關于城市軌道交通5G 通信技術的應用展望探討

章程

（安徽省綜合交通研究院，安徽 合肥 230000）

伴隨5G 通信技術的出現與應用，城市軌道交通通信系統的技術應用，同樣需要得到必要的改進[1]。目前，LTE-M 系統已經成為新建城市軌道交通選擇應用的車地通信系統。這是因為該系統具有車地覆蓋范圍廣泛的優勢，它能為乘客進行視頻通話或實施上網，均提供了便利。但是，它相對5G 通信技術依然遜色。因此，國家已經對城市軌道交通行業提出了明確要求，需要應用5G 通信技術。

一、5G 通信技術概述

（一）5G 簡介

人們對移動通信需求處在不斷增長當中，新一代移動通信系統5G 已經進入商用階段。以5G 通信技術的應用，實現了通信性能的諸多突破，尤其是提高了頻譜的利用效能，促使傳輸資源與速率獲得了極大提高。5G通信技術很好解決了信息傳輸延時問題，并增強了信息覆蓋能力，也強化了信息的安全性與可靠性。同時，它還能拓展系統應用的領域，且增加了端對端這種特有的通信功能。不僅如此，它又能支持海量信息傳感設備的通信能力，也能支持機器對機器的通信能力，進而推進了在未來可能實現的萬物互聯目標的接近。5G 具有的良好用戶體驗，能使諸多行業或領域滿足特定通信需求[2]。

（二）5G 的技術優勢

5G 是在應用多種先進技術和創新方法，在改善網絡原有性能，擴展原有功能，像它所使用的高頻段數據和D2D 通信、規模較大的陣列天線、新型的多址、多載波和網絡架構、全雙工、密集網絡等技術，實現了現代通信技術的大跨越。尤其是D2D 通信技術，能實現由設備到設備的直接通信，既能降低通信延時，又能為基站減負，還能少占頻譜資源，更能降低傳輸功率，實現能耗降低。它有很高的通信安全性與可靠性。5G 具有的技術優勢，非常有助于提升城市軌道交通通信系統的性能。

二、城市軌道交通對5G 技術的應用

（一）可實現通信的高速

當前，城市軌道交通通信系統都在應用LTE-M 系統。但因受各地頻率資源利用因素制約，針對城市軌道交通通信資源，一般只允許使用其中的10MHZ帶寬。城市軌道交通為使自己允許使用的有限通信資源，實現通信信號的安全可靠性，又將其分成A、B 雙網，即5MHZ+5MHZ，實施冗余式通信[3]。

根據我國《城市軌道交通裝備技術規范》提出的需求，在不同的自動運行等級當中，城市軌道交通通信的傳輸速率，需要滿足下列要求，即乘客視頻業務2Mbit/s-8Mbit/s；視頻監控業務2Mbit/s/路；列車運行狀態監測業務0.024Mbit/s-0.1 Mbit/s；列車緊急文本下發業務0.01Mbit/s-0.01Mbit/s；綜合承載列車運行控制業務0.256Mbit/s-0.512Mbit/s。但LTE-M 通信系統則難以滿足如此的要求。同時，我國《城市軌道交通裝備技術規范》，未對集群調度業務的通信傳輸速率，提出具體的要求。不過，依據針對現場的實際測試，它的單路高清視頻傳輸速率則是較小。

假如將每個業務都放在最小單位，依靠LTE-M 通信系統當中僅有的5MHZ帶寬，是不能滿足各類業務綜合承載設計需求的，尤其需要多種業務進行多發時，則更顯通信資源的捉襟見肘。比如，如果有多列列車需要在同一區域實施通信或進行多路視頻傳輸時，那么，LTE-M 通信系統的單網承載則難以支撐出現正常的通信速率，造成一些業務空間不能實現有效擴展。為破解這一難題，只好設計應用多個網絡用來承載不同業務的通信速率。即使是進行了這樣的破解，又出現了構建網絡復雜、建設周期長和后期維護難度高等問題。

應用5G 通信系統，則是境況迥然不同。因其采用了多種先進技術，增加了相應的頻譜效率，使原有的帶寬能夠提供比較高的通信速率。同時，還用更高的頻段，用來緩解頻譜資源緊張的難題，進而能夠實現短距離的極高速通信。相比較而言，5G 網絡顯示的頻譜效率是4G 網絡的5 到10倍。這樣，就能將城市軌道交通中的上行或下行平均通信速率分別提高到18.5Mbit/s-37Mbit/s 或42Mbit/s-84Mbit/s。如此看來，5G 通信技術既可以單網綜合承載城市軌道交通現有業務，又能增加多路高清視頻，實現了對承載業務通信速率的滿足需求。不僅如此，5G 通信技術還能簡化新網構建復雜度，并可降低后續的維護難度。伴隨5G 通信技術網絡綜合承載力的增強，又能減少軌旁設備的安裝，既利于對老舊線路的改造，又能拓寬軌旁空間，并且能縮短工期，節約建設成本[4]。

（二）可實現低延時與高可靠

追蹤相應的間隔，確保城市軌道交通車輛用一定的時間間隔，在軌道線路上進行互不干擾的運行，既是衡量城市軌道交通車輛運行控制系統性能的一個關鍵性指標，又是確保城市軌道交通車輛運行效率一個重要參考。無線通信應該是CBTC 系統能夠實現城市軌道交通車輛較小追蹤間隔的一個關鍵性基礎，但是，出現的通信延時現象又是相對普遍之象，往往會導致出現車輛車載與地面通信設備對信息使用不同步問題，因而降低了通信的可靠性，造成對城市軌道交通車輛運行安全、追蹤間隔和運行效率的影響。

根據我國《城市軌道交通裝備技術規范》中提出的要求，通信系統的單路與單向傳輸延時，不能超過150ms 概率并不小于其98%，也不能超過2s 概率并不小于其99.92%。但以往使用的城市軌道交通通信系統，則難以達到這樣的要求。在沒有良好解決通信延時問題的情況下，同樣不能很好實現城市軌道交通車輛追蹤間隔與破解通信延時的理想狀況。

應用5G 通信技術，能夠將端到端的延時狀況，降到1ms 之內，進而促進了城市軌道交通車輛運行間隔的進一步縮短，并可促成車輛編組運行或實施虛擬聯掛的實現可能。通信延時的降低，顯示了通信系統運行的可靠性，又在助力城市軌道交通車輛實現運行的安全性[5]。

（三）可實現端到端之間的通信

目前城市軌道交通應用的CBTC 車輛控制系統，主要是為預防軌旁網絡設備出現故障以后，會造成車輛出現降級運行乃至停運問題。為此，只好設計A、B 彼此獨立的車地通信網絡，實施相應的冗余通信。這種通信網絡的設置，既要增加大量的通信設施，又要增加建設投入，還要應用較長的建設周期，并要增加后續維護的難度，更阻礙對老舊線路的改造。

應用5G 通信技術，體現了D2D 通信技術的性能，可使通信設備之間的數據通信，不再需要基站實施中轉。端到端通信技術依然是一種另外的冗余通信方式，但它可在軌旁網絡出現故障的時候，能夠實現車輛之間的直接通信，用以通報各個車輛所在的位置以及當時的運行狀況等信息，極大提高了車輛運行的安全性，并不會使車輛進行降級運行。同時，因為它縮短了車輛之間的通信延時，通信的可靠性，則減少了車輛之間的運行間隔，促進了車輛的運行效率。

不僅如此，端到端的通信技術，還能較好支持相應的網絡多跳技術，可將通信終端接入設備，當作一種網絡中繼，以期為其他設備提供一定的通信鏈路，進而使通信網絡不會因為信號弱而受到干擾，也不會因為出現基站故障而導致不能實現通信，可將通信系統武裝得愈加健壯，尤其能極大提升通信網絡運行的可靠性。

同時，端到端通信技術也為城市軌道交通車輛提供了進行首尾通信的蹊徑。以往車輛首尾之間的通信，都在依靠車載控制器，并在車載控制器之間鋪設首尾貫通線路而實現通信。而端到端通信技術則是可以直接應用無線方式，實現車輛首尾的直接通信，不需要再鋪設貫通線路，也沒有必要再借助車地網絡。可見，它的優勢顯然明了，尤其降低了通信成本，提升了通信效率。端到端通信技術能夠為城市軌道交通通信提供愈加便捷、靈活的通信方式。

（四）可實現海量用戶的超密集組網

5G 通信技術大大提高了通信帶寬，能承載更多的業務，為實現海量無線設備組網提供了技術支持。如果應用5G 通信技術，能將現有車地有線組網設備進行部分改造，進而減少大量的布線，實現靈活分布，騰出原有通信設備占據的空間。

為充分體現通信系統具有的可靠性與安全性，也可以適當增加一些無線傳感器設備或監控設備，運用無線網絡動態實時采集車載設備或軌旁設備運行的狀態信息，并對這些采集到的信息進行大數據解析，以利發現設備運行故障或潛在危險因素，并將其發現及時傳輸給控制中心，促使維護人員能夠快速到達故障出現的現場，實施精準性及時的維護，用以確保城市軌道交通車輛高效而安全的運營。

不能否認，實現這樣的通信水平，固然需要諸多的終端接入，但5G通信技術因其能夠支持海量終端接入，則可節省大量的組網時間。因此，它非常適用于城市軌道交通通信系統的建設。

（五）可實現大規模的天線陣列

5G 通信技術能借助天線空分特征，將相同的時頻資源，同時實施若干用戶的服務，既能提升必要頻譜效率，又能增強通信信息傳輸的可靠性。究其原因，是因其能支持城市軌道交通中海量設備的接入，并能應用波束賦形技術提升城市軌道交通車輛車地通信系統的抗干擾能力。因為波束賦形傳播，方向性較強，因此，可間接獲取城市軌道交通車輛大概位置，利于追蹤車輛運營軌跡，它比較適合城市軌道交通換乘站、車輛段或地面段等場合應有這種通信技術。

（六）可實現綠色通信

應該說，通信技術還要繼續發展，通信能力消耗嚴重問題依然需要獲得進一步的破解。國內外針對通信實現節能減排都構建了不同的指標要求。我國針對城市軌道交通通信同樣提出了要求，需要城市軌道交通行業積極優化通信網絡，以利逐漸降低能耗。

5G 通信技術的出現與應用，均能優化通信網絡架構，實施合理通信網絡部署，科學調度通信資源，提高通信網絡鏈路技術，進而促進通信網絡的運行效率，降低信息傳輸能耗。由于它具有的這些特性優勢，已經為實現綠色通信和節能減排創造了技術條件。展望未來，5G 通信技術將對城市軌道交通通信網絡建設，提供更大的應用空間。

結束語

5G 通信技術的出現與應用，能有效改觀城市軌道交通通信系統。它所具有的通信性能優勢，能破解目前城市軌道交通通信系統遇到的難題，為提高城市軌道交通通信系統建設質量，提供了優勢技術條件。