5G通信技術在城市軌道交通中的運用分析

李麗萍　馮曉芳　張文超

【摘要】? ? 5G互聯網技術的科研和應用對快速發展的城市軌道交通基礎設施具有一定的積極作用。5G互聯網技術可以提高系統效率，降低能量損耗，進一步降低部分成本。完成了我國倡導的節能降耗、綠色通信。對后續城市軌道交通的設計、基礎設施和運營都有非常重要的指導意義。

【關鍵字】? ? 5G? ? 城市軌道交通

一、5G技術簡述

1.1 5G詳細介紹

隨著移動通信技術要求的不斷提高，新一代移動通信技術體系——5G將在未來兩年內逐漸商用。屆時，按照以往發展的規律，5G將在幾個層面的特性上取得進步，特別是頻段利用率和能耗水平將大幅提升，促使傳輸速度和資源利用率出現一個數量級的提升。此外，5G在傳輸時延、穩定性、安全系數、覆蓋能力等方面都會有很大的提升。5G移動通信技術體系的主要用途也將進一步擴大，將增強端到端（D2D，Device-to-Device）通信的作用，同時提高對大量數據以及機器對機器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支持能力，進而推動未來物聯網總體目標的完成。5G不僅讓用戶體驗更好，而且可以滿足大量領域和不同用途的特殊要求。

1.2技術優勢

根據目前的研究成果，5G將通過多種新技術、新方法來改善互聯網的特性，擴大互聯網的作用，如高頻數據通信、大規模陣列天線、新型接入技術、新型多載波通信技術、雙工、D2D通信、聚合互聯網、新型互聯網架構等技術特征。根據這個技術性，完成從4G互聯網到5G互聯網的飛躍。5G還增強了D2D通信的作用。它是一種設備到設備的直接通信技術，可以緩解通信基站的壓力，減少通信延遲。與蜂窩通信相比，D2D通信僅占用一半的頻段資源。此外，對于距離較近的用戶，使用D2D通信可以降低傳輸輸出功率，節約能源消耗。

此外，5G在安全系數和穩定性方面也明確提出了更高的規定。5G的關鍵特性提升有利于提升城市軌道交通通信系統的特性。

二、城市軌道交通通信

2.1通訊網絡

傳輸系統是軌道交通通信系統中的骨干系統。各種信息通過傳輸系統傳輸，如：各種生產調度電話、國家公務、部門、站間電話的視頻和語音信息監控中心的視頻和語音信息;從監控中心到各地鐵站的自動檢票（AFC）、辦公系統（OA）等;視頻和語音，運行信息，從監控中心到各地鐵站的電視監控視頻信息，以及其他一些操作信息。傳輸系統選用以光纖通信系統為主的傳輸材料。一般每個地鐵站、地下停車場、車站、監控中心都設置一套傳輸連接點和連接設備，并根據兩側的光纜形成一個完整的光纖環網。如果部分信息被終止，就會影響列車的運行，甚至威脅到安全駕駛。在基于無線通信的CBTC系統中，監控中心與區域控制板（ZC）之間的通信是基于標準化的、對外開放的通信網絡系統，通過802.3有線網絡連接。

2.2無線通訊

在城市軌道交通通信系統中，除數據和信息的傳輸基于有線電視傳輸媒體外，其他子系統均基于無線通信。無線網絡集群通信系統在城市軌道交通通信系統中發揮了非常重要的作用。它是生產調度和驅動程序之間可靠的通信方式。同時，它也完成與移動中的工人和救援人員的溝通。該系統在保障行車安全、解決突發和意外安全事故方面具有不可替代的作用。

在實際應用中，基于通信的列控系統（CBTC）早已成為城市軌道交通列車數據信號控制系統的關鍵控制系統。其中，列車攔截設備必須將列車自主測得的即時速度信息傳送到軌旁設備，并??發送至調度系統。調度系統是根據前車與車輛的距離和前后、左右列車的速度信息進行調度。并將計算出的列車速度曲線圖傳回列車。為此，列車運行是為了確保列車的安全。

2.2.1車地通信

基于4g的TD-LTE移動通信技術的技術性質上，在20MHz頻段網絡帶寬下，上下行100Mbit/s可以給予最大50Mbit/s管道速度的前提下，CBTC系統是每列選擇安裝上/下組控制信息和業務流程寬帶網絡要求均為0.5Cbit/s。現在使用的4g暫時可以滿足列車的要求，但是隨著城市軌道交通CBTC系統自動駕駛技術的發展和應用，每列列車都安裝了數據信號系統，用于上下班組控制信息業務流程網絡帶寬要求會達到1Mbit/s，甚至更多。這樣一來，就必須減少同一互聯網上的列車總數或提高互聯網的覆蓋水平。

2.2.2車對車通信

隨著無線通信的發展，已有的一些學者明確提出了一種基于車對車通信的新型CBTC系統。與傳統的CBTC相比，車對車通信減少了軌旁子系統，減少了系統中的socket總數。這降低了系統的多樣性，但這需要列車根據Wi-Fi網絡或互聯網連接點（AP）實時向同一個網絡通信提交自己的行車信息（一個可存儲為路線上的火車行駛信息的數據庫）。其他列車可以即時從網上下載這些信息，然后利用這些信息來區分自己在攔截設備上應該以何種速度行駛，從而移動和攔截，并自動調整列車之間的距離。通訊方案可以減少信息傳輸的距離，但也明確提出了更多的網絡通訊樞紐要求。

三、5G在城市軌道交通中的應用

3.1無線數據傳輸

現階段城市軌道交通LTE-M系統應用的頻率范圍為1785～1805MHz，但受限于各地區頻率資源的應用，一般只允許其中的10MHz網絡用于城市軌道交通。充分考慮數據信號系統的可靠要求，將10MHz的網絡帶寬劃分為A、B雙網（5CHZ）進行通信。根據該標準，測量單一網絡應用和單一泄漏電纜條件下的數據信息傳輸。

一方面，5G利用多種技術提高頻段的效率，在原有網絡帶寬下提供更高的通信速度。另一方面，使用更高的頻段可以減少頻段資源焦慮的現狀，完成極快、極短的Route通信。全面多樣的技術改進，5G互聯網與4G互聯網相比，頻段效率提升了5-10倍。根據當前檢測速度，當前上下行平均通信速度可以提高到18.5～37Mbit/s，通信速度可以降低。增加到42～84Mbit/s。

這樣，不僅單個網絡能夠全面安裝當前所有的業務流程，還可以提升多路超清視頻，滿足海量業務流程的需求，不僅簡化了業務流程的復雜性。新的線路網絡設計方案，也降低了維護難度系數提高。

隨著5G網絡綜合承載能力的提高，軌旁設備的工程建設和安裝逐漸減少，有利于滿足建設周期短、相對有限的長線項目的改造需求。

3.2低延遲、高可靠性

跟蹤距離確保列車以一定的間隔在路線上相互交互。它不僅是考慮列車運行控制系統特性的重要指標值之一，也是保證高運行效率的關鍵參考。無線通信是CBTC系統完成小距離跟蹤的基礎，通信延遲時間是整個無線通信過程中普遍存在的不足，會導致車輛攔截和道路設備信息應用不同，穩定性降低，并跟蹤列車之間的距離，操作安全和高效率造成影響。

根據不同的通信延遲，已知以下列車跟蹤間隔和最佳速度值。在無通信延遲的理想條件下，列車跟蹤間隔為33.06s。當延遲為200ms時，列車跟蹤間隔為38.27s。

使用5G技術，可以將端到端時延降低到1ms以內，這將進一步縮短操作間隔，使虛連接和編隊操作成為可能。此外，減少了通信延遲，可以提高系統的穩定性，提高操作安全性。

3.3端到端通信

現階段，根據CBTC的列控系統，為了更好地避免因軌旁計算機設備常見故障導致列車降級或停止運行，列車運行路線設計方案A和B與對方的列車獨立網絡通信。但是，大量的通信設備必須安裝在軌道旁，增加了基建成本，增加了施工周期，也增加了中后期運維難度系數，不利于長期航線的更新改造。

此外，D2D通信技術將生態系統理論和多跳技術應用到互聯網上，即與機器設備相連的終端設備可以作為互聯網的無線中繼，為其他機器設備提供通信鏈路，使整個互聯網由于某些部分的數據信號較弱或受到影響，或通信基站的常見故障導致無法通信，從而使整個互聯網變得更加健壯。這種技術性可以進一步提高網絡通信的穩定性。

D2D通信技術為列車頭尾通信提供了一種新的方式。過去，列車的前后截斷控制板必須鋪設直通線才能進行通信，增加了舊線路更新改造的難度系數。D2D技術使前后端車輛攔截控制板基于無線網絡方式即時通信，無需通過車地互聯網，無需鋪設首尾直通線路進行通信。同時，減少了工程建設更新改造的周期時間。也方便了汽車中后期的保養。D2D通信技術為地鐵車站設計、基礎建設、運營維護提供了更加便捷的通信方式。

3.4海量用戶超聚合組網

隨著5G通信網絡帶寬的顯著增加，5G互聯網可以安裝大量的業務流程，同時允許許多無線網絡設備聯網和通信。目前，部分用于汽車攔截、道路有線電視連接組網的設備可以改為無線網絡組網方式，從而減少大量布線，同時設備可以靈活放置在各處，從而減少需要一個大的空間。放置設備的要求也有利于設備的安裝和維護。

為了更好的提高系統的安全系數和穩定性，可以適當改進傳感網設備和監管設備，根據無線網絡，實時采集車輛攔截設備和軌旁設備，在線數據分析，及時處理常見設備故障和潛在問題，并及時反饋給監控中心及相關工作人員，第一時間獲取準確信息內容，對出現的問題進行精準定位，保障列車安全高效運行。

以上這種業務流程會遇到很多終端設備接入困難。

3.5大規模無線天線陣列

大規模無線天線陣列有望用于5G互聯網。根據無線天線的空分特性，相同的時頻資源可以同時服務多個用戶，不僅可以提高頻段的效率，還可以提高傳輸的穩定性。由于光束賦性使光束擴散具有一定的特異性，因此還可以利用該特征間接獲取列車的大致位置，輔助區分旅客列車的位置，跟蹤列車的運動軌跡及地面段等空間開闊的場景應用。

3.6綠色通訊

隨著通信技術的發展，通信的能耗問題越來越嚴重。世界各國對通信節能降耗水平制定了不同的指標值規定。城市軌道交通行業響應當前國家政策，積極優化網絡，降低能耗。

5G基于網絡結構、互聯網部署、資源生產調度、鏈路級技術等的改進提高系統運行效率，減少傳輸中的能量損失，達到提高能效和成本效益的總體目標。為完成節能降耗，綠色通信提供了技術基礎，對未來城市軌道交通的基礎建設和運營具有一定的吸引力。

四、結束語

5G通信技術在城市軌道交通中的應用，是推動城市軌道交通以更加自動化技術、智能化系統、標準化、專業化、標準化、綠色發展的核心技術，可以合理提高城市軌道交通通信的協調能力、時效性和完整性。

對此，在實施創新驅動發展戰略中，結合5G通信技術的認知能力，對其在城市軌道交通中應用的可行性分析，以及不斷的產品開發和實踐，推動其在交通通信領域的應用具有一定的必要性和重要性。