5G通信系統在城市軌道交通車車通信中的應用探究

王建邦（1999.03-）男，漢族，甘肅民樂，本科，助理工程師，研究方向：城市軌道交通通信工程。

摘要：5G技術加速了各行業的發展，為了滿足人們的生活需求，提升城市軌道交通的安全性和穩定性成為必要之舉，以使人們的出行更加安全。通信系統作為系統建設的核心，主要職責是傳輸不同的信息任務，因此對通信技術有著嚴格的標準要求。5G技術能夠為軌道交通的通信技術提供幫助，進一步加快城市的發展步伐。本文主要闡述了5G通信系統在城市軌道交通車車通信方面的設計思路與可行性分析，僅供參考。

關鍵詞：5G通信系統；城市軌道交通；車車通信

無線通信的穩定性對于城市軌道交通系統的正常運行非常重要，它保證了城市軌道交通部門之間的有效溝通和各項功能政策的順利實施。5G通信技術具有延時低、傳輸效果好的優勢。將其應用在城市軌道交通車車通信中，能夠為人們提供高效、快速且便捷的出行環境。

一、軌道交通車車通信技術的相關內容

在樓宇或地下的城市軌道交通系統中，傳統的鐵路系統通信方式并不適用，這是因為存在客觀因素的限制。列車在樓宇間或地下運行時，接收的信號不穩定，缺少實時性，甚至在某些地段的某個時刻，列車無法接收信號[1]。因此，城市軌道交通系統采用無線通信技術，從WLAN技術逐漸發展為4G通信技術或5G通信技術。這樣可以使城市軌道交通系統與時俱進，吸收經驗，并以科學的方式進行改革。城市軌道交通系統實現了通信技術的全面覆蓋，其中5G技術將應用于城市軌道交通系統中。城市軌道交通系統的通信模塊可以承載系統運行生成的視頻、音頻技術參數等信息模塊。在城市軌道交通系統中，通信根據多種標準劃分。城市軌道交通系統的通信模塊包含信號傳輸系統、專用通話系統、公用通話系統、無線集群通信傳輸系統、時間系統、通電系統和接電系統[2]。

（一）無線通信

城市軌道交通通信系統中，無需有線傳輸媒介開展的信息傳輸被稱作無線通信。無線通信可以保證行車安全，并及時處理緊急突發事故。無線通信能夠與移動中的作業人員、搶險人員開展通信，這也是司機通信的主要方式。無線通信主要包括車車通信和車地通信。在車地通信方式中，城市軌道交通在通信列車控制系統的信號中承載著下行軌道速率和上行軌道速率，使用5G通信技術具備可行性。而在車車通信中，要求傳輸信息的距離較短，對通信網絡有著嚴格的要求[3]。

（二）有線通信

在城市軌道交通通信系統中，傳輸系統屬于骨干，傳遞信息要依靠有線通信系統。為了能讓列車正常安全運行，傳輸系統組網要使用自愈網，傳輸介質要采用光纖通信介質。在通信系統中，分布的連接網絡也使用了有線網絡，能使傳輸系統更可靠，避免阻塞現象的出現，并保證及時快速地提供通信服務能力來處理事故救援與防災[4]。

二、5G通信技術優點

4G通信技術已經成熟，但在軌道交通通信應用方面仍有改善的空間，而5G技術可以提升網絡通信能力。專用無線通信系統是一種綜合系統，包括無線通道網絡系統和二次開發系統。無線通道網絡系統包括集群交換中心服務器、室分集群交換中心服務器和室分天饋系統，集群交換中心服務器在控制中心部署。5G通信技術是第五代移動通信技術，是在4G技術基礎上進行優化和創新的一種通信技術，它還整合了3G技術、4G技術和2G技術。加速邊緣計算技術和大規模天線陣列等相關技術的發展，確保物聯網能夠朝著可靠性、低延時和超高速的方向發展。5G技術的優勢主要體現在以下幾個方面：首先是網絡速度快、網絡延時低。在5G網絡的狀態下，信息傳輸速率高于4G技術數百倍，同時也高于4G寬帶，為高速率傳輸提供了保障。5G網絡技術時間延遲到一毫秒，可提升設備聯網速度，讓用戶擁有更好的體驗感。其次是容量大。城市發展速度快，城市人口密集。在城市軌道交通網絡中，如果人口密度大，5G網絡技術能夠提供數十倍的網絡連接數，連接數量大，可提升設備通信服務質量，讓更多的人擁有更好的服務感受。最后提升使用資源效率，加強抗干擾性。在全雙工方式中使用5G通信技術，可以根據業務變化調整資源規劃，提升系統資源的使用效率，避免損耗資源，減少前置的資源。5G網絡提升了信號強度，減少了用戶之間的干擾，不僅可以提升系統容量，而且還能保證頻譜效率。從多個角度、全方位提高了網絡通信能力[5]。

三、車車通信系統組成與特征

（一）車車通信系統的組成

車車通信系統包含了云網絡平臺、數據中心、運營調度中心、后勤維護中心、車載單元和智能軌旁單元。云網絡平臺能夠構建高速傳輸數據的網絡，數據中心中的數據屬于系統管理的關鍵性要素，可以讓用戶享受到增值服務。數據中心能夠記錄事件日志，同時也能夠分析預測事件日志。運營調度中心需要處理與調度相關的信息，同時支持乘客信息系統和設備監控等系統開展跨線運營統調度。在搭建云網絡平臺運營調度中心時，可以應用分布或集中的方式進行布置工作。按照調度運營單元開展調度命令與運營方案主動控制，更好地掌控智能軌旁單元。智能軌旁單元可以接受運營調度單元的命令，同時將軌旁設備的狀態信息返回到車載單元和運營調度中心[6]。

（二）車車通信系統特征

車車通信系統是列車的控制主體。將其引入設備中具有不同的系統特征，能夠減少地面設備的控制工作量和造價。與傳統信號系統地面控制設備相比，目標控制器更為復雜，但不受場地約束，簡化了改造舊線的難度。地面控制設備的測試功能較少，縮短了建設時間。車車通信系統優化了系統架構方式和子系統的控制數據流，能夠優化控制內容。在車載設備中集中功能，減少系統內部的耦合性與復雜性，降低互聯互通的難度，提高系統的兼容性。改善車車間通信通道，使運營組織更加靈活，并能夠靈活調整列車的間隔。根據項目需求分配車載設備和地面設備，使地面設備能夠執行系統功能。如果一個區域的地面設備發生故障，會影響全線運營，需要完成大量搶修工作。當車車通信系統的車載設備出現故障時，需要立即安排故障列車退出運營。在運營結束或車輛段維修故障列車時，需要提高系統的可維護性和可用性，降低人工應急處理故障的難度[7]。

四、在軌道交通車車通信中應用5G通信系統的相關內容

（一）城市軌道交通系統中5G網絡架構的相關內容

城市軌道交通包含車輛段、控制中心、停車場等不同節點，由實際使用場景分析設計城市軌道交通5G網絡架構。城市軌道交通系統的控制中心主要用于部署核心網絡設備與服務器，在停車場、車站周邊使用服務器、附屬網絡設備和無線反饋設備，并將5G信號接入到列車上，因此完整的5G網絡便可在城市軌道交通系統中搭建完成，這也為城市軌道交通系統的不同業務提供了技術支撐。基于5G網絡的應用，優化了NR蜂窩車聯網通信，即NR-V技術。終端間的通信需要經過基站，兩個車輛之間的通信也要通過基站，因此對延時性和可靠性有著較高的要求。若車輛之間直接通信或使用路測基礎設施實現通信，將能增加可靠性、減小延時性，從而保障道路安全。C-V2X提高了不同終端間的直通性，車車通信使通信鏈路更加可靠。汽車車聯網技術與軌道交通對于列車外部環境的追蹤存在差異，軌道交通指的是相鄰列車之間的車車通信，根據城市軌道交通的運行環境進行相應的設計[8]。

（二）5G通信網絡技術在城市軌道交通車車通信系統的主要研究內容

第一，頻帶資源。頻帶資源是城市軌道交通關注的重點內容。在4G時代，城市軌道交通系統的使用頻段需要小于1805MHz且大于1785MHz，在此頻段范圍內能夠建設系統。但在實際使用中，不同區域需要根據實際情況調整城市軌道交通建設的分配頻段。一些區域無法將20MHZ帶寬分配到城市軌道交通系統中，從而降低傳輸性能。我國也給出了明確的規定，5G網絡分配頻段較廣，后續工作中也需要關注城市軌道交通系統分配使用頻段的范圍。

第二，信號覆蓋。城市軌道交通系統中，使用5G網絡通信技術的場景是結合同軸電纜與天線的方式實現全面的信號覆蓋，不同環節使用天線進行信號覆蓋。在隧道中，使用同軸電纜進行信號覆蓋設計時需要考慮傳輸過程的損耗以及車體對信號的屏蔽情況。在高頻段信號進行傳輸的同軸電纜仍處于研發階段，后續也需要跟蹤產品的動態，以便調整設計計劃。

第三，切換區間信號。列車運行速度快以及5G無線信號覆蓋距離短是主要的影響因素，因此在5G通信系統方案設計中，需要考慮區間信號切換的情況。綜合考慮列車行駛速度和信號切換耗時等因素，保證信號能夠平滑切換，減少信號傳輸延時和不連貫等問題的出現。

第四，應用開發5G技術。5G技術的無線傳輸速率快于4G技術，因此要充分利用5G技術。城市軌道交通中的不同應用是以網絡技術為基礎進行研發，因此音頻、視頻和存儲數據的方案質量都有延伸空間。5G網絡通信技術中應用大數據和云計算技術能夠為城市軌道交通系統提供技術支撐。合理使用5G通信技術，豐富系統功能，提升系統運行效率，保證系統的智能化[9]。傳統信號系統和制動系統是使用各自的速度傳感器與齒輪盤。若信號系統和制動系統共用齒輪盤與速度傳感器，則可以節省多個速度傳感器以及對應的齒輪盤。并且，制動系統朝著信號系統發送輪軸速度共享信息，優化信號速度。信號系統通過操控制動系統發送輪徑校正應答器信息，制動系統能夠及時修正自動輪徑，從而讓信號系統和制動系統的速度信息融合。

（三）車車通信系統的控制邏輯相關內容

和行車安全有著密切聯系的道岔、軌道等資源是以預留的方式占用數據，在各設備網源間流轉，增加行車的安全性。列車獨占資源在安全的基礎上，無需由特定設備進行管理。列車在運行中，只需保證預留出可供行車的范圍，即可實現安全行車。這也是由系統設計負責，讓系統功能分配更靈活，按照項目需求靈活配置交互模式。若是線路地面的環境差、維護困難，或者不具備控制能力，設備在車載主導模式下，要保證每列列車在行車時的安全。軌旁智能單元則監控軌旁設備，并執行相應的命令。若是線路地面控制的設備較多，在優化車和車間的接口時，要在車地協作模式下讓系統正常運行。在傳統CBTC的架構中，若將地面設備作為控制核心，則具備車車通信控制能力的車載單元進入CBTC控制區域時，無須參加線路預留功能，只需要通過無線通信獲得移動授權，并在軌旁設備的指導下正常行車，實現互聯互通。在相同線路上，要根據詳細位置和運營需求進行維護，配置一種以上的行車模式。車載單元應根據所在區域位置選擇適當的行車模式，而地面設備的功能設計需要針對性地進行配置工作[10]。

（四）健全5G通信設施

5G通信技術越發成熟，應用在工業領域和交通領域的程度也隨之加深，健全5G通信設施以發揮出5G技術的使用價值。信息通信行業的重點主要集中在5G網絡建設上，深化建設移動、聯通、電信等5G網絡，加快構建信息基礎設施，發揮主動性。通過5G技術實現全覆蓋的軌道交通，提升軌道交通系統的信息化程度和自動化程度，確保交通系統運輸的安全性和穩定性，從而充分發揮5G技術的價值，提高通信水平。同時深化智慧化程度，使人們能夠安全出行并獲得最大化的效益。在5G通信網絡構建中，工作人員需要綜合分析交通系統與網絡信息，完善相關計劃，發揮軌道交通網絡系統的功能，提高系統運行效率。同時不斷健全5G技術，提升軌道交通網絡質量，讓公眾安全出行。

五、5G通信系統在城市軌道交通車車通信中應用的可行性

5G通信技術的超密集型異構網絡結構能夠完成傳輸信息的任務。其特征是數據量大、可靠性強、延時率低，能夠連接網絡，讓列車安全且連續地運行。同時，根據地圖通信模式在車和車間直接傳輸數據，保證車車通信能夠實現，節省通信的成本，提升通信效率。為了實現車車通信，需要為通信系統提供頻段，確保傳輸5G信號應用數據加密的方式，加強地圖通信的安全性。在與4G系統進行銜接時，應防止突發狀況出現，避免系統崩潰。同時，根據監控結果設計網絡切換系統，以確保系統穩定運行[11]。

六、結束語

綜上所述，城市發展過程中，城市交通運輸壓力大，存在不同的交通問題，因此需要優化城市交通環境。在我國投入使用5G技術后，人們能享受到更好的城市軌道交通服務。在城市軌道交通中，應用5G通信技術的車車通信，可以確保城市軌道交通的安全運行并提升效率。

作者單位：王建邦 中鐵十二局集團電氣化工程有限公司

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