5G移動(dòng)通信技術(shù)在城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

徐州地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 劉曉舟

近年來(lái)，隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，5G移動(dòng)通信技術(shù)已逐步擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域。作為交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方面，城市軌道交通必須得到有效的管理，借助5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)其發(fā)展，借助5G通信技術(shù)，可以加快城市軌道交通系統(tǒng)的不斷完善和建設(shè)，提高通信效率，保證正常運(yùn)營(yíng)。然而，目前5G技術(shù)的應(yīng)用只是其中的一部分，其優(yōu)勢(shì)有待深入研究和完善。根據(jù)研究結(jié)論，5G技術(shù)被應(yīng)用于軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)中解決了使用WLAN的車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)容易受到外部因素的干擾，在高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生丟失包。5G技術(shù)應(yīng)用于軌道交通為道路探索提供了理論基礎(chǔ)。

城市軌道交通系統(tǒng)過(guò)去主要采用4G通信技術(shù)，但隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)和普及已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。5G移動(dòng)通信技術(shù)本身所具有的優(yōu)勢(shì)使得其與其他技術(shù)互相結(jié)合，提高相關(guān)技術(shù)的可行性與優(yōu)勢(shì)。隨著軌道交通建設(shè)規(guī)模和承載力的不斷擴(kuò)大，對(duì)車(chē)地通信系統(tǒng)需求也在不斷增加。車(chē)地通信系統(tǒng)在5G移動(dòng)通信技術(shù)的加持下，將過(guò)去的一些問(wèn)題進(jìn)行完善，充分提高了車(chē)地通信系統(tǒng)的高效性與安全性，使日常服務(wù)更加流暢。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)概述

5G移動(dòng)通信技術(shù)正逐步推廣開(kāi)來(lái)，優(yōu)點(diǎn)可佳，用處廣泛，是新一代通信技術(shù)。5G移動(dòng)通信技術(shù)的頻譜利用率和能源效率將大大提高，從而有效提高傳輸速率和資源利用率。此外，5G還將提高其傳輸時(shí)延、可靠性、安全性和覆蓋率等性能，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。5G技術(shù)與其他技術(shù)相互疊加，不僅發(fā)揮出自身的優(yōu)勢(shì)作用，還會(huì)使其他技術(shù)更好地滿(mǎn)足相應(yīng)的要求，更好地實(shí)現(xiàn)其工作性能。目前，5G移動(dòng)通信技術(shù)正與城市軌道交通相結(jié)合，優(yōu)化城市軌道交通服務(wù)性能。5G技術(shù)在具體應(yīng)用過(guò)程中比4G技術(shù)有更好的技術(shù)能力，可以集成和轉(zhuǎn)換多種技術(shù)。此外，如果兩個(gè)相對(duì)較近的用戶(hù)可以通過(guò)D2D通信功能降低能耗。5G通信技術(shù)也在向穩(wěn)定化方向發(fā)展，這些通信技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，可以有效地保證城市軌道交通技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

5G移動(dòng)通信技術(shù)雖然優(yōu)點(diǎn)顯著，成果喜人，但是一項(xiàng)尚未大規(guī)模應(yīng)用的前沿技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步研究：（1）在5G技術(shù)應(yīng)用過(guò)程之中，大型天線將導(dǎo)致大量設(shè)備投資，這需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇價(jià)格低但是質(zhì)量效果顯著的設(shè)備，然而選擇性?xún)r(jià)比高的設(shè)備需要嚴(yán)格把控質(zhì)量；（2）5G移動(dòng)通信技術(shù)下對(duì)于信息的防護(hù)將面臨重大的問(wèn)題。5G移動(dòng)通信技術(shù)下，信息不僅傳遞速度快，而且信息傳遞的準(zhǔn)確率也大幅提升，這將會(huì)使信息泄露問(wèn)題更為顯著[1]。

城市軌道交通由于其載客量大，需要對(duì)其安全性格外重視，針對(duì)乘客狀態(tài)、列車(chē)運(yùn)行情況等進(jìn)行有效監(jiān)控，保證車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的有效發(fā)揮。在5G移動(dòng)通信技術(shù)下，車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的各個(gè)方面性能得到不同程度的優(yōu)化與提升。5G技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通并非完全代替4G、3G、2G等技術(shù)，而且?guī)追N技術(shù)共同結(jié)合使用。其中，許多技術(shù)升級(jí)為5G保證不同類(lèi)型用戶(hù)共同存在，之后再像全面5G技術(shù)過(guò)渡。

2 5G移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 高傳輸速率

移動(dòng)通信經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從接打電話和短信發(fā)展到接收?qǐng)D片，再到視頻通話。5G移動(dòng)通信技術(shù)的出現(xiàn)，使得下載質(zhì)量與下載速度提高甚多，這對(duì)5G移動(dòng)通信技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合提供了有效的思路。將5G技術(shù)應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域也初現(xiàn)端倪，特別是對(duì)于一些高延遲問(wèn)題將得到有效地解決。擴(kuò)大5G技術(shù)的應(yīng)用范圍，通過(guò)5G技術(shù)高傳輸速率的特點(diǎn)，極大的滿(mǎn)足人們的通信需求。

2.2 利用率高

5G技術(shù)可以有效地整合和創(chuàng)新各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)的各種技術(shù)。例如將5G移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通，不僅可以使其更加便捷高效，而且有助于提高其安全性，這使得各種設(shè)備之間的傳輸速度更快。5G移動(dòng)通信技術(shù)與各種技術(shù)相疊加，滿(mǎn)足了各行各業(yè)應(yīng)用對(duì)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘枨螅岣吡藗鬏斝?，為各行各業(yè)注入了新的活力，推動(dòng)中國(guó)通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展[2]。

2.3 虛擬化功能突出

5G技術(shù)擁有強(qiáng)大的虛擬功能，將對(duì)虛擬化場(chǎng)景的應(yīng)用提供最有效的支持。基于5G技術(shù)的VR功能更好的滿(mǎn)足人們身臨其境的感覺(jué)，無(wú)論是在VR游戲、VR觀影還是VR仿真中，都將提供最契合人們視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)的場(chǎng)景。主要使用計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境，給人一種真實(shí)的感覺(jué)，就像置身其中一樣，讓人們沉浸在虛擬世界中。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)熱門(mén)話題，又稱(chēng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。可以看到各種百貨公司都有體驗(yàn)廳，可以選擇各種場(chǎng)景，戴上虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡和設(shè)備，感受真實(shí)的虛擬世界，實(shí)現(xiàn)了虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的各種轉(zhuǎn)換。

2.4 云服務(wù)效果顯著

疫情防控期間遠(yuǎn)程辦公的普及將繼續(xù)加速云應(yīng)用程序的部署。在5G移動(dòng)通信技術(shù)下，將部署更多云端服務(wù)以適應(yīng)新的日常業(yè)務(wù)，提供更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量以促進(jìn)在線業(yè)務(wù)的持續(xù)增長(zhǎng)，以及提供更強(qiáng)大的云端系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)未來(lái)的醫(yī)療危機(jī)。5G技術(shù)推動(dòng)了靈活的云端基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、多云解決方案和萬(wàn)物互連的需求。以數(shù)據(jù)為中心的云服務(wù)的發(fā)展將為內(nèi)存和存儲(chǔ)帶來(lái)巨大的提升，使得數(shù)據(jù)的保存與管理更加完善、高效與安全。

3 車(chē)載綜合監(jiān)控系統(tǒng)

在城市軌道交通系統(tǒng)中，車(chē)輛監(jiān)控視頻對(duì)司機(jī)室和列車(chē)內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)控。目前，這些存儲(chǔ)在車(chē)載服務(wù)器上的日志文件是在列車(chē)運(yùn)行結(jié)束后由運(yùn)營(yíng)商人工保存的，運(yùn)行效率低，安全性差。為了適應(yīng)車(chē)載PIS高清視頻和車(chē)載視頻的發(fā)展，以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有WLAN帶寬要求的城市軌道交通自動(dòng)日志恢復(fù)，LTE網(wǎng)絡(luò)的承載能力和動(dòng)態(tài)運(yùn)營(yíng)模式要求實(shí)現(xiàn)車(chē)載視頻和車(chē)載日常視頻自動(dòng)實(shí)時(shí)回傳，可以滿(mǎn)足視頻等大數(shù)據(jù)量信息傳輸業(yè)務(wù)的帶寬和速度要求。

4 車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)

4.1 LET技術(shù)

基站和移動(dòng)臺(tái)必須在一定時(shí)期內(nèi)保持一致，才能順利開(kāi)展工作。可以根據(jù)上下行數(shù)據(jù)的大小動(dòng)態(tài)分配上下行數(shù)據(jù)，從而在不同時(shí)發(fā)送的情況下提高信道利用率。LET技術(shù)可以提高信號(hào)的通信能力，增強(qiáng)信息傳遞的效率與穩(wěn)定性。LET技術(shù)在軌道交通車(chē)地?zé)o線通信干擾問(wèn)題中得到充分的發(fā)揮。將傳統(tǒng)技術(shù)中容量小、傳輸距離長(zhǎng)、頻帶寬的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化處理。LET技術(shù)是采用的分組傳輸，其優(yōu)勢(shì)在于覆蓋范圍相對(duì)較廣，傳輸速率也趨于提高。在抗干擾方面，由于其結(jié)構(gòu)比較完善，技術(shù)完成升級(jí)，所以抗干擾能力強(qiáng)。在軌道交通高速運(yùn)行下，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速處理與傳輸，并且延時(shí)短暫。LET技術(shù)中的時(shí)分雙區(qū)系統(tǒng)是一種時(shí)間分離的信息信道。在高速運(yùn)行過(guò)程中，列車(chē)需要不斷地選擇和關(guān)聯(lián)區(qū)間內(nèi)的新AP。然而，列車(chē)的高速運(yùn)行往往會(huì)導(dǎo)致信號(hào)連接的嚴(yán)重延遲。

LET技術(shù)的維護(hù)也做到了精簡(jiǎn)方便，基站和核心網(wǎng)組成的LET系統(tǒng)在維護(hù)時(shí)比較容易，相對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)而言，省時(shí)省力。LET系統(tǒng)還具有高效的QOS保障機(jī)制，在延時(shí)方面，傳輸速率方面以及數(shù)據(jù)丟包方面都可以通過(guò)QOS保障機(jī)制進(jìn)行嚴(yán)格保證。

4.2 WLAN技術(shù)

傳統(tǒng)的車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)主要采用WLAN技術(shù)（無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)），此技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的優(yōu)化提升，已經(jīng)趨于成熟，然而隨著時(shí)間的推移以及新技術(shù)的出現(xiàn)，WLAN技術(shù)也將面臨著考驗(yàn)。尤其是隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的出現(xiàn)，WLAN技術(shù)的不足也初現(xiàn)端倪。在城市軌道交通中采用WLAN技術(shù)基本能滿(mǎn)足多項(xiàng)需求，其中IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，帶寬普遍為10Mb/a，傳輸性能良好。但是在軌道交通發(fā)展過(guò)程中，增加了許多業(yè)務(wù)需要更加完善高效的技術(shù)，此時(shí)WLAN技術(shù)略顯疲沓，不能很好的滿(mǎn)足于各種需求。帶寬受限、覆蓋率低、干擾強(qiáng)等問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)地?zé)o線通信受阻而產(chǎn)生斷開(kāi)的情況，對(duì)交通安全產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

5 5G移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用于車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)

城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)主要解決高速移動(dòng)和大容量傳輸需求的問(wèn)題。綜合考慮車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)對(duì)傳輸帶寬、安全性、可靠性的要求。特別是在高速線路上，由于列車(chē)運(yùn)行速度快，應(yīng)充分考慮多普勒頻率的影響。LTE、WLAN和5G技術(shù)可以滿(mǎn)足高速移動(dòng)轉(zhuǎn)換。從項(xiàng)目實(shí)施的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)每條線路的頻率規(guī)劃，選擇適合每條線路的軌道交通無(wú)線方案。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，5G作為技術(shù)發(fā)展方向，可以為軌道交通寬帶通信系統(tǒng)提供可靠保障。該系統(tǒng)可以提供大容量的帶寬，為智能軌道交通的建設(shè)提供基本的傳輸通道，為后續(xù)的智能化提供基礎(chǔ)[3]。

5.1 采用5G的LET技術(shù)

與城市軌道4G純網(wǎng)絡(luò)的LET系統(tǒng)相比，5G城市軌道網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)尤為顯著。（1）更高的速度可以滿(mǎn)足相應(yīng)需求。無(wú)人駕駛線路需要更高的速率，但是4G系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足其需要。而且在視頻監(jiān)控、維護(hù)業(yè)務(wù)等方面，無(wú)法完成列車(chē)運(yùn)營(yíng)相關(guān)業(yè)務(wù)的需求。5G技術(shù)具有更高的傳輸速率，更好地滿(mǎn)足相關(guān)需求。（2）5G技術(shù)使得列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)具有較低的延時(shí)。5G的低時(shí)延特性滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的要求。（3）互連特性有助于業(yè)務(wù)的擴(kuò)展。5G的互連特性決定了城市軌道的互連特性。它可以用于實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低傳感器和處理器成本，適用于智能操作。（4）還可以用于建設(shè)有5G定位人員和設(shè)備的智能建筑工地。5G通信的低延遲可以真實(shí)再現(xiàn)數(shù)字鏡像或模擬實(shí)際操作系統(tǒng)的各種場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)故障診斷和預(yù)測(cè)，保證城市軌道交通運(yùn)行的效率和可靠性。

5.2 MIMO增強(qiáng)技術(shù)

MIMO技術(shù)可以數(shù)倍提高傳輸效率，并且?guī)挷挥迷黾?。MIMO技術(shù)相當(dāng)于擁有多個(gè)獨(dú)立的信息通道連接著接收端和發(fā)送端，使信號(hào)的吞吐量大為增加。采用MIMO技術(shù)的AP與客戶(hù)端的傳輸速率基本可以達(dá)到100Mbit/s，相比于不采用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，提高一倍左右。MIMO技術(shù)擁有多種模式，相應(yīng)的功能也各不相同。波束賦形對(duì)提高傳輸速率，增強(qiáng)系統(tǒng)的有效性大有裨益；發(fā)送分集可以增強(qiáng)系統(tǒng)有效性，但對(duì)傳輸速率沒(méi)有明顯提升。波束賦形可以理解為賦予一定形狀的電磁波，并且進(jìn)行集中傳播。

目前，在5G移動(dòng)通信技術(shù)加持下，集中式大規(guī)模MIMO技術(shù)廣泛應(yīng)用于基站中，增加了基站密度，可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量。基于5G技術(shù)的車(chē)載無(wú)線系統(tǒng)采用小基站+大天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)站無(wú)線接入，AP切換和通信中斷基本不會(huì)發(fā)生。一個(gè)站點(diǎn)可以配置數(shù)百個(gè)天線，極大地提高了頻譜效率，提供了更全面的站點(diǎn)覆蓋，極大地減少了干擾，極大地改善了站點(diǎn)。在運(yùn)行期間，它可以無(wú)縫連接到5G站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。列車(chē)離開(kāi)5G網(wǎng)絡(luò)后，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸將在該范圍內(nèi)自動(dòng)停止。

5.3 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV技術(shù)

NFV技術(shù)將特定的網(wǎng)絡(luò)功能與昂貴的專(zhuān)用硬件平臺(tái)解耦，以軟件模塊的形式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，并在虛擬機(jī)上封裝和運(yùn)行。然后使用基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的商用服務(wù)器平臺(tái)加載這些虛擬機(jī)。最后，軟件處理網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，硬件傳輸?shù)讓訑?shù)據(jù)。

6 MEC技術(shù)的業(yè)務(wù)連接和存儲(chǔ)下降到車(chē)站層面

移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）技術(shù)是提高5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的重要手段。將數(shù)據(jù)移至邊緣點(diǎn)，并初步過(guò)濾一些業(yè)務(wù)處理數(shù)據(jù)。MEC定義為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的信息技術(shù)提供服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以更接近用戶(hù)的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，減少用戶(hù)的感知延遲，顯著控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，并引入更多業(yè)務(wù)應(yīng)用。

目前，城市軌道交通PIS車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的常見(jiàn)故障是車(chē)輛監(jiān)控圖像無(wú)法實(shí)時(shí)上傳到控制中心調(diào)度員，調(diào)度程序無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載CCTV監(jiān)控。導(dǎo)致此故障的主要原因是WLAN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度慢，需要將視頻圖像上傳到控制中心。在連接和上傳過(guò)程中容易發(fā)生信息重傳和信息丟失，控制中心的服務(wù)器處理能力也有限。這兩種疊加會(huì)導(dǎo)致通信中斷和故障。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是對(duì)癥下藥。首先，通過(guò)提高接入層的連接效率，并在車(chē)站層面通過(guò)Massive MIMO天線技術(shù)部署數(shù)百個(gè)天線，可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。此外，在每個(gè)站點(diǎn)部署一臺(tái)邊緣計(jì)算服務(wù)器，并將原控制中心解決的視頻傳輸和存儲(chǔ)沉入接入層，可以有效解決這一問(wèn)題。

7 結(jié)語(yǔ)

總之，作為5G技術(shù)的角色，軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的發(fā)展更加趨于安全便利，在5G移動(dòng)通信技術(shù)的顯著特點(diǎn)下，提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。5G移動(dòng)通信技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)，極大的滿(mǎn)足了各種需求。

引用

[1] 張雷.LTE技術(shù)在城市軌道交通車(chē)地通信中的應(yīng)用[J].建材與裝飾,2019(17):283-284.

[2] 高翔.5G移動(dòng)通信技術(shù)在城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2018,21(S2):61-64.

[3] 凌力.5G與物聯(lián)網(wǎng)融合在城市軌道交通運(yùn)維中的探究[J].鐵道建筑技術(shù),2018(6):18-22.