5G通信技術在城市軌道交通中的應用

謝志鋒 武寧

【摘要】? ? 隨著5G技術的開發和應用，城市軌道交通對5G通信技術的深度融合、多場景應用的需求更加強烈，傳統的基于WLAN技術、LTE技術已無法完全滿足城市軌道交通智慧化的發展需要。本文介紹了現階段城市軌道交通現狀，結合石家莊地鐵探討5G通信技術在軌道交通體系中的應用，為后續城市軌道交通5G建設和發展應用提供參考。

【關鍵詞】? ? 5G通信? ? 軌道交通? ? 應用場景

軌道交通作為城市動脈和大眾化的交通工具，是國家關鍵基礎設施和重要基礎產業，對我國經濟社會發展、民生改善和城市安全起著不可替代的作用。《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》指出，要利用云計算、大數據、5G等技術，構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的新一代中國式智慧型城市軌道交通。隨著對移動通信需求的持續增長，5G頻譜利用和能源效率將大大提高，在傳輸延遲、可靠性、安全性和覆蓋范圍方面實現更大的性能改進，并在城市軌道交通車地通信、運行監測、網絡覆蓋、大數據分析等復雜場景數字化應用將不斷深入，成為實現城市軌道交通智能化的重要支撐。

一、 5G技術優勢與發展

5G是對第五代移動通信技術（Fifth generation mobile communication technology）的簡稱，是基于4G延伸的移動通信技術。作為新一代移動通信技術，5G通信實現了眾多先進技術的整合應用，超密集異構網絡、大規模天線陣列（massive MIMO）、端對端通信（D2D）、切片、邊緣計算（MEC）等技術的發展和普及，將向超高速、高可靠、低時延、大規模物聯網絡時代邁進。

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，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“萬物物聯”網絡體系。對4G通信技術與5G通信技術對比分析，可以發現5G通信技術傳輸速率更高，信息傳輸速率可達到10Gbps是4G（100Mbps）的百倍，信息容量更大，可靠性更強，資源利用率更高，能夠滿足城市軌道交通的通信需求。

二 、 軌道交通網絡現狀

2.1車地通信受限

地鐵車載視頻為軌道交通指揮中心提供列車重要監控數據，在協助調查分析及反恐上起著舉足輕重的作用。目前石家莊地鐵開通3條線路，1、3號線乘客信息系統車地無線采用LTE1.8GHz的專網頻譜，帶寬10MHz，每列車僅能上傳兩路視頻圖像至控制中心。2號線采用WLAN IEEE 802.11ac技術，車載實時圖像在實際使用中會出現卡頓、鏈接不暢，車廂內視頻僅能實時查看2-4路，錄像更是無法實現回傳，只能通過人工拷貝完成。

2.2應急通訊難度大

在發生事故事件等應急狀況下，根據現場情況可能需要臨時布置無線攝像設備用于實時監控，布置臨時影音通訊設備與站外安保人員實時通訊和聯絡，便于應急指揮。當前以石家莊地鐵的專網帶寬及通訊方式為例，其中1.8GHz乘客信息系統帶寬10MHz，帶寬存在不足，專用無線通信系統采用800MHz頻段，無法實現多路終端的視頻回傳需求，應急狀況保障手段有限，只能采用對講機聯絡，存在互通差或多線路無法互通等問題。

2.3智慧列車狀態監測需求增大

隨著列車智慧化的改造革新，列車的狀態數據需要實時上傳到后臺，以實現列車狀態的在線監控，確保運行安全。當前列車編組一般為8節車廂，運行監測系統安裝傳感器數以千計，需要海量同步傳輸數據，由于局限于帶寬限制數據上傳無法全面覆蓋。未來隨著5G網絡的發展和應用，列車控制和管理系統（TCMS）的速率可以得到極大提升，列車走行部、制動、牽引、弓網監測等存儲數據能夠實時上傳，對列車的智慧化運維帶來提升。

三、 軌道交通5G應用分析

3.1無線高速通信

軌道交通車地無線通信作為保障安全運營的重要環節，承載了以下生產業務：基于通信的列車運行控制系統，完成對車輛安全行駛的控制功能;列車運行狀態監測系統，用于保障車輛運行期間關鍵設備系統的安全運轉;車載視頻監控系統，用于列車內視頻圖像實時上傳;乘客信息系統，用于線網異常情況下的乘客通知及運營服務信息發布。

石家莊地鐵LTE-M車地無線通信系統使用1.8GHz頻段，10MHz頻譜帶寬;經測試上下行數據吞吐量約為2-8M，按照需求分析，在綜合承載下列車運行控制業務、列車運行狀態監測業務、視頻監控業務、乘客信息系統業務等所需約40-70M平均帶寬，石家莊地鐵5G創新應用分析如表1所示。

在最小單位單網運行下，5MHz的LTE-M通信速率難以滿足多種業務的綜合承載需求。例如列車運行狀態監測應用方面，在4G網絡下，通過在車上部署數據采集處理與發送設備，可實現列車原始數據的分布式收集、本地存儲等功能，但數據量大小和數據速率受限，只能應用于小數據傳輸;大數據傳輸（如走行部記錄文件等）方面需要依靠人工方式實現。引入5G后，可以提高數據量和數據傳輸速率，實現大數據文件實時傳輸，實現對系統及關鍵部件狀態監視、故障預警及健康評估等功能，為列車運行提供遠程診斷與專家技術支持。此外，車載視頻圖像實時回傳到控制中心，5G技術可在原有帶寬下提供更高的通信速率，在滿足綜合承載帶寬應用的同時，逐步向可視化語音通信、大數據傳輸、超高清視頻流等方面不斷邁進。

3.2運營維護優化

軌道交通線路內需要維護的設施較多，點多面廣、維護工作量巨大，利用物聯網（IOT）技術采集各類機電系統狀態數據、工務系統狀態數據，通過5G網絡接入回傳給專業維護人員，運營由被動維護轉為智能監管，提高維護效率。石家莊地鐵目前開展5G試點改造優化工作，當前列車車輛數據及事件采集模塊（ERM）數據都是采用人工拷貝方式，無法實現對列車實時狀態管理，考慮后期5G全網覆蓋后TCMS業務定制開發，先期在列車上部署5G天線、車載TCMS接口設備，實時采集車上狀態和故障信息等，利用現有的ERM設備接口回傳數據，通過5G專用網絡通道傳輸至平臺，接收列車工況、牽引、制動、視頻等數據進行試點測試分析，逐步實現對列車的實時監視、應急響應、系統分析等功能，提高列車可靠性，降低維護成本，為后續5G全面應用打好堅實基礎，構建智慧地鐵。

3.3物聯通信提升體驗

乘客智能出行是發展趨勢，5G技術發展和應用將拉近乘客距離，乘客可實現軌道交通網絡購票，實時查尋列車到、發站信息、車站擁擠情況，定位商業網點等，為乘客出行提供參考，提高地鐵服務水平和舒適度。地鐵運營也可通過大數據統計，實時發布和接收地鐵、公交信息等，實現站內分區疏散、站外潛在乘客引導換乘，提升乘客感受。此外5G高速網絡可使更多的視頻影像、廣告等實時精準下發，視頻播放更加清晰，以實現地鐵商業精準營銷，提升客戶觀感體驗，提升溢價能力。

四、結束語：

5G通信技術以其大帶寬、低時延、高可靠、連接廣等優勢，隨著軌道交通的深入應用將發揮越來越重要的作用，推動城市軌道交通更加自動化、智能化、系統化、綠色化。目前軌道交通5G建設和改造如火如荼，在實施創新驅動發展戰略背景下，積極認知5G通信技術，了解其在城市軌道交通中應用的可行性，不斷的拓寬新思路，并在不斷研發與實踐下進行相應的論證，最終使5G技術能夠在城市軌道交通中大規模應用，構建更加全面的地鐵運營平臺，發揮其更大價值。

參? 考? 文? 獻

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