試談5G通信在城市軌道交通的應用

余佳峻

摘? 要：隨著5G網絡大規模商用的不斷推進，這說明5G時代已正式來臨。圍繞城市軌道交通通信系統進行分析可以發現，無線通信系統屬于其重要組成部分，而通過引進5G通信，該部分存在的延時較長、傳輸速率較低等局限性即可較好化解。基于此，文章將簡單分析城市軌道交通無線通信系統現狀，并深入探討5G通信在城市軌道交通的應用，希望研究內容能夠給相關從業人員以啟發。

關鍵詞：5G通信;無線通信;城市軌道交通

中圖分類號：U285? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0193-02

Abstract： With the continuous development of large-scale commercial use of 5G network， this shows that the 5G era has officially come. Based on the analysis of the urban rail transit communication system， it can be found that the wireless communication system is an important part of it， and the limitations of this part， such as long delay and low transmission rate， can be better resolved by introducing 5G communication. Based on this， this paper will briefly analyze the current situation of urban rail transit wireless communication system， and in-depth discussion of the application of 5G communication in urban rail transit， in hope that the research content can give inspiration to relevant practitioners.

Keywords： 5G communication; wireless communication; urban rail transit

前言

基于毫秒級的傳輸時延、10Gb/s的傳輸速率、500km/h高速移動環境適應性，5G無線通信技術可較好用于城市軌道交通領域，這源于其先天性技術優勢。為最大化發揮5G通信的先天性技術優勢，推進城市軌道交通領域發展，正是本文圍繞5G通信在城市軌道交通的應用開展具體研究的原因所在。

1 城市軌道交通無線通信系統現狀分析

1.1 基本構成

作為城市軌道交通通信系統的重要組成部分，無線通信系統能夠為乘客無線通信需求、運營及生產提供基礎網絡支持，具體可分為乘客無線網絡、運營無線網絡、生產無線網絡、公安無線網絡。乘客無線網絡由乘客WIFI、運營商無線組成，通常由運營商自建，常用制式包括WLAN、3G、4G、2G;運營無線網絡由辦公網WIFI組成;生產無線網絡由生產無線網、軌道監控、列車監控、PIS車地無線系統、專用無線系統、CBTC組成，常用制式包括LTE、WLAN、EUHT;公安無線網絡由公安無線組成，常用制式包括PDT、TETRA[1]。

1.2 現狀需求

隨著城市軌道交通通信系統智能化程度的不斷提升，以及各地城市全自動運行線路探索的不斷開展，無線信息傳輸在城市軌道交通中的重要性正不斷提升，如智能客服、軌道監控等無需無線通信的傳統軌道交通系統也開始出現無線信息傳輸需求。隨著系統監測、高清視頻等技術的快速發展，急劇增長的無線傳輸信息量使得無線系統必須設法滿足各系統不斷提升的傳輸帶寬要求，特別是全自動運行線路，為全面監測軌道、列車數據，更清晰、無死角的車廂內部視頻監控將占用大量傳輸帶寬。同時，高速移動下乘客的無線通信需求近年來也在不斷提升，越來越多乘客希望在車廂內獲取音樂、視頻、新聞、圖片等信息的過程做到無“卡頓”。結合上述變化可以發現，當前各制式無線通信技術無法較好滿足上述無線通信需求，雖然WLAN、LTE、EUHT等通信技術在理論上可基于較高的移動傳輸性能與無線傳輸速率在一定程度上滿足相關需求，但受到列車運行速度、頻帶資源等因素的影響，這類技術實際應用中的移動傳輸性能及傳輸速率仍較為有限，無法滿足城市軌道交通的發展需要[2]。

2 5G通信在城市軌道交通中的應用

2.1 綜合承載

結合上文內容可以了解到，地鐵無線通信系統由4大類組成，移動運營商等第三方單位一般負責乘客無線網絡承建，地面公安無線通信制式直接影響公安無線網絡的方案選擇，滿足日常運營辦公的運營無線網絡一般獨立設置。因此，城市軌道交通中5G通信的應用主要體現在生產無線網絡中，以此綜合承載各類業務，即可保證5G通信更好服務于城市軌道交通發展。

2.2 網絡架構

城市軌道交通包含的節點一般有車站、控制中心、車輛段/停車場，結合應用場景需求，即可組成城市軌道交通5G網絡架構。5G核心網設備、應用服務器集群、網絡控制設備、網管部署于控制中心，其中應用服務器集群包括列車監控、信號CBTC、PIS車地無線系統、專用無線系統、軌道監控及其他;邊緣核心網設備、邊緣應用服務器、無線天饋設備、AU接入單元、CU云單元部署于車站、車輛段/停車場，天饋設備及AU接入單元部署于隧道區間，車載5G接入設備部署于列車上，由此即可構建一套5G生產無線網絡，實現對隧道區間、列車、車站、車輛段/停車場、控制中心的全覆蓋，滿足各類型業務綜合承載需要，為城市軌道交通發展提供支持。

2.3 基本應用

城市軌道交通中的5G通信基本應用主要體現在三個方面，包括高速通信、端到端通信、綠色通信。高速通信中的應用需關注5G通信的高頻段、高速率特性，由此簡化新線網絡設計方式、基于單網綜合承載多種業務，5G通信的效用即可更好發揮;端到端通信中的應用需基于5G通信具備的先進端到端通信技術實現，通過這一冗余通信方式，直接連接與通信可在類車間實現，5G通信可由此更好保障列車安全運行，列車運行效率也能夠同時提升;綠色通信中的應用需關注能量損耗問題，以此基于5G通信不斷優化城市軌道交通中的相關網絡，即可有效降低能量損耗，充分發揮5G通信優勢，具體可從提升系統運行效率、優化資源調度、優化網絡部署等方面入手，城市軌道交通系統的安全穩定運行可由此得到更好保障，城市健康發展也能夠獲得5G通信應用提供的堅實基礎支持。

2.4 需要解決的關鍵問題

對于5G通信在城市軌道交通中的應用來說，必須解決四方面關鍵問題，包括頻帶資源問題、信號覆蓋問題、區間信號切換問題、應用開發問題。基于頻帶資源問題進行分析可以發現，城市軌道交通領域向來較為關注頻帶資源，早在4G時代便存在相關文件要求，城市軌道交通LTE系統可基于1785～1805MHz頻段建設使用，但通過對各地的實際頻段分配情況進行分析可以確定，城市軌道交通建設大多無法將20MHz帶寬全部分配，城市軌道交通LTE系統的傳輸性能因此受到嚴重負面影響。結合5G系統的工作頻段劃分，3300～3400MHz頻段主要用于室內使用，3400～3600MHz頻段和4800～5000MHz頻段同樣屬于5G系統的工作頻段，可見5G時代可使用頻帶資源將更為豐富。但由于現階段我國尚未明確城市軌道交通的5G系統工作頻段分配，業界必須加強對相關內容的關注;基于信號覆蓋問題，應圍繞城市軌道交通應用場景進行針對性分析，5G無線天饋系統的線信號覆蓋需采用“漏泄同軸電纜+天線”結合的方式，具體的無線信號覆蓋涉及室外、車輛段/停車場室內、車站，覆蓋模型可參照式（1）進行計算，式中的L、D、F分別為自由空間損耗、距離、頻率。

L=32.4+201g（F）+201g（D） （1）

隧道區間無線信號覆蓋基于漏泄同軸電纜實現，這一過程需考慮漏纜耦合損耗、傳輸損耗、其他附加耦合損耗、車體屏蔽等因素影響，以此開展針對性的區間覆蓋方案設計。近年來漏泄同軸電纜產品正積極開展3GHz以上的高頻段研發，為開展更為科學、合適的隧道區間覆蓋方案設計，必須了解相關產品的研發動態和上市時間。相較于4G網絡，5G網絡擁有更高的頻點和更大的無線部署密度，因此每段漏纜在隧道區間的覆蓋距離也將因此更短;基于區間信號切換問題進行分析可以發現，隧道區間中列車的運行速度較快，5G無線信號基于每段漏纜也存在更短的覆蓋距離，這種情況下5G時代區間天饋方案設計必須重點關注信號切換問題。在信號切換方案的應對中，5G時代區間天饋方案設計必須考慮系統對切換時間的要求及列車運行速度催生的要求，以此提供足夠的重疊區覆蓋距離滿足越區切換地帶需要，信號的平滑切換也需要盡可能實現;基于應用開發問題，需重點關注顯著提升的5G時代無線傳輸性能，以此保證應用開發能夠與性能提升做到匹配，以此充分利用豐富的傳輸帶寬，更好服務于城市軌道交通發展。基于“小帶寬”無線傳輸開展的城市軌道交通各系統開發與定制屬于業界普遍現象，如基于當前通信傳輸速率設計的列車視頻清晰度、調看路數、錄像存儲方案，這方面內容均存在較大提升空間。隨著5G通信技術的快速發展，與之相關的NFV、SDN、云計算等新型技術將被大量引入城市軌道交通各系統，而在對業務進行綜合承載后，各系統應基于先進的基礎網絡技術及豐富的帶寬資源針對性開發相關應用，以此有效提升各系統功能的智能化、豐富性程度，充分發揮5G網絡優勢，更好為城市軌道交通發展保駕護航。

3 結束語

綜上所述，5G通信在城市軌道交通的應用具備較為廣闊的發展前景。在此基礎上，本文涉及的現狀需求、綜合承載、網絡架構、需要解決的關鍵問題等內容，則提供了可行性較高的城市軌道交通5G通信發展方向。為保證5G通信更好服務于城市軌道交通發展，5G通信技術的優勢必須得到充分利用，同時需重點關注其在保障列車運行穩定性與安全性方面的作用發揮。

參考文獻：

[1]廖欣.簡析5G通信在城市軌道交通的應用[J].中國新通信，2020，22（02）：21.

[2]廖佳鑫.5G通信技術在城市軌道交通中的應用研究[J].信息與電腦（理論版），2019（15）：186-187.

[3]鄒勁柏，張科博，洪翔，等.5G在城市軌道交通中的應用前景分析[J].城市軌道交通研究，2019，22（07）：75-78.