5G通信技術(shù)在城市軌道交通的應(yīng)用

李智勇

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施投資分公司，北京100043）

1 5G 通信技術(shù)概述

1.1 優(yōu)勢

相較于4G 技術(shù)，5G 技術(shù)在信息處理方面具有更為顯著的優(yōu)勢，能在完成多元信息傳輸?shù)耐瑫r，建立多點(diǎn)無線信息傳送管理，并保證信號傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性。

在應(yīng)用5G 技術(shù)的過程中，正是基于其較為合理的通信傳輸控制模式，能更好地滿足用戶的個性化需求，提高用戶的使用體驗(yàn)，真正意義上實(shí)現(xiàn)交互式信息管理和傳遞模擬。另外，在5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸?shù)倪^程中，無需依靠單一的物理層，只需打造多天線、多區(qū)域組網(wǎng)的應(yīng)用控制結(jié)構(gòu)，加之其技術(shù)架構(gòu)更加具有創(chuàng)新性，既能實(shí)現(xiàn)靈活性和穩(wěn)定性兼具的應(yīng)用目標(biāo)，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，也為通信項(xiàng)目成本監(jiān)督管理創(chuàng)設(shè)良好的技術(shù)應(yīng)用平臺，維持可控化較好的通信應(yīng)用環(huán)境[1]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

第一，毫米波技術(shù)。能大幅度縮減通信信息傳輸?shù)木嚯x，并且基于技術(shù)應(yīng)用要求能提高覆蓋效果，實(shí)現(xiàn)可控化管理的目標(biāo)。

第二，微基站。相較于4G 技術(shù)，5G 基站應(yīng)用模式能有效降低基站占比，并且減少其功率損耗。

第三，多天線技術(shù)。借助技術(shù)處理方案，就能實(shí)現(xiàn)多根天線同時完成發(fā)送處理的模式，并建立實(shí)時性匹配的接收處理模式。

第四，D2D 技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用控制模式中，數(shù)據(jù)無需通過基站就可以直接傳輸?shù)绞謾C(jī)中，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌控制管理。

第五，波束賦形技術(shù)。依據(jù)5G 通信技術(shù)應(yīng)用要求和信息數(shù)據(jù)處理規(guī)范，在建立初級技術(shù)處理模式的同時，打造全向信號覆蓋應(yīng)用控制機(jī)制。

2 5G 通信技術(shù)在城市軌道交通的應(yīng)用方案

2.1 應(yīng)用方向

2.1.1 自動車輛段控制

自動車輛段主要包括過渡軌列車交接項(xiàng)目、段內(nèi)調(diào)車進(jìn)路控制項(xiàng)目、車組現(xiàn)車和駕駛員管理項(xiàng)目、調(diào)度排班計(jì)劃等，要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求，匹配5G 通信技術(shù)模塊，打造更加規(guī)范的指導(dǎo)方案，并及時收集相關(guān)反饋信息數(shù)據(jù)，以便制定更加科學(xué)合理的調(diào)度決策[2]。

2.1.2 自動機(jī)電設(shè)備控制

5G 通信技術(shù)還被應(yīng)用在設(shè)備實(shí)時性控制管理工作中，配合低時延處理應(yīng)用方案，建立相應(yīng)的控制模塊。同時，針對電梯照明控制、空調(diào)通風(fēng)控制、給排水控制等，打造完整的實(shí)時性控制體系，不僅能保證數(shù)據(jù)匯總和分析的有效性，也能最大程度上維持城市軌道交通細(xì)節(jié)管理水平。

2.1.3 自動列車控制

基于5G 移動通信技術(shù)建立的地面進(jìn)路控制模塊、列車自動駕駛模塊、列車運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃模塊及運(yùn)行速度防護(hù)模塊等，配合先進(jìn)的技術(shù)方案，建立更加及時且科學(xué)的信息交互平臺，不僅能保證指令下達(dá)和執(zhí)行效果的最優(yōu)化，也能維持城市軌道交通運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。

2.1.4 通信系統(tǒng)

利用5G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣播系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)及乘客信息顯示系統(tǒng)的多元管理，配合管控要求完成實(shí)時性數(shù)據(jù)分析和匯總，保證應(yīng)用效能的最優(yōu)化。

2.2 應(yīng)用具體內(nèi)容

2.2.1 綠色通信

第一，將城市整體建設(shè)、發(fā)展環(huán)節(jié)融合在一起，工程形成協(xié)同管理的應(yīng)用體系，有效確保相關(guān)工作的開展和落實(shí)能從城市軌道交通綠色環(huán)保化管理的角度出發(fā)，在控制能源損耗的基礎(chǔ)上，有效維持資源保護(hù)和環(huán)保保護(hù)的平衡。利用5G 移動通信技術(shù)，就能建立覆蓋性較為全面的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模式，提高通信質(zhì)量效果[3]。第二，要從城市長遠(yuǎn)發(fā)展的角度予以評估，保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行靈活性都能在可控范圍內(nèi)，在維持整體運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上，建立滿足資源調(diào)度要求的控制結(jié)構(gòu)。

2.2.2 高效通信

第一，要在設(shè)置具體工作模式前完成基礎(chǔ)調(diào)研分析工作，有效了解單路高清視頻數(shù)據(jù)信息等，并且將其作為后續(xù)開展相應(yīng)作業(yè)的基礎(chǔ)依據(jù)，還要在聯(lián)系實(shí)踐的同時綜合分析承載設(shè)計(jì)內(nèi)容，提高整體應(yīng)用效果[4]。第二，要整合具體的資源結(jié)構(gòu)，保證資源配比和資源應(yīng)用工作都能落實(shí)到位。比如，小區(qū)內(nèi)幾輛車同時行駛，并都在進(jìn)行通信傳輸。若是僅依靠單網(wǎng)承運(yùn)相應(yīng)的操作無法完全滿足對應(yīng)列車的通信傳輸需求，這就使得列車的業(yè)務(wù)拓展受到限制。此時，若利用5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳遞通道的廣覆蓋，就能形成完整的頻譜效率控制模式，從而依據(jù)實(shí)踐應(yīng)用管控提升處理效果。第三，在應(yīng)用5G 技術(shù)的過程中，匹配技術(shù)要點(diǎn)就能更好地滿足頻譜資源管控標(biāo)準(zhǔn)，積極實(shí)現(xiàn)短距離、高速通信的通信目標(biāo)。在經(jīng)過對比和調(diào)查分析后可知，相較于4G 技術(shù)，5G 技術(shù)能更好地承載業(yè)務(wù)工作目標(biāo)，配合多路高清視頻應(yīng)用模式，全面維持新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的創(chuàng)新性，并更好地簡化具體信息傳播路徑，確保軌道交通建設(shè)工作能在規(guī)范應(yīng)用環(huán)境中有序開展[5]。

2.2.3 端對端通信

第一，要從通信應(yīng)用控制的角度出發(fā)，踐行全過程質(zhì)量管理機(jī)制，保證相應(yīng)的管理模塊和應(yīng)用控制手段最優(yōu)化，并且要合理優(yōu)化列車的實(shí)際控制系統(tǒng)，從而維持完整的運(yùn)行應(yīng)用結(jié)構(gòu)。結(jié)合相關(guān)實(shí)踐研究可知，在通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的過程中，要結(jié)合5G 移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和建設(shè)并行的控制模式，從而保證通信網(wǎng)絡(luò)互為冗余處理模塊，以滿足通信應(yīng)用的基本需求。第二，利用5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道交通實(shí)時性管理不僅能提升應(yīng)用效能，還能針對列車線路存在的問題予以可控管理。首先，為了滿足通信需求，在新線路設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中會在目標(biāo)軌道的兩側(cè)設(shè)置對應(yīng)的通信設(shè)施。因此，要想保證設(shè)施安裝的規(guī)范性和科學(xué)性，施工方就要額外支付相應(yīng)的建設(shè)資金，這難免會產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)成本。而若在應(yīng)用5G 通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)時性處理的過程中，配合多元化基站處理，尤其是選用智慧燈桿基站設(shè)定的方式，就能大大減少設(shè)施施工造成的經(jīng)濟(jì)損失。其次，配合城市軌道交通整體布局和規(guī)范要求，在落實(shí)5G 移動通信技術(shù)處理方案的同時，就能順利展開實(shí)時性維護(hù)和監(jiān)督管理工作。第三，合理應(yīng)用5G 通信技術(shù)還能解決實(shí)踐應(yīng)用中存在的矛盾。一方面，在建立端對端通信技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，配合技術(shù)工作要求，就能對目標(biāo)設(shè)備和設(shè)施的互通處理予以控制，確保基站作為信息和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，打造高效、科學(xué)的數(shù)據(jù)應(yīng)用約束平臺，維持控制管理的基本水平[6]。另一方面，一旦軌道兩側(cè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障現(xiàn)象，5G 通信技術(shù)依舊能支持列車與列車間的常規(guī)化通信。列車駕駛?cè)藛T能借助對應(yīng)的感知模塊，著重了解車輛自身、對向車輛的運(yùn)行狀態(tài)和位置信息，從而以此作為后續(xù)決策制定的基本依據(jù)，為列車穩(wěn)定運(yùn)行和安全管理提供保障。

2.2.4 大規(guī)模天線列陣

第一，要系統(tǒng)分析天線空分特征數(shù)據(jù)，建立基于同一時頻狀態(tài)下的優(yōu)質(zhì)服務(wù)模式，維持應(yīng)用控制的規(guī)范性，并在最大程度上提高服務(wù)效率，整合服務(wù)應(yīng)用體系的規(guī)范效果。第二，要對數(shù)據(jù)傳輸有效性和安全性予以監(jiān)督，維持較好的頻譜應(yīng)用效率，在合理應(yīng)用5G 通信技術(shù)推動城市軌道交通發(fā)展進(jìn)程的同時，保證建設(shè)工作都能落實(shí)到位。第三，在列車運(yùn)行環(huán)境中，整合技術(shù)應(yīng)用過程，并在波束賦形處理技術(shù)支持下，依據(jù)波束能建立具有針對性和方向性的傳播管理模式。駕駛?cè)藛T能借助對應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息支持，順利將車輛駕駛到指定地點(diǎn)，配合數(shù)據(jù)跟蹤完成列車軌跡分析的基本任務(wù)，為列車在平穩(wěn)狀態(tài)下行駛提供保障，實(shí)現(xiàn)安全可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)督控制目標(biāo)[7]。

3 案例

以北京城市軌道交通“新機(jī)場線”5G 移動通信技術(shù)應(yīng)用方案為例，對具體的布設(shè)應(yīng)用和控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。依據(jù)北京市關(guān)于5G 產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用發(fā)展重點(diǎn)任務(wù)要求的具體標(biāo)準(zhǔn)，在建設(shè)工作開展過程中要踐行全過程質(zhì)量監(jiān)督控制機(jī)制。

3.1 項(xiàng)目背景

基于北京交通委監(jiān)督管理控制要求和標(biāo)準(zhǔn)，北京軌道交通建設(shè)管理公司聯(lián)合設(shè)計(jì)院、三大運(yùn)營商、主系統(tǒng)廠家等落實(shí)相應(yīng)設(shè)計(jì)工作，參與設(shè)計(jì)項(xiàng)目的具體討論和敲定，踐行質(zhì)量和應(yīng)用效率并行的控制原則，對具體方案的相關(guān)內(nèi)容予以統(tǒng)籌評估。該項(xiàng)目主要涉及軌道交通無線設(shè)備選型工作、撤站無線覆蓋方案、區(qū)間漏纜和軟波導(dǎo)應(yīng)用方案等[8]。

3.2 具體要求

在具體設(shè)計(jì)方案中，北京軌道交通新機(jī)場線設(shè)定在南部三環(huán)以外，主要連接、中心城區(qū)和新機(jī)場。此城市軌道交通的基礎(chǔ)定位是“高速、快捷、直達(dá)”，充分秉持高質(zhì)量應(yīng)用要求，以確保能落實(shí)城市軌道交通管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)情況見表1。

表1 新機(jī)場線具體情況

第一，要在整體線路的不同子車站站點(diǎn)設(shè)置對應(yīng)的5G 移動通信應(yīng)用控制設(shè)備室，并在室內(nèi)由運(yùn)營商增設(shè)機(jī)柜，以便能有效安裝相應(yīng)的BBU 設(shè)備。第二，車站內(nèi)5G 基站集線器在實(shí)際處理環(huán)節(jié)中，要采取墻掛的應(yīng)用模式，并在設(shè)備區(qū)弱電間內(nèi)安裝響應(yīng)設(shè)備，以保證控制模式和處理效果的最優(yōu)化，維持北京新機(jī)場線5G 通信技術(shù)的規(guī)范水平。第三，針對同頻組網(wǎng)和鄰區(qū)實(shí)際用戶50%網(wǎng)絡(luò)資源占比的預(yù)設(shè)分析，確保無線網(wǎng)絡(luò)總體覆蓋率滿足-105dBm 且SINR≥-3dB 的要求，且對應(yīng)的概率要在90%以上。小區(qū)的邊緣吞吐量也要滿足應(yīng)用控制的基礎(chǔ)要求，幀結(jié)構(gòu)采取D80%、U20%的配比模式，小區(qū)邊緣用戶吞吐量能達(dá)到上行5Mbps、下行30Mbps 的要求。

3.3 方案必選

依據(jù)實(shí)際應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，初步提出兩個方案。

方案一，利用與4G 覆蓋模式較為類似的處理機(jī)制，借助分布式宏基站配合漏纜覆蓋處理機(jī)制，有效形成對應(yīng)的覆蓋應(yīng)用體系，且對應(yīng)的RRU 間隔控制在250m。該方案中，漏纜和軟波導(dǎo)管處理是非常關(guān)鍵的內(nèi)容。結(jié)合廠家提供的漏纜傳輸性能可知，要在滿足區(qū)間覆蓋的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)處理，但是相應(yīng)的技術(shù)手段和水平有限。所以，最終確定的是漏纜處理配合隧道覆蓋技術(shù)方案，要在完成吞吐量測試的基礎(chǔ)上評估漏纜的實(shí)際損耗，從而綜合處理相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用流程。

方案二，主要是采取和車站較為類似的皮基站應(yīng)用控制模式。

結(jié)合民用通信基礎(chǔ)設(shè)備供電量僅僅滿足傳統(tǒng)無線覆蓋使用的情況，若是增設(shè)5G 無線通信技術(shù)體系，全線車站和區(qū)間供電節(jié)點(diǎn)供電增容需求也會隨之增多。所以，在綜合評估相應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益和供電需求后選取方案一。

3.4 應(yīng)用擴(kuò)展

第一，要積極維護(hù)維修圖像實(shí)時性回傳環(huán)節(jié)，確保信息數(shù)據(jù)能在5G 移動通信技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌管理，在完成信息數(shù)據(jù)收集匯總工作后，就能建構(gòu)完整的應(yīng)用統(tǒng)籌管理模式，保證信息共享體系下相關(guān)內(nèi)容都能落實(shí)到位[9]。

第二，利用小型探傷設(shè)備、檢測設(shè)備、軌檢車、沉降檢測設(shè)備等進(jìn)行集中的城市軌道交通常規(guī)化檢查，并聯(lián)動5G 通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的富集和整理，及時完成數(shù)據(jù)的實(shí)時性傳輸和控制，以保證城市軌道交通管理部門能結(jié)合數(shù)據(jù)情況落實(shí)相應(yīng)工作，及時解決存在的隱患問題，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通可持續(xù)健康發(fā)展的目標(biāo)。

第三，匹配5G 通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)時性視頻對講和遠(yuǎn)程專家評估等技術(shù)，了解故障問題的發(fā)生情況和原因，以便能及時開展相應(yīng)的控制工作，從而減少故障處理時間，維持應(yīng)用管控的整體水平。

第四，要配合區(qū)間巡邏、巡檢機(jī)器人等進(jìn)行視頻信息、數(shù)據(jù)信息的回傳，充分滿足智能運(yùn)維的管理需求，保證城市軌道交通管理能在5G 技術(shù)支持下全面優(yōu)化，維持統(tǒng)籌控制工作的規(guī)范性。

3.5 展望

隨著5G 通信技術(shù)的不斷升級和優(yōu)化，5G 技術(shù)融合在城市軌道交通的形式和應(yīng)用效果也將向著更加多元的方向發(fā)展。第一，5G 通信技術(shù)將推動萬物互聯(lián)的推廣，配合城市軌道交通的應(yīng)用要求和標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)無感知過閘、安檢、智能導(dǎo)乘、智能運(yùn)維等工作，從而形成更加科學(xué)、合理的技術(shù)應(yīng)用控制平臺。第二，強(qiáng)化帶寬應(yīng)用效能，打造低時延、超可靠的信息交互管理模式。尤其是城市軌道交通高清視頻的處理工作，實(shí)現(xiàn)多元信息管理，維持視頻等基礎(chǔ)信息交互效率的最優(yōu)化。

4 結(jié)語

總而言之，在城市軌道交通應(yīng)用管理控制工作中，融合5G 通信技術(shù)能在提升管理水平的同時，為交通安全性、穩(wěn)定性的優(yōu)化予以支持，建立信息交互及時、數(shù)據(jù)分析到位、故障評估準(zhǔn)確的管控體系，為城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。