5G 技術在軌道交通領域的應用

1 引言

第五代移動通信技術（5G）是具有高帶寬、高速率、高穩定性、低延遲等特點的新一代寬帶移動通信技術，是移動通信技術的巨大飛躍。其傳輸速率高達每秒1??GB（圖1），反應速度與人的神經系統一樣快（只需數毫秒），而且其高帶寬允許同時接入海量設備，因此未來利用5G技術訪問互聯網的傳感器、機器和人員數量將快速增長。此外，5G技術可通過網絡切片功能（圖2）區分不同的應用場景，并針對相應的應用場景調整網絡的傳輸功率，因此可比4G技術更好地適應垂直市場的需求，如工廠自動化、移動解決方案等。總而言之，5G技術可集成以前只能通過某種特定專業方法實現的所有功能，這種多功能性使其成為一種可取代現有無線解決方案的技術。目前，5G技術已逐步應用到軌道交通領域，對其發展發揮著日益重要的推進作用。

圖1 無線移動通信網絡的發展演進

圖2 5G網絡切片功能的應用

2 可用的 5G 終端設備及網絡

2.1 終端設備

目前，隨著5G芯片組的逐步商用，越來越多支持5G技術的智能手機及工業終端設備得以發布并推向市場（圖3）。這為5G技術在各領域的推廣應用奠定了基礎。

圖3 西門子商用5G路由器

2.2 網絡

目前，5G網絡的組網模式有非獨立組網（NSA）和獨立組網（SA）2種。NSA模式是通過將無線移動通信網絡的空中接口從4G升級到5G，使5G基站接入4G核心網。這意味著雖然無線移動通信網絡接口已經升級到5G標準，但是數據仍然通過現有的4G核心網進行路由。SA模式中，5G網絡是完全獨立建設的，其核心網、基站等設施全部采用5G技術，相比NSA模式，其技術更成熟，數據傳輸速率更高，投資成本更低，建設耗時更短。

在SA模式下，5G網絡將實現更多的功能，如網絡切片。5G網絡切片功能可將網絡分為不同的切片（邏輯切片），并針對應用程序的特殊需求調整網絡的傳輸功率，從而實現網絡資源的優化配置；其具備極大的靈活性，可滿足各種應用要求（圖4）。

圖4 5G智慧無線移動通信

從NSA（4G+5G）模式到SA（5G）模式的轉變不是一蹴而就的，因此4G和5G核心網將在未來幾年共存。

3 5G 技術應用場景

5G技術在軌道交通中的應用場景包括技術替代（即目前已通過4G技術實現的應用場景）和技術創新（目前還不能通過4G技術實現的應用場景）2類。

3.1 技術替代

在技術替代場景中，數據服務對時間不敏感，幾秒范圍內的延遲不會影響列車運行，例如：

（1）列車運行狀態數據從列車到軌旁設施的傳輸；

（2）乘客信息數據的傳輸；

（3）列車駕駛員與控制中心之間的語音通信；

（4）列車位置信息的傳輸；

（5）在列車中播放的新聞或廣告；

（6）列車上提供的互聯網服務。

這些應用場景目前都已通過4G技術實現。5G技術的應用可提高數據傳輸的效率和質量，但會大幅增加成本。因此，應綜合考慮成本效益，決定是否采用5G技術。

3.2 技術創新

技術創新應用場景是目前必須使用專門開發的系統才能實現的應用場景，其集成了各種創新技術，因此實施成本也十分高昂。

例如，在基于人工智能（AI）的列車車廂監控系統中，如果視頻數據能夠實時傳輸，圖像的自動化分析結果可以低延遲獲得，則可以在控制中心或云設施中對攝像機獲取的數據進行實時評估。目前，這可以通過在列車上安裝額外的硬件（HW）設備實現，然而將大幅增加車輛成本。而采用5G技術，則可將視頻數據通過寬帶實時地、幾乎沒有延遲地傳輸到控制中心或基于云的AI設備中，并在短時間內呈現數據分析結果；此外，列車不必裝配額外的硬件用于計算和分析。

因此，5G技術在此類應用場景中具有廣泛的應用前景。

4 結語

隨著5G技術的發展和完善，其必將在城市軌道交通領域獲得廣泛應用。在技術替代場景中，可將之前基于4G技術的終端設備升級為具有5G能力的設備，以增加數據吞吐量，提高數據傳輸質量。而在技術創新應用場景中，可利用5G-SA網絡及其網絡切片功能實現列車的精準控制，以及基于云的列車傳感器數據實時分析和評估。