試談5G通信在城市軌道交通的應(yīng)用

曲璟

摘? 要：4G通訊技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用推動了我國城市交通軌道的發(fā)展，構(gòu)建了LTE車地?zé)o線通訊傳輸系統(tǒng)，提升了通訊的覆蓋范圍、傳輸速度，為我國城市軌道交通帶來了便利。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷研發(fā)和大規(guī)模商用化，4G技術(shù)將逐漸被替代，5G網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)以往的發(fā)展規(guī)律在各個性能方面做出突破，作為城市軌道交通通訊的重要組成部分。文章將簡單分析城市軌道交通無線通訊現(xiàn)狀，深入研究5G網(wǎng)絡(luò)通訊在城市軌道交通的應(yīng)用，旨在給城市軌道交通日后的發(fā)展提出建議。

關(guān)鍵詞：5G通訊;城市交通軌道;無線通訊

中圖分類號：U285.2? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0163-02

Abstract： The rapid development and application of 4G communication technology promotes the development of urban rail transit in China， constructs the LTE vehicle-to-ground wireless communication transmission system， improves the communication coverage and transmission speed， and brings convenience for China's urban rail transit. With the continuous research and development of 5G network and large-scale commercial use， 4G technology will be gradually replaced， and 5G network will make a breakthrough in various performance according to the previous development law， as an important part of urban rail transit communication. This paper will briefly analyze the current situation of urban rail transit wireless communication， in-depth study of the application of 5G network communication in urban rail transit， in order to put forward suggestions for the future development of urban rail transit.

Keywords： 5G communication; urban transit track; wireless communication

當(dāng)人們還在感慨4G通訊技術(shù)的便捷時，5G通訊技術(shù)已經(jīng)悄然而至。5G通訊技術(shù)可以應(yīng)用在生活中的方方面面，不僅可以用在個人的智能手機和電腦上，也可以應(yīng)用在全球智能交通系統(tǒng)上。與4G通訊技術(shù)相比，5G的傳輸速度、傳輸距離、傳輸安全性都有了巨大的飛躍，是現(xiàn)代通訊技術(shù)綜合能力的提升。目前世界各國都在積極推進5G通訊技術(shù)的發(fā)展，我國也對5G技術(shù)的發(fā)展做出了明確指示，要大力推廣5G試驗和商用試點，在2020年開啟5G商用，促進城市移動通訊技術(shù)快速發(fā)展。與此同時，城市軌道交通也在向著更安全、更舒適的方向發(fā)展，5G技術(shù)的發(fā)展加速了城市軌道交通通訊系統(tǒng)的建立，在原有通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上再度升級，推進軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)向智能化、標(biāo)準化、平臺化發(fā)展。通信技術(shù)作為提高城市軌道交通工作效率和自動化程度的前提，是城市軌道交通的重要組成部分。5G技術(shù)的引入，為城市軌道交通的發(fā)展注入了活力，雖然還未在全國范圍內(nèi)引入，但是在城市交通軌道有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 5G通訊技術(shù)概述

第五代移動通信技術(shù)（5th generation mobile networks），簡稱5G技術(shù)，是最新一代的蜂窩移動通信技術(shù)，也是3G、4G的升級換代。隨著現(xiàn)代通信需求的不斷增加，5G技術(shù)未來幾年將逐漸商用，5G各方面的性能也會有顯著的提升，尤其在頻譜利用率和能效方面，傳輸效率和資源利用率將提高一個數(shù)量級。與4G技術(shù)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的提升不僅顯示在傳輸速率上，它所支持的設(shè)備也從手機、平板轉(zhuǎn)換為各類可佩戴的設(shè)備。5G技術(shù)的發(fā)展使它能夠適應(yīng)以下幾種場景：（1）在超高速的移動場景中，如地鐵、列車需要傳輸自身的運行狀態(tài)至控制中心，以此保證正常的運行[1];（2）在山村、城鎮(zhèn)也可以進行通訊，保證用戶通訊的流暢性;（3）在人流量較多的商場、地鐵中，可以與外界進行流暢的通訊，不會因為人多而造成網(wǎng)絡(luò)速度降低;（4）大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景，可以滿足大型通訊設(shè)備連接，構(gòu)建人與物、人與人等多方交流溝通的網(wǎng)絡(luò)體系;（5）穩(wěn)定、可靠的實時連接，即使在基站覆蓋的邊緣也可以連接網(wǎng)絡(luò)，不影響正常通訊。而對于城市軌道交通通訊系統(tǒng)性能的提升，5G將采用多種新技術(shù)與新方法來改善網(wǎng)絡(luò)性能，例如D2D通信、高頻段數(shù)據(jù)通訊、新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、新型多址等技術(shù)，實現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)向5G網(wǎng)絡(luò)的飛躍。此外，對于5G最關(guān)鍵的D2D通訊功能，可以減輕基站的負擔(dān)，減小通訊延遲，實現(xiàn)從設(shè)備到設(shè)備直接進行通訊，不僅如此，與傳統(tǒng)的蜂窩通信相比，D2D僅占有一半的頻譜資源、節(jié)約能耗。

2 城市軌道交通中的通信

衛(wèi)星通訊的方法對于地鐵或在高樓之間的城市軌道交通并不完全適用，因為在地鐵在高大的建筑物周圍運行時信號并不穩(wěn)定。從最早的WLAN到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的4G技術(shù)，再到將來5G通信在城市軌道交通的應(yīng)用，城市軌道交通中應(yīng)用的無線通訊技術(shù)隨無線通信的發(fā)展而發(fā)展[2]。城市軌道交通通信系統(tǒng)是一種承載城市軌道交通系統(tǒng)中產(chǎn)生的實時或歷史音頻、數(shù)據(jù)等各種信息的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，可以分為有線通信、無線通信，主要由傳輸系統(tǒng)、公務(wù)電話系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)等多種子系統(tǒng)組成。

（1）有線通信。傳輸系統(tǒng)作為軌道交通通信系統(tǒng)中的主要部分，負責(zé)傳輸各種信息，如控制中心無限調(diào)度臺至各車站基站的語音和控制系統(tǒng)，各種低速數(shù)據(jù)通道等。傳輸系統(tǒng)采用以光纖通訊為主的傳輸介質(zhì)，在車站、停車場等設(shè)置傳輸節(jié)點及接入設(shè)備，通過線路兩側(cè)光纜構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)。傳輸系統(tǒng)的組網(wǎng)方式為自愈網(wǎng)，分布的連接網(wǎng)絡(luò)也是采用802.3有線網(wǎng)絡(luò)，如此一來，就可保證傳輸系統(tǒng)高效、實時、安全，在出現(xiàn)突發(fā)事故時也能及時為救援提供通訊服務(wù)。

（2）無線通信。城市軌道交通通信系統(tǒng)中，所有除去有線傳輸媒介來進行的傳輸都是無線通信。無線通信可以實現(xiàn)與移動中的作業(yè)人員、搶險人員實時通信，因此可以保證在突發(fā)事件處理過程中的安全。無線通訊主要分為車-地通信與車-車通信兩種，隨著城市軌道交通CBTC系統(tǒng)全自動無人駕駛技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以4G為基礎(chǔ)的TD-LTE移動通信技術(shù)將逐漸無法滿足列車的需求，5G通信技術(shù)的應(yīng)用將成為切實可行的方式，信號系統(tǒng)每列車承載的上/下行列控信息業(yè)務(wù)寬帶需求可達到1Mbit/s甚至可以更多。而在車-車通信中，為了有效縮短信息傳輸?shù)木嚯x，有一些學(xué)者提出了基于車-車通信的新型CBTS系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的CBTS系統(tǒng)相比，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得系統(tǒng)更簡潔，不過雖然縮短了信息傳輸?shù)木嚯x，但是對通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，這也需要5G技術(shù)盡快商業(yè)化，早日運用在城市軌道交通系統(tǒng)中。

3 5G通信在城市軌道交通中的應(yīng)用

（1）高速通信。當(dāng)前城市軌道交通系統(tǒng)使用1785～1805MHz頻段，但因為資源使用限制，只可用10MHz用于城市軌道交通，其中將10MHz分成A、B雙網(wǎng)以確保系統(tǒng)安全[3]，在此情況下，其上行通信最大吞吐量為3.7Mbit/s，最小吞吐量為2.9Mbit/s，其下行通信最大吞吐量為8.6Mbit/s，最小吞吐量為6.0Mbit/s，然而根據(jù)《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》可知，城市軌道交通通信系統(tǒng)承載多種業(yè)務(wù)通信需求，其中包括列車運行控制業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、IMS視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)等多種不同業(yè)務(wù)，各業(yè)務(wù)傳輸速率要求也不同，例如GOA1/2的列車運行控制業(yè)務(wù)上行速率和下行速率為0.256Mbit/s，而GOA3/4的列車運行控制業(yè)務(wù)下行速率和下行速率為0.512Mbit/s;GOA1/2與GOA3/4的列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)下行速率為0.01Mbit/s。對于當(dāng)前的LTE-M系統(tǒng)無法滿足各業(yè)務(wù)綜合通信的需求。5G通信技術(shù)增加了頻譜效率，可以在原有帶寬基礎(chǔ)上提高通信速率，可以實現(xiàn)高速、有效通信。與傳統(tǒng)的4G技術(shù)相比，5G網(wǎng)絡(luò)將頻譜效率提高了10倍，這樣可以滿足更多的業(yè)務(wù)需求，簡化了新線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，也降低了維修的難度，大大提高了工作效率。

（2）延遲低，可靠性高。保證列車在一定的時間間隔在線路上互不干擾的運行是衡量列車運行控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，同時也是確保運行效率的重要參考。通信延遲是無線通信過程中普遍會遇到的問題，通信延遲會造成車載和地面設(shè)備信息使用不同步，降低可靠性，容易對列車運行的效率與安全產(chǎn)生影響。根據(jù)實際測得新建線路LTE-M網(wǎng)絡(luò)端到端時延，單漏纜最小時延11.5ms，最大時延67.0ms;雙漏纜MIMO最小時延11.5ms，最大時延54.5ms，根據(jù)不同通信時延下列車追蹤間隔與最優(yōu)速度可知，無延時情況下，追蹤間隔為33.06s，延時為200ms時，列車追蹤間隔為38.27s。運用5G技術(shù)，可以大大降低延時，使得運行間隔進一步縮短，增加系統(tǒng)的可靠性，確保列車運行的安全性。

（3）大量用戶超密集組網(wǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)通信帶寬大幅度提高使得網(wǎng)絡(luò)可以承受更多的業(yè)務(wù)，也允許大量設(shè)備組網(wǎng)通信。對于現(xiàn)有的城市軌道交通中的某些有線設(shè)備，可以改為無線組網(wǎng)的方式，減少地面大量的布線，減少了空間占用率，降低了設(shè)備需要集中放置的需求，不僅如此，設(shè)備的放置也更加靈活，也更有利于日后的維護和修理。除此之外可以接入無線傳感器設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備，對列車運行進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)運行過程中存在的問題與潛在危險，將檢測的數(shù)據(jù)及時反饋給控制中心，使得工作人員可以第一時間做出反應(yīng)并且及時做出應(yīng)對，保障列車運行的安全。相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G技術(shù)支持海量終端的接入使得上述方法成為了可能，同時也使得5G技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用更加廣泛。

（4）綠色通信。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，用于通信的能量損耗問題日益嚴重，城市軌道交通應(yīng)該以節(jié)能減排為目標(biāo)，積極優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低通信過程中的能量損耗。綠色通信是指減少環(huán)境污染、資源浪費以及對人體和周圍環(huán)境產(chǎn)生危害的新一代通信理念，實現(xiàn)人與自然和諧相處，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。一般采用創(chuàng)新的高效功放、智能溫控等技術(shù)，對基站進行改造，從而達到降低能耗的目的。5G技術(shù)通過在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、網(wǎng)絡(luò)部署、鏈路級技術(shù)等方面進行優(yōu)化，從而提高運行效率，減少系統(tǒng)運行過程中的能量損耗，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色通信的目標(biāo)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4 5G通信在城市交通軌道的應(yīng)用中面臨的問題

目前我國的5G通信技術(shù)正處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，因此在實際應(yīng)用的過程中難免會遇到各種各樣的問題。在城市軌道交通的應(yīng)用中，需要注意以下幾點問題：（1）在應(yīng)用D2D通信技術(shù)時，應(yīng)該注重該技術(shù)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的科學(xué)性，實現(xiàn)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源共享，以此來提升傳輸效率、縮短延時、控制成本;（2）在5G網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用過程中要具備兼容性，當(dāng)遇到突發(fā)危機造成5G網(wǎng)絡(luò)不能正常使用時，可以及時切換到4G網(wǎng)絡(luò)，以確保列車運行的安全;（3）節(jié)約通信資源已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的追求趨勢，5G網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用時，不僅要做到增強通信水平，更要實現(xiàn)通信資源的節(jié)約，保證綠色通信[4]。

5 結(jié)束語

5G技術(shù)的研發(fā)與發(fā)展不僅給城市居民快速的上網(wǎng)體驗，而且對于正在發(fā)展的城市軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)有積極的作用，5G技術(shù)推動了城市軌道交通更加智能化、自動化、系統(tǒng)化、綠色化，增強了城市軌道交通通信的靈活性與便捷性。5G技術(shù)的提出，為城市軌道交通的發(fā)展提供了新思路，同時，5G技術(shù)能夠提高效率，降低成本、減少傳輸過程中的能量損耗，積極響應(yīng)了國家號召的節(jié)能減排、綠色通信，對將來城市軌道交通的發(fā)展有著積極的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

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