5G通信技術在城市軌道交通的應用分析與研究

吳 洋 陳冠華

中興系統技術有限公司 廣東 深圳 518000

5G通信技術全稱是第5代移動通信技術，5G通信技術是在4G通信技術基礎上得到進一步發展的移動通信技術，相較于傳統使用的4G通信技術，5G通信技術的傳輸速度更快、傳輸數據更多、更穩定，能夠有效的提高我國城市軌道交通中應用信息傳輸的質量和效率。還有就是在我國互聯網技術和人工智能技術發展的背景下，應用5G通信技術能夠有效的保證城市軌道交通中利用各種先進的智能化設備，通過這種方式來滿足不同居民的不同需求。因此將5G通信技術應用在城市軌道交通中既能夠提高城市軌道交通運行的質量和效率，同時還能夠幫助城市軌道交通企業實現良好的經濟效益目標和社會效益目標。

1 5G通信技術在城市軌道交通中的應用優勢

目前5G通信技術在城市軌道交通中的應用能夠有效的提高信息的傳輸，傳輸速率，同時信息在傳輸過程中具備良好的延時性和可靠性。城市軌道交通目前所使用的系統頻段為1785～1805MHz。但是因為受到不同頻率資源的使用限制，所以城市軌道交通批準使用的帶寬為10M。這種通訊方式比較煩瑣、結構復雜，能夠接受的數據傳輸量以及傳輸速度都不能滿足現階段我國城市居民對網絡的相關要求。尤其是在我國開展智慧列車建設工作之后，越來越多的數據需要更好的網絡才能夠保證其發揮積極的作用，提高列車運行的質量和水平[1]。根據城市軌道交通運營技術規范的相關規定，在自動運行等級不同的情況下，綜合乘載列車運行不同業務數據信息傳輸速率的要求也是不同的，具體如表1所示。這就導致使用傳統網絡技術來對城市軌道交通中的通信進行保障出現了一定的阻礙，例如對于最小的業務單位而言5M寬的通訊速率無法滿足綜合列車運行的數據傳輸數據收集以及數據分析等要求。而在單業務列車進行多業務開發的過程中，這種傳統的網絡數據傳輸方式也無法滿足信息的積極使用，一方面阻礙了現有城市軌道交通的發展和進步，另一方面也會增加網絡后期維護和修理的難度。將5G通信技術應用在城市軌道交通中能夠有效的提高現有網絡帶寬、數據傳輸量和數據收集速率，能夠滿足單業務列車開發多業務的要求，同時還能夠降低網絡組網的成本，降低系統復雜程度，為后期的維護奠定良好的基礎。將傳統的4G技術應用在城市軌道交通中能夠明顯發現平均信息傳輸時延為15.6ms，根據列車追蹤間隔和最佳速度值判斷列車最終間隔為33.06s和37.28s，這種通訊效率明顯不能夠滿足城市軌道交通列車運行的相關要求。而通過5G技術的使用能夠將上述時延降低在1ms以內，縮短運行間隔，對提高列車信息傳輸系統運行的安全性和可靠性能夠起到積極作用。

表1 綜合承載列車運行不同業務數據傳輸速率要求 單位：Mbit/s

2 城市軌道交通網絡現狀

2.1 車載通信受限

車載視頻的主要作用就是能夠為城市軌道交通指揮機構提供列車在運行過程中出現的各種信息和數據，從而為軌道列車良好的運行提供一定的輔助[2]。但是在現有交通網絡的背景下，網絡不能夠實現數據的良好傳輸，還有可能會導致車載實時圖像在列車運行過程中發生停滯、連接不暢、車廂視頻只能查看部分線路的情況，視頻不能夠及時的回傳，只能夠通過人工拷貝的方式進行傳遞，這種傳遞方式阻礙了信息回傳的速度，對實時控制城市軌道交通良好運行造成了一定的阻礙。

2.2 應急通信難度大

在城市軌道交通運行過程中出現緊急情況時，需要工作人員結合現場情況來進行人員和設備的調配。因此需要安裝一定的無線攝像頭來提高工作的質量和效率，通過臨時影音傳輸設備和站外的安保人員進行通信和聯系，對指揮列車運行調度工作的開展提供良好的幫助。但是現有的城市軌道交通網絡使用的帶寬只有10M，數據傳輸速度較慢，尤其是在網絡運行的過程中還有可能會出現結構復雜導致的信息傳輸中斷等問題。這種問題的出現不能充分滿足多端視頻回傳的實際需要，一旦出現突發情況，能夠使用的調度手段和保護手段十分有限，部分地區只能夠通過對講機來進行站外和站內的聯系，這樣既會增加城市軌道交通運行的風險，同時還有可能會出現多條線路不能實現互通的問題，影響了城市軌道交通的安全、高質量運行。

2.3 智慧列車狀態監測需求較大

在我國人工智能技術發展的背景下，列車智能化的水平能夠有效的提高城市軌道交通的運行質量和效率。但是在現有網絡條件下雖然列車的智能化水平在不斷提高，但是不能夠實現列車智能化信息數據的實時傳遞，還有就是列車智能化水平的提高導致傳輸的數據明顯增加，數據量的增加在有限的網絡條件下會給網絡的使用造成一定的風險，比如在運行監測系統的過程中，需要安裝一定數量的傳感器來保證駕駛人員對列車運行狀態進行了解，但是隨著智能化水平的提高傳感器的數量增加，傳輸的數據量也在增加，這就導致原有的網絡系統不能承載過多數據量的傳輸，進而會出現數據傳輸中斷或列車智能狀態不能被調度中心所了解等問題，對于臨時調度工作和突發事件緊急處理工作的落實造成不良影響。因此智慧列車狀態監測需求的增大也要求現有的城市軌道交通調度中心使用5G通信技術，通過這種方式來保證列車智能設備的良好落實和應用，推動城市軌道交通更好的發展和進步。

3 5G通信技術在城市軌道交通中的應用措施

3.1 強化通信系統穩定性

由于城市軌道交通中列車運行的速度極快，所以使用傳統的衛星通訊技術可能會導致信息在傳輸過程中出現不穩定或者信息遺漏等問題，因此技術人員應該將5G通信技術中的無線通信技術和城市軌道原有交通通信系統進行結合，通過這種方式構建專有列車無線通信系統，進而實現提高通訊質量和通信穩定性的目標[3]。將5G通信技術中的無線通信技術應用在城市軌道交通中既能夠滿足全部業務的通信要求，同時還能夠提高通信網絡頻譜效率，提高信息數據上傳速率，進而滿足多項業務同時開展的通信訴求。因此技術人員應該結合列車實際業務的開展情況在列車內部以及站臺內部布置良好的無線路由接收點，通過無線路由來將數據及時傳遞給調度中心，有效的保證調度中心對列車的調度和控制效果。

3.2 提高對列車的監控質量

為了保證列車運行的安全和可靠，往往會通過監控技術來對列車運行的質量進行監控，通過這種方式來保證列車能夠實現平穩運行的目標。技術人員能夠將5G通信技術應用在傳統的列車監控系統中，這樣一方面能夠提高監控信息回傳的質量和速率，另一方面能夠降低監控設備在運行過程中出現問題的概率。例如技術人員能夠在列車運行的監控系統中加入人工智能控制系統以及感應器和無線通信協議，通過這種方式來保障監控信息的及時回傳，即便是監控系統在運行過程中出現了問題，那么通過人工智能系統也能夠將出現問題的原因以及概況及時傳遞給城市軌道交通管理部門，這樣管理部門中的技術人員能夠及時對監控系統進行良好的修理和維護，保證監控系統在列車運行過程中發揮積極的作用。比如技術人員能夠將5G技術中的大規模天線陣列應用在監控系統中，通過這種方式實現同頻資源同時服務多個用戶的目標，這樣一方面能有效的提高頻譜的效率，還能夠提高數據傳輸的穩定性和抗干擾能力，對于監控系統的穩定運行提供極為強大的保證[4]。天線陣列技術主要是能增強波束傳遞的方向性，因此將其應用在列車運行的車輛段、換乘站以及地面段等場景中都能夠具有較好的應用效果。即便是在非車輛段在監控系統中使用天線陣列技術，也能夠獲得列車行駛的狀態和位置信息。例如在地鐵運行過程中，居民能夠通過墻壁上的智能系統來實時觀測到列車運行的位置以及站點，通過這種方式來提高居民對于城市軌道交通的滿意度，從而為城市軌道交通實現經濟效益和社會效益的目標奠定基礎。

3.3 保證列車控制的水平和效率

在強化5G通信技術通信系統穩定性的基礎上，為了保證列車的運行能夠滿足城市居民的出行要求，保證城市居民的出行安全，因此還需要對列車在特定時間內進行互不干擾的控制。這樣能夠有效避免列車在運行過程中受到外部因素的影響從而導致信息傳輸出現遺漏或者是中斷的問題。技術人員可以采用無線通信技術對列車的最小追蹤間隔進行確認，一旦間隔內的無線通信技術出現問題導致信息出現延遲，那么通過智能設備能夠在列車運行的下一間隔對數據進行更新和重新上傳，通過這種方式來保證軌道交通系統信息單向傳輸的時間延遲低于兩秒。例如在傳統4G網絡技術的應用中，軌道交通通訊系統的平均時延為16.5ms，為了進一步保證城市軌道交通運行的安全和可靠，能夠使用5G通信技術進一步縮短延時。或者技術人員能夠利用5G網絡通信技術來落實無線設備組網通信。這樣一方面能夠縮小車載和地面連接組網等有線設備的數量，另一方面能夠通過增加無線傳感器來保證系統的穩定性和安全性。例如技術人員能夠通過增加無線傳感器來采集車載和軌旁設備的運行狀態和數據，通過智能算法來對潛在故障進行診斷和定位，提高事前控制的質量和效率。由于5G通信技術的特點能夠支持大數量無線設備的接入并且提供和終端性能相匹配的帶寬。所以這種方式既能夠降低后期運維的相關成本，同時還能有效的提高列車數據傳輸的速度和質量，為列車安全穩定運行提供良好的保障。

3.4 簡化通信系統結構

在傳統的4G通信系統中，基本上是通過指揮調度中心來對城市軌道交通中運行的列車進行調度和指揮，不能夠實現列車與列車之間的相互通信，而在5G技術的支持下，能夠采用端對端通信方式實現列車和列車之間的通訊目標，這樣能夠對現有的交通通訊系統進行優化，提高了列車與列車之間的通信便捷性，幫助列車內部工作人員及時掌握列車和其他列車的工作情況[5]。例如目前城市軌道交通中普遍采用CBTC列車控制系統，也就是在運行線路方面設計兩套獨立的列車和地面通信網絡，避免網絡設備出現故障之后影響列車的正常行駛，這就需要城市軌道交通管理部門在列車軌道旁設置大量的通訊設施，其建設和后期運維的成本都比較高。通過端到端技術的應用，數據通訊無需基站中轉就能夠實現列車和列車之間的直接通信，降低列車之間信息傳遞的時延，提高通信的可靠性和安全性。在實際應用該技術的過程中，技術人員能夠將原有的通訊設施進行拆除，在列車端加入無線通訊設備，實現列車首尾車載控制器的無線通信目標[6]。使用該技術還有一個優勢，就是能夠利用多項技術和自組織網絡來為其他設備提供通信，網絡通路，這樣能夠避免因為基站故障或者是信號干擾導致列車通訊故障的問題出現。此外應用5G通信技術還能夠簡化通訊系統的結構。例如在原有的通信系統中，信息是通過設備傳遞給調度中心，再從調度中心將指令傳回列車，從而實現通訊目標。將5G通信技術應用在列車運行的過程中能夠有效地將信息實現同步傳遞和回傳，從而縮短了信息傳遞的時間，對通信結構的后期維護能夠起到積極作用，同時也能有效的保證列車運行的安全和穩定。

3.5 利用小蜂窩結構應用通信技術

在城市軌道交通中應用小蜂窩結構的通訊技術能夠提高網絡信息傳輸質量，對應對各種突發情況提高列車運行速度和穩定性都具有十分積極的作用。小蜂窩技術也叫做小基站技術，主要是通過在局域區域內部提供移動和互聯網服務的低功率基站，應用小蜂窩技術需要在城市軌道交通中的車站以及站外端覆蓋一定的低功率基站，對于城市軌道交通管理部門來說，應用小蜂窩技術能有效的降低建設和運維成本，同時還能夠充分利用之前建設的相關設施。例如技術人員能夠將低功率基站設置在原有的通信設備中，比如車站內部的原有網絡集成箱內部。之后在應用低功率基站的過程中，能夠保證每個基站的覆蓋范圍滿足5G技術的應用要求。此外城市軌道交通部門還能夠充分利用小蜂窩技術來提高5G通訊網絡的影響范圍，對提高城市居民使用軌道交通的滿意度能起到積極作用。

4 結束語

總而言之，5G通信技術的出現給城市居民生活帶來了更好的便利條件，對城市軌道交通的發展也能夠產生積極影響。尤其是在目前城市軌道交通發展智能化和自動化的背景下，使用5G通訊技術能夠更好的對調度工作、安全管理工作以及提高列車效率等方面進行積極影響。因此城市軌道交通管理部門應該重視5G通信技術在城市軌道交通中的應用，通過強化通信系統穩定性、提高列車監控質量、保證列車控制水準、簡化通信系統結構等方式來實現信息數據的快速傳遞，為城市軌道交通實現經濟效益目標和社會效益目標奠定堅實的基礎。