基于5G的D2D通信技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用研究

胡軼群 王鈺 王壯

摘? 要：D2D通信技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，本文研究了5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，詳細(xì)分析了D2D通信技術(shù)在地鐵通信領(lǐng)域的應(yīng)用方法，通過(guò)概述D2D通信技術(shù)的通信過(guò)程，資源分派方式和優(yōu)點(diǎn)，提出了其在列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用要領(lǐng)。我們假設(shè)無(wú)線電資源的配置十分合適，于是利用D2D技術(shù)可以減少網(wǎng)絡(luò)互相擾亂，更大程度上利用設(shè)備的功能，改善了列控系統(tǒng)的整體機(jī)能。

關(guān)鍵詞：5G通信? 地鐵列車? D2D通信? 列車控制

中圖分類號(hào)：U285? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）08（a）-0164-03

Abstract： D2D communication technology is the key technology of 5g network， which can realize the direct communication between two user nodes. This paper studies the technical characteristics of 5G network， analyzes the application methods of D2D communication technology in the field of Metro communication in detail， summarizes the communication process， resource allocation method and advantages of D2D communication technology， and puts forward the application essentials in the train control system. We assume that the allocation of radio resources is very appropriate， so we can use D2D technology to reduce network interference， to a greater extent， use the function of equipment， and improve the overall function of the train control system.

Key Words： 5G communication; Metro train; D2D communication; Train control

1? 引言

5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱。5G是一種促成了人和人、人和物、物和物的安全高速融合網(wǎng)絡(luò)。目前，5G的建設(shè)已成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。在城市軌道交通中，因?yàn)榱熊囕^高的運(yùn)行速度，且通行于地下或高大的建筑物之間。因此，通信的實(shí)際需求已經(jīng)是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信無(wú)法滿足的了，經(jīng)常出現(xiàn)通信不穩(wěn)定、安全水平低等問題?，F(xiàn)如今，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在生活中越來(lái)越普及，構(gòu)建與應(yīng)用了利用4G通信技術(shù)的LTE車地?zé)o線通信戰(zhàn)線。但現(xiàn)階段應(yīng)用的LTE-M系統(tǒng)，其使用的頻段主要為1785～1805MHz頻段，且目前無(wú)線電委員會(huì)允許的城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)帶寬僅為10～20MHz。

2? 5G技術(shù)在城市軌道中的應(yīng)用

目前，5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于可靠性、安全性、覆蓋范圍都有所提升。其新增加的端對(duì)端（D2D，Device-to-Device）通信功能將5G的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展。

通過(guò)兩個(gè)設(shè)備之間直接通訊，基站的頻譜資源僅使用了一半，可以減小基站負(fù)擔(dān)和通信時(shí)延。此外，相鄰的兩個(gè)用戶通過(guò)D2D 通信技術(shù)來(lái)有效節(jié)約電量。其通信模式如圖1所示。

5G網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信網(wǎng)絡(luò)相較于4G來(lái)說(shuō)，通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠不路過(guò)基站，實(shí)現(xiàn)列車與列車之間的通信，從而使相關(guān)工作人員了解實(shí)際的列車的位置、運(yùn)行狀況。此外， D2D通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可減少列車運(yùn)行過(guò)程中的通信區(qū)間，從而縮合列車出行時(shí)間間隔，列車控制的技術(shù)得以提升，大大增加控制效率。

3? D2D優(yōu)勢(shì)及具體應(yīng)用方法

當(dāng)前基于CBTC的列車控制系統(tǒng)，在行駛線路中建設(shè)兩條獨(dú)立的車地通信網(wǎng)絡(luò)互為冗余來(lái)防止軌旁網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障造成列車降級(jí)運(yùn)行或停止運(yùn)行。5G通信使用了設(shè)備之間不需要進(jìn)行基站中轉(zhuǎn)，而是端到端（D2D）的通信技術(shù)。D2D通信技術(shù)是一種替代復(fù)雜的通信模式，在軌旁網(wǎng)絡(luò)出問題時(shí)可以進(jìn)行列車之間相互通信相互發(fā)送位置信息以及運(yùn)作狀態(tài)，從而確保安全的情況下，不會(huì)降低級(jí)別繼續(xù)安全操作。D2D通信在進(jìn)行列車之間的通信時(shí)可以減少列車出發(fā)時(shí)間的間隔，提高了管理效率，也使通信更為可靠。具體應(yīng)用方式如圖2所示。

此外，D2D通信技術(shù)支持多路跳轉(zhuǎn)技術(shù)，也就是說(shuō)終端的設(shè)備可以給其他設(shè)備提供通信鏈路，充當(dāng)一個(gè)中繼站，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)位置信號(hào)弱或遭遇信號(hào)干擾，或者基站故障而不能進(jìn)行通信，于是加強(qiáng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的健壯性、可靠性。D2D通信技術(shù)是列車首部和尾部通信的新方式。以往車子首部和尾部的車載控制器之間進(jìn)行通信需要在建造時(shí)鋪上首尾相連的線路，這樣老舊線路和車輛的改建會(huì)很困難。D2D技術(shù)運(yùn)用另一種無(wú)線的方式，首部和尾部機(jī)載控制器直接通信，而不用通過(guò)車地網(wǎng)絡(luò)，不通過(guò)貫穿首尾的通信線路進(jìn)行通信，同時(shí)減少施工時(shí)間，也為列車維護(hù)提供了方便。D2D通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為地鐵系統(tǒng)提供了更加靈活的通信方法。D2D通信技術(shù)具有以下的優(yōu)勢(shì)：

（1）提高頻帶操縱效率，利用D2D通信資源可以二次使用蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)的頻譜，從而使網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高。采取D2D通信方式，通信兩個(gè)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸可以方便進(jìn)行，無(wú)需基站轉(zhuǎn)化，節(jié)省通信成本。

（2）改善社區(qū)籠蓋范圍，使用者的信號(hào)強(qiáng)弱程度通常和蜂窩式網(wǎng)絡(luò)基站所在的地理位置有關(guān)，基站更接近使用者通常具有更高的信號(hào)強(qiáng)度，使用者在社區(qū)外圍時(shí)有著相對(duì)較弱的信號(hào)。采取D2D通信有利于社區(qū)外圍的使用者收到信號(hào)，社區(qū)的信號(hào)覆蓋范圍得以擴(kuò)大，確保社區(qū)內(nèi)所有的使用者獲得不錯(cuò)的通信體驗(yàn)。

（3）擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，運(yùn)作通信網(wǎng)絡(luò)要有很多的設(shè)備支撐，在中心網(wǎng)或接入網(wǎng)的通信設(shè)備一旦有問題可能停止整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，D2D通信可以不依托于基站傳送數(shù)據(jù)，降低對(duì)設(shè)備的依托度。在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中建立的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，可以不依賴現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備迅速形成自組織網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)或電源出問題時(shí)，通信可以正常工作。

（4）控制擾亂的功能，相對(duì)于其他短間距通信技術(shù)，D2D通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的顯著特點(diǎn)就是各種擾亂我們可以有效防控，確保了通信的質(zhì)量。D2D通信在授權(quán)的頻率段工作，質(zhì)量和通信安全信用能保證，有更好的使用者體驗(yàn)感。

4? D2D通信在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用

利用D2D通信技術(shù)，數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化就可以交互，并且在終端之間可以二次利用資源進(jìn)行通信，因此它和CBTC系統(tǒng)方法相比，更加方便。傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與D2D通信的列車控制系統(tǒng)是不同的。列車使用傳統(tǒng)車地通信傳導(dǎo)和處理消息時(shí)，相鄰的兩輛車之間試著創(chuàng)設(shè)D2D連接，有下面兩種具體的方式：

（1）當(dāng)車輛A與車輛B直接通信時(shí)，采取D2D連接;

（2）當(dāng)車輛A與車輛B之間的間距較長(zhǎng)或鏈路狀況不好時(shí)，使用基站轉(zhuǎn)化方式，基站只轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信息而不作任何處理。

雖然D2D通信和傳統(tǒng)的車地通信組合的過(guò)程比較麻煩，但它對(duì)現(xiàn)有列車控制系統(tǒng)基本設(shè)施的改動(dòng)較少，而且數(shù)據(jù)傳輸比較可靠，因此確保列車的安全行駛非常重要。

5? 結(jié)語(yǔ)

5G網(wǎng)絡(luò)和軌道交通通信等場(chǎng)景相匹配，它們通常具有快速、范圍大等特點(diǎn)，可以在車輛上提供較大的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)兩車通信，完成近間距軌道交通環(huán)境的通信要求。本文通過(guò)探討5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及其所包含的關(guān)鍵信息技術(shù)，主要研究其關(guān)鍵技術(shù)中的D2D通信工程技術(shù)，說(shuō)明了D2D通信企業(yè)技術(shù)的通信方式流程、優(yōu)勢(shì)及資源分配工作方式，并闡述了它在列控系統(tǒng)的應(yīng)用問題。無(wú)線電資源的合理配置可以使網(wǎng)絡(luò)之間的擾亂減少，提高設(shè)備的使用率，提高列車控制系統(tǒng)的整體機(jī)能。

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