5G通信系統在城市軌道交通車車通信中的應用探究

劉薦僑

（北京城市快軌建設管理有限公司，北京，100071）

0 引言

5G時代已經到來，將其推廣到各領域、各行業的應用已是必然，為了滿足城市人群生活需要而愈發發達和復雜的城市軌道交通系統也向著穩定、高效、安全的方向在前進，在整個系統的建設中，通信系統負責著傳輸各類信息的任務，這就對通信技術提出了更高的要求，而逐漸成熟的5G技術恰好可以為新時代的軌道交通通信技術提供技術方面的支持。

1 軌道交通車車通信技術概述

對于許多在樓宇間或者是地下穿行的城市軌道交通方式來說，適用于鐵路系統的衛星通信方式并不適用，這是受客觀因素所制約的，當列車在地下或樓宇間運行時所能接收到的信號往往無法保障穩定性和實時性，在某些時刻和地段列車甚至無法接收到連續的信號。正因如此，城市軌道交通系統中應用的無線通信技術從最早的WLAN技術發展到3G、4G通信技術再到現在逐漸成熟的5G通信技術，可以說，無線通信技術的手段為了更好地滿足城市軌道交通系統建設的需要，一直保持著與時俱進的步伐，不斷地吸收經驗并結合新興科技手段來進行改革和發展。目前我國的城市軌道交通系統已全面覆蓋4G通信技術，研究表明，隨著5G技術的發展和普及，在未來一段時間內5G通信技術將被運用到城市軌道交通系統中去。

城市軌道交通系統中通信模塊是可以有效承載系統運行時所產生的音頻、視頻、各項技術參數和人流量數據等信息的綜合性模塊，城市軌道交通系統中的通信按照不同的標準可以劃分為多種通信。

城市軌道交通系統中的通信模塊可以劃分為以下幾個部分：（1）信號傳輸系統；（2）公用通話系統；（3）專用通話系統；（4）無線集群通信傳輸系統；（5）監控系統有線廣播系統；（6）時間系統；（7）乘客導覽系統；（8）通電系統接地系統及網絡管理系統等。

近些年來隨著無線通信系統的快速發展，許多技術學者和專家提出了可用于車-車通信的新型CBCT通信系統，相較于以往的系統來講，車-車直接通信可以在很大程度上減少軌道旁子系統的數量，降低系統接口數量，從而使得系統的復雜度大幅降低。同時，該構想也對列車提出了一些新的要求：列車需要在行駛過程中將車輛信息通過車上裝載的網絡傳輸模塊實時地傳遞到同一通信系統中的其他車輛，與此同時，其他車輛也可以在運行的過程中實時地利用車載網絡接受設備來從系統中獲取這些信息，并利用這些信息經過車上搭載的計算系統來對自身的行駛速度進行計算和處理，經過這個環節達到移動閉塞的效果，從而實現及時獲取列車信息、自動調整列車間距的功能，車-車通信的通信簡圖如圖1所示。該通信系統方案可以有效減少車-車之間信息傳輸的環節，縮短傳輸距離，同時也讓城市軌道交通系統的通信技術面臨了更大的挑戰。

圖1 車-車通信簡圖

2 5G通信與4G通信技術參數對比

目前4G通信技術較為成熟，在交通軌道通信方面有著非常好的應用效果，但仍有不足之處，新興5G技術可以有效提高網絡通信能力。5G通信技術與4G通信技術在網絡速率、帶寬以及可靠性、延時程度等方面的對比信息如表1所示。

表1 5G技術與4G技術參數對比

從表中可以得知相較于以往的4G技術而言，當前更為先進并趨于成熟的的5G技術具有以下幾點優勢：

第一，網絡速度快。5G網絡狀態下的信息傳輸速率是4G技術的百倍，并且高于4G四倍的超大的帶寬也為高速率傳輸提供了更加穩定的基礎保障。

第二，網絡延時低。5G網絡技術將時間延遲壓縮至1毫秒以內，很大程度上提高了設備聯網的速度，給用戶帶來了更好的體驗感受。

第三，容量更大。由于城市的快速發展，城市人口密度逐年增大，在此種人口密度的城市軌道交通網絡中，5G網絡技術可以提供10倍于4G網絡的連接數量，連接數量的大幅增加可以有效提高設備的通信服務質量，為更多的人提供更好的服務及感受。

第四，資源利用率提高。5G通信技術應用的全雙工方式可以及時根據業務變化對資源分配進行規劃和調整，有效提高了的系統資源的利用率，減少資源閑置和不必要的損耗。

第五，抗干擾性強。5G網絡提高了信號的強度，有效減少了用戶間的干擾，在提升系統容量的同時保證了頻譜效率。

由上述分析可以得知，5G網絡全方位提升了網絡通信能力，在實際應用中可以發揮很好的作用。

3 5G通信系統在軌道交通車車通信中的應用

3.1 城市軌道交通系統中的5G網絡架構

目前城市軌道交通主要由控制中心、車輛段、停車場等關鍵節點組成，從實際應用場景出發，對城市軌道交通5G網絡架構進行設計，其架構圖如圖2所示：

圖2 5G網絡架構圖

在城市軌道交通系統的控制中心來部署服務器和核心網絡設備，在車站和停車場等環節部署附屬應用服務器和附屬網絡設備以及無線反饋設備等，在列車上配備5G信號接入設備，至此，一套完整的覆蓋城市軌道交通系統各個環節的5G網絡就搭建完成，為城市軌道交通系統的各種業務提供技術支持。

3.2 關鍵問題

將5G網絡技術應用到城市軌道交通系統中需要重點研究以下幾個方面：

（1）頻帶資源

頻帶資源問題始終是城市軌道交通重點關注的部分。4G時代已有明文規定城市軌道交通系統可以使用的頻段在1785-1805MHz之間，利用該頻段來進行系統建設，但在實際應用中，各地區都需要根據當地的實際狀況來對城市軌道交通的建設可分配頻段進行適當的調整，大多數地區無法將20MHz的帶寬全部分配給城市軌道交通系統，導致傳輸性能大大降低。因此，雖然國家出臺了明確規定，為5G網絡分配的頻段更廣，但在后續的工作過程中需要持續關注實際可以為城市軌道交通系統分配使用的頻段在什么樣的范圍內。

（2）信號覆蓋

經過分析，5G網絡通信技術在城市軌道交通系統的實際應用場景中主要是通過天線和同軸電纜相結合的方式來進行信號覆蓋，在各個環節利用天線的形式進行信號覆蓋的計算模型可以參考下面這個公式，其中L是自由空間損耗度（dB），F是頻率（MHz），D是距離（km）：

L=32.4+20lg(F)+20lg(D)

在隧道中利用同軸電纜的形式進行信號覆蓋，在設計過程中需要對傳輸和耦合造成的損耗、車體對信號的屏蔽等諸多因素進行綜合性的考慮，針對于高頻段信號進行傳輸的同軸電纜仍處于研發階段，后續需要對產品的動態進行跟蹤，以便及時調整設計方案。

（3）區間信號切換

受以下兩個因素的影響：第一，列車以較快的運行速度通過隧道；第二，5G無線信號覆蓋距離較短。導致在進行5G通信系統的方案設計時必須著重考慮區間信號切換的問題，需要對列車行駛速度以及信號切換耗時進行綜合性考慮，盡可能地實現信號快速平滑切換，降低信號傳輸地延時和不連貫。

（4）應用開發

相較于4G時代，5G技術的無線傳輸速率有著明顯的提升，開發適用于5G網絡的應用可以使5G技術的優勢得到充分地應用。目前，城市軌道交通系統中的各類應用都是以當前網絡技術為基礎研發的，數據存儲方案、音視頻數據質量等都有可拓展的空間。

在5G網絡通信技術中云計算、大數據等技術的應用可以為城市軌道交通系統提供堅實而穩定的技術支持，對5G通信技術的合理運用，可以豐富系統功能、提升系統運行效率、讓系統更加智能化。

4 5G通信系統應用于車車通信的可行性

5G通信技術中的超密集型異構網絡結構可以完成數據量大、延時低、可靠性高的信息傳輸任務，與此同時，還可以為列車提供連續、安全的網絡連接，再結合D2D的通信模式實現數據在車-車之間的直接傳輸，使得車-車通信成為可能，相較以往的車-地通信，很大程度上降低了通信成本，提高了通信效率。

為了使車-車直接通信成為現實，首先需要為通信系統提供足夠的頻段，來保證5G信號的傳輸；其次以采用數據加密等方式提高D2D的通信安全性；第三，5G技術需要與當今的4G系統進行銜接，避免在出現突發狀況時系統崩潰，可以根據監控結果來設計一個用于5G網絡出現問題時進行網絡切換的系統，來保障系統的穩定運行。

5 結論

作為保障城市軌道交通系統正常運轉的重要組成部分之一，無線通信系統的穩定是城市軌道交通系統中各部門、各功能正常工作最重要的技術基礎。在很長一段時間內，受通信技術方面諸多客觀因素的限制，使得在設計城市軌道交通系統中無線通信部分的過程中沒有一個足夠強大、穩定的技術支撐作為后盾，使得方案設計無法更好地滿足實際需要。

5G技術的出現使得上述問題有望得到解決，5G通信技術有著帶寬大、延時低等優勢，并且在高速移動的情況下仍然有著極好的傳輸效果，這些特點使得各地區、各領域都對5G通信技術給予了很大的關注。隨著5G通信技術的成熟，將其應用到城市軌道交通系統的建設中是必然趨勢，可以有效解決當前城市軌道交通系統受通信技術限制所面臨的問題，相信在不久的未來，可以看到5G通信技術在城市軌道交通領域的應用成果，創造出一個更加舒適、便捷、快速、高效的城市軌道交通出行環境。