5G通信技術在城市軌道交通智慧運維中的應用探討

張洪慶 陳 忠 黃劍平

深圳地鐵運營集團有限公司 廣東 深圳 518040

1 引言

隨著全球新一輪科技革命和產業變革的深入推進，5G已成為世界各國實施數字經濟戰略的先導領域，我國更是將5G視為推進供給側結構性改革的新動能、振興實體經濟的新機遇、建設制造強國和網絡強國的新引擎。5G作為新型基礎設施建設重要領域之一，應用前景廣泛，且賦能行業發展的作用凸顯，助力行業升級潛力巨大。

1.1 5G定義

5G是第五代移動通信技術的簡稱，也可以稱為5G技術，也是繼4G (LTE-A、WiMax)、3G (UMTS、LTE)和2G(GSM)系統之后的延伸，是最新—代蜂窩移動通信技術。5G技術的系統效率非常高，這得益于各種集成技術及現金的信息技術，它的發展速度非常快，為移動通訊用戶間的傳輸速率奠定了良好的基礎。相較于4G通訊技術，5G技術增加了信息資源的有效處理，使產能降低，不但迎合了移動通信市場的需求，而且發展了新科技革命。隨著我國通信技術的快速發展，5G技術已經逐步在城市軌道交通中應用開來。其設備除了之前我們所熟知的手機和平板電腦等，也逐漸開始在許多方便攜帶的電子設備上應用起來，應用領域越來越廣泛，涉及交通、金融、民生、醫療等，用戶體驗速率比4G快了近一百倍。5G技術的快速發展標志著我國通信技術水平的又一次提升。

1.2 5G通信技術的背景及發展

二十世紀末自1G技術問世，時至今日，通信技術經歷了從1G到5G的快速發展，5G的問世給通信行業帶來了不小的轟動，是當今最新、最快的通信技術，他可以實現多用戶之間的傳輸，數據傳輸效率和數據信息的處理速度都很快，比4G的速度快了一百倍，大大迎合了當前人們快節奏的生活及需求，高效的傳輸效率也使得5G得到了快速的發展。5G的到來意味著一場新的科技革命的開始，5G的發展很大程度上也標志著我國移動通信技術的快速發展。由于5G技術高效的數據傳輸效率，使其在生產、生活中得到了廣泛的應用，而且5G技術可以脫離小型只能終端使用，因此，它可以應用于更多的移動通信設備和智能設備上。

全球5G網絡頻段（圖1）主要分為毫米波和Sub-6GHz。毫米波相比Sub-6GHz使用的電磁波波長較短，對應頻率較高，在傳輸信號時速度更快，存儲容量更大。Sub-6GHz由于使用相比毫米波低了很多的6GHz的電磁波，在傳播速度和帶寬容量上比毫米波遜色不少。

圖1 5G網絡頻段

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.超高速的場景。例如高速移動的列車需要傳輸自身的狀態信息至控制中心以保證自身的運行正常。

2.支持大規模的人群，在人口密集的地鐵中，上萬人同時參與的事件中，也能夠流暢地進行對外通信。

3.超可靠的實時連接，即使移動到覆蓋面邊緣的地方也能連接到網絡。

4.無處不在的物物通信，能夠實現物品與物品之間的相互通信，即實現大規模的物聯網。

在城市軌道交通系統中，無線傳輸是通信系統的瓶頸，特別是車地傳輸更是其中的難點和痛點。而5G毫米波具有頻段資源豐富、帶寬大、傳輸速度快、空口時延小、天線尺寸小等特點，借助5G毫米波通信技術，快速傳輸軌道交通通信系統重要數據，結合最新信息化技術，將會給軌道交通智慧運維帶來變革。

2 城市軌道交通運用5G通信技術的需求

城市軌道交通的通信系統主要有兩種：有線通信系統和無線通信系統。當前在城市軌道交通中應用最為廣泛的是無線通信系統，當前，國內地鐵一般采用WLAN技術來搭建無線網絡，其中，CBTC車-地無線通信系統用來負責列車操控信息傳輸，由于它會直接影響列車運營的安全性和穩定性，因此，對該系統的穩定性提出了很高的技術要求，這就意味著，無線通信系統必須具備獨立的傳輸通道和可靠的冗余通信信道。隨著信息技術的快速發展，無線通信技術、自動化在生活中的應用越來越普遍，另外，地鐵移動辦公、軌旁檢測數據采集和車輛大數據采集也對通信技術的要求越來越高。在成熟軌道交通中，不同的運營環境需要不同的無線通道技術，要求也各不相同，比如，有的需要大容量信息傳輸，有的需要更加安全的通信傳輸系統，有的對功耗的要求較高等，一般情況下，車-地傳輸網絡必須要安全、穩定、高效。從我國軌道交通發展趨勢來看，將來車-地傳輸對于寬帶的要求也勢必越來越高。隨著軌道交通技術的快速發展，對車-地傳輸寬帶的需求也越來越高，對于城市軌道交通的安全性、穩定性及經濟性等方面的要求也越來越嚴格。

3 5G通信技術在深圳地鐵智慧運維的應用

國務院提出開展智慧城市試點工作以來，深圳市智慧城市建設蓬勃開展，要求智慧城市建設中，智慧交通要先行，不僅成為智慧城市的重要組成部分，并且要起著主導作用。

然而隨著深圳地鐵運營網絡不斷擴大，軌道交通運營車輛、設備數量成倍增長，現有傳統的運維服務模式已經難以適應數量、服務質量要求，因此需要探索信息化、網絡化、規范化的運維新模式。但在推動列車運營自動監控、綜合維修和旅客服務信息系統一體化，開發軌道交通主動檢測與智能維護系統過程中，發現其中無線車地傳輸是制約城市軌道交通智慧化的瓶頸所在。

目前國內地鐵車地無線通信系統主要有二種方案，其中之一是采用WLAN方案，即在隧道區間部署WIFI網絡。WIFI網絡本身并非為移動通信設計，雖然從802.11g、802.11n到802.11ac，空口速度在提升，但是WLAN方案長期存在使用公共頻段導致車地無線通信被干擾的問題，存在高速移動性能差、切換能力差等先天劣勢，同時還存在因軌旁設備部署密集，造成運維壓力大的問題。

大于1785MHz，小于1805Mhz，是目前城市軌道交通所使用的LTE-M系統頻段，雖然在移動性能和抗干擾能力都很優秀，然而應用到車地無線通信系統的LTE-M存在可用頻寬太窄的問題，僅有20MHz的可用頻寬。在這種情況下，通過測試得知，上行通信最大、最小及平均數據吞吐量為3.7Mb/s、2.9Mb/s和3.3Mb/s，下行通信最大、最小以及平均數據吞吐量分別為8.6Mb/s、6.0Mb/s和8.4Mb/s。因此可用業務和傳輸速度都受到限制，無法滿足智慧化所需的大帶寬，超高速要求。

深圳地鐵既有線路車地傳輸大部分采用WIFI方案，少部分采用LTE-M方案，因此在智慧化亦受制于現有WIFI、LTE-M通信技術，面臨如下問題：

正線設備數據無法傳回：針對軌行區和車載設備告警信息、設備故障視頻圖像等的運維優化項目（電客車健康管理、弓網在線監測、車載信號監測、變形監測、軌道探傷等）受制于現有的無線傳輸通道，不能實時、穩定回傳后臺分析，無法實現地鐵智慧運維、大數據分析和預測性維修。

安防視頻下載效率低：電客車健康管理系統和列車安防系統視頻數據量達到1TB/列天，無法實現實時下載，人工上車下載效率低下，占用列車運維時間，在緊急情況下甚至需要列車清客至折返線登車拷貝，難以滿足事件調查快速、及時的要求。

為了推動深圳地鐵智慧化工作，針對地鐵車載監控視頻等大量數據回傳的痛點和難點問題，經過市場、技術調研、論證和測算，結合軌道交通應用場景，深圳地鐵選取11號線福田站、碧海灣站、機場站和碧頭站作為試點，采用超高頻5G通信技術車地通信方案傳輸車載系統數據。福田站至碧頭站區間選取的4個車站包含地上和地下區段，站間距離長等情況，場景豐富；具有8節列車編組，車載設備多，數據量大，列車運行速度高、列車在此4個車站停留時間相對長等條件，能比較全面測試超高頻5G通信技術性能，如果選取其他車站作為試點，因停車時間都大大比上述4個車站停留時間短，傳輸相同容量數據，必須敷設多一倍以上的接收基站，無線傳輸的投資成本必然翻倍。

超高頻5G通信技術車地通信系統核心部件分別為：軌旁基站RBS、車載設備TAU（圖2），并輔以車載網關、地面高速轉儲服務器等其它上下游設備（圖3）。在列車車廂安裝車載設備TAU、車載網關，負責收集數據和無線傳輸；在車站首尾兩端部署軌旁基站RBS，通過光纖網絡與地面高速轉儲服務器連接，實現數據的接收。

圖2 超高頻5G通信技術車地通信系統

圖3 超高頻5G通信技術車地通信系統上下游設備

超高頻5G通信技術車地通信系統采用相控陣天線、波束賦型、載波聚合等技術，提供一條擁有超過1.5Gbps的空口業務傳輸能力的車地高帶寬通信通道，大大地改善了車地傳輸效率，例如列車監控視頻運行1小時，產生大約25GB的視頻文件，使用原有LTE-M分配的4Mbps的帶寬，需要14小時，緊急情況上車使用移動硬盤200Mbps拷貝速度，也需要1.5小時，使用超高頻5G通信技術，自動下載速率達到1536Mbps/秒，150秒完成25GB的數據下載。

基于此通道，可搭建軌道交通綜合業務數據傳輸承載平臺，滿足隧道設施風險識別、弓網設備智能巡檢、視頻周界入侵檢測、鋼軌磨損智能識別、主要區域人臉識別、乘客擁擠度分析、遺留物品查詢、突發事件分析預警、列車智能檢修、司機疲勞駕駛識別、司機標準作業管理、車輛無人駕駛監控等智慧巡檢、智慧客服、智慧列車的數據傳輸需求，為車地業務系統提供堅實的基礎。

4 結束語

目前，無線通信技術在傳輸帶寬、高速移動性以及傳輸時延支撐等各方面均有一定的局限性，這使得各系統在方案設計及應用開發等方面亦受到較大的限制。5G通信技術飛速發展，主要展現出其高速率、高安全性、高可靠性的特點。在智慧安檢、智慧運維方面，5G通信都突顯出了巨大的潛力。因此，對于我們打造更加便捷高效、方便舒適的城市軌道交通出行環境，5G通信必不可少。