不錯的通信體驗。

（3）擴大應用規模，運作通信網絡要有很多的設備支撐，在中心網或接入網的通信設備一旦有問題可能停止整個通信網絡運行，D2D通信可以不依托于基站傳送數據，降低對設備的依托度。在蜂窩通信網絡中建立的Ad-Hoc網絡，可以不依賴現有網絡設備迅速形成自組織網絡，當系統或電源出問題時，通信可以正常工作。

（4）控制擾亂的功能，相對于其他短間距通信技術，D2D通信網絡技術的顯著特點就是各種擾亂我們可以有效防控，確保了通信的質量。D2D通信在授權的頻率段工作，質量和通信安全信用能保證，有更好的使用者體驗感。

4? D2D通信在列控系統中的應用

利用D2D通信技術，數據不經過轉化就可以交互，并且在終端之間可以二次利用資源進行通信，因此它和CBTC系統方法相比，更加方便。傳統無線通信網絡結構與D2D通信的列車控制系統是不同的。列車使用傳統車地通信傳導和處理消息時，相鄰的兩輛車之間試著創設D2D連接，有下面兩種具體的方式：

（1）當車輛A與車輛B直接通信時，采取D2D連接;

（2）當車輛A與車輛B之間的間距較長或鏈路狀況不好時，使用基站轉化方式，基站只轉發接收到的信息而不作任何處理。

雖然D2D通信和傳統的車地通信組合的過程比較麻煩，但它對現有列車控制系統基本設施的改動較少，而且數據傳輸比較可靠，因此確保列車的安全行駛非常重要。

5? 結語

5G網絡和軌道交通通信等場景相匹配，它們通常具有快速、范圍大等特點，可以在車輛上提供較大的發射功率實現兩車通信，完成近間距軌道交通環境的通信要求。本文通過探討5G網絡發展及其所包含的關鍵信息技術，主要研究其關鍵技術中的D2D通信工程技術，說明了D2D通信企業技術的通信方式流程、優勢及資源分配工作方式，并闡述了它在列控系統的應用問題。無線電資源的合理配置可以使網絡之間的擾亂減少，提高設備的使用率，提高列車控制系統的整體機能。

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