5G技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

◆劉凈

5G技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

◆劉凈

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 350000）

5G移動通信技術(shù)的快速發(fā)展引起了各行各業(yè)的關(guān)注與進入。而城軌交通作為城市交通的重要組成部分，承擔(dān)的乘客出行比重越來越大，面對越來越多的信息數(shù)據(jù)碰撞和越發(fā)智能的乘客出行需求，其與5G的融合發(fā)展變得尤為必要。本文通過分析5G技術(shù)的優(yōu)勢，探討其在汽車通信、自動駕駛、智慧出行等方面的作用。

5G通信技術(shù)；信號系統(tǒng)；綠色通信；智能

當(dāng)人們還在享受著4G帶來的便捷服務(wù)時，5G已經(jīng)悄悄進入我們的生活。與4G移動通信技術(shù)相比，5G技術(shù)在速率、時延和容量方面都有很大的提升。當(dāng)前，5G移動通信技術(shù)與各行業(yè)的深度融合、協(xié)同發(fā)展正在如火如荼地進行。

城市交通設(shè)施是城市高速運轉(zhuǎn)的主動脈，也是一個城市發(fā)展水平的重要體現(xiàn)。城市軌道交通作為城市交通的重要組成部分，其在城市公共交通出行的比重在逐年不斷提升，為了更好服務(wù)人民出行、服務(wù)城市發(fā)展，要借著5G高速發(fā)展的東風(fēng)，推動城市軌道交通的智能化、自動化發(fā)展。

1 研究背景

1.1 5G技術(shù)的發(fā)展

5G移動通信技術(shù)是當(dāng)前最前沿的移動通信技術(shù)，是4G進一步升級和發(fā)展的產(chǎn)物。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，各行各業(yè)智能化、自動化需求不斷增加，對移動通信性能的要求也不斷提高，5G技術(shù)對比4G提升的不僅是速率，它所支持的設(shè)備也由手機、電腦轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N便攜設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。

5G移動通信技術(shù)較4G在速率、時延、容量等方面都有較大提升。這些提升使其能夠更好適應(yīng)特殊場景，如高鐵、地鐵、汽車等高速場景中可以高效、穩(wěn)定傳輸環(huán)境信息或自身狀態(tài)信息，保證運行安全；在山區(qū)、農(nóng)村等邊緣場景也可實現(xiàn)流暢通訊；在商場、車站等大容量場景也可實現(xiàn)穩(wěn)定連接；可以構(gòu)建大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)場景，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的多方通信網(wǎng)絡(luò)體系。

1.2 5G技術(shù)的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的3G、4G技術(shù)，5G在多個方面都有了較大的提升：

（1）頻譜效率，頻譜資源屬于稀缺資源，隨著科技的發(fā)展，對頻譜資源的需求不斷增加，如何利用有限的頻譜資源滿足日益增長的需求成為科研工作者最重要的任務(wù)之一，5G移動通信技術(shù)采用小基站、新式天線、新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在優(yōu)化覆蓋、信號質(zhì)量的同時，還提升了頻譜效率，5G的頻譜效率要比4G提升10倍以上。

（2）容量，隨著4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，移動智能終端得到迅速的發(fā)展，而移動智能終端的發(fā)展帶來的是流量的爆發(fā)性增長，人流密集區(qū)域的容量問題已經(jīng)成為困擾通信工作者的難題。5G的超密集架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不但可以提高頻譜效率，同時也能大幅提升系統(tǒng)容量，而D2D通信技術(shù)可直接在終端之間進行數(shù)據(jù)交互，無需基站轉(zhuǎn)發(fā)，有效減輕基站壓力。在這些新技術(shù)的加持下，5G具有超大的網(wǎng)絡(luò)容量，可以提供千億設(shè)備的連接能力，能夠滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信需要。

（3）時延，端到端的時延是由傳輸路徑上的多段時延加和而成，僅靠優(yōu)化其中一段局部時延無法大幅降低傳輸時延，5G技術(shù)一方面大幅降低空口傳輸時延，另一方面減小網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點，使空口、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、核心網(wǎng)等不同層次相互配合，使網(wǎng)絡(luò)在低時延和可靠性上具有極高的水準(zhǔn)，為用戶提供毫秒級的端到端時延和高可靠性的業(yè)務(wù)保證，滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求。

（4）特殊場景，在移動通信技術(shù)的發(fā)展過程中，小區(qū)邊緣以及高速場景的網(wǎng)絡(luò)性能一直是困擾網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員的難題，5G連續(xù)廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率仍達到100Mbit/s，能夠滿足小區(qū)邊緣和高速移動客戶端的需求。

2 5G技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

2.1 車車通信

設(shè)備到設(shè)備通信（Device-to-Device Communication，D2D）是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，D2D通信是一種近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù)，會話數(shù)據(jù)可直接在終端之間傳輸，不需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，而相關(guān)的控制信令仍由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)。5G網(wǎng)絡(luò)引入D2D通信，可以有效減輕基站負(fù)擔(dān)，降低端到端的傳輸時延，降低終端發(fā)射功率。當(dāng)無線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞，或者在無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)，終端仍可借助D2D實現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

在城市軌道交通中，列車運行間隔是衡量列車控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，通信時延會導(dǎo)致車-地信息不同步，影響列車運行效率與運行安全，在實際生產(chǎn)中通常會增大列車運行間隔以保證安全。5G通信技術(shù)中引入了設(shè)備到設(shè)備通信技術(shù)，可以實現(xiàn)列車與列車之間的數(shù)據(jù)通信而無需經(jīng)過基站，這樣就大大降低了傳輸時延，在實際運行過程中可有效縮短列車運行間隔。并且，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，車車通信也能實時交互自身位置及狀態(tài)信息，保證列車安全運行。

2.2 自動駕駛

自動駕駛是城市軌道交通的發(fā)展方向，通過車載控制終端實現(xiàn)列車的自動駕駛，通過智能控制中心實現(xiàn)對列車群的行車計劃制定和運營管理。在列車駕駛過程中需要傳輸列車運行數(shù)據(jù)、控制命令以及一些語音調(diào)度和廣播信息，這些數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求不高，4G或WLAN即可滿足。但是實現(xiàn)列車自動控制所需的高清可視化視頻數(shù)據(jù)對傳輸速率和傳輸時延要求非常高，需要滿足列車運行環(huán)境的高清可視化視頻數(shù)據(jù)的高速、準(zhǔn)確傳輸，以確保列車運行的安全性能。

5G技術(shù)的峰值速率將達到Gbit/s的標(biāo)準(zhǔn)，在小區(qū)邊緣仍能達到100Mbit/s，完全滿足高清視頻數(shù)據(jù)的傳輸需求，使列車能夠?qū)崟r獲取前方列車運行狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，提高列車運行的安全性能。

2.3 智慧出行

智慧出行是城市交通的發(fā)展趨勢，城市軌道交通也應(yīng)該緊跟這個趨勢，向智能化、自動化邁進。高速率、低時延的5G通信技術(shù)可以使乘客隨時隨地查詢列車運行狀態(tài)、到站信息、人流密度、車流密度等信息，通過大數(shù)據(jù)感知乘客出行需求，合理推薦出行時間、路線等，提供精準(zhǔn)的一對一服務(wù)，從智能購票到無感知進站，從自動行程規(guī)劃到自動票務(wù)結(jié)算，覆蓋乘客地鐵出行的全流程，大幅提升城市軌道交通的服務(wù)水平，提高乘客出行滿意度。

2.4 智能維護

5G技術(shù)提供了設(shè)備到設(shè)備的通信方式，這樣可以使城市軌道交通中的某些有線通信設(shè)備直接改為無線通信，減少地面布線，降低了空間占用率，也減小了設(shè)備集中放置的需求，可以根據(jù)設(shè)備的性能將其放置在最適宜其工作的環(huán)境中，減少設(shè)備損耗，降低設(shè)備故障率。同時，由于設(shè)備放置更加靈活，對于日后的維護與修理也更加便利。

軌道交通的設(shè)備分布在車站、車輛段、線路上，數(shù)量多且分布廣，日常維護工作量大，依靠人工巡檢不但效率低而且易出錯。在海量設(shè)備上接入傳感器或監(jiān)控設(shè)備，構(gòu)建起智能維護體系，對全網(wǎng)設(shè)備進行實時監(jiān)控，上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)并反饋給控制中心，使工作人員第一時間發(fā)現(xiàn)問題并及時作出應(yīng)對措施，以保證列車運行安全。相較于4G網(wǎng)絡(luò)，5G技術(shù)能夠提供海量設(shè)備連接能力，使城軌交通實時監(jiān)控海量設(shè)備成為可能，大大降低了人員勞動強度和出錯概率，提高了系統(tǒng)的安全性能。

2.5 應(yīng)急防災(zāi)

城市軌道交通的安全管理綜合了視頻監(jiān)控、報警等多個子系統(tǒng)，針對不同現(xiàn)場綜合運算出最有效合理的處理方案和流程，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，系統(tǒng)能夠結(jié)合多維大數(shù)據(jù)，迅速發(fā)出報警，并給出應(yīng)急處理方案，從而保證地鐵運行安全、乘客出行安全。

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，列車發(fā)車間隔不斷縮短，自動化程度不斷提高，在這種情況下，地鐵安全防護系統(tǒng)需要在更短的時間內(nèi)對異常情況作出響應(yīng)，報警并輸出可能的問題及推薦的處理方案，5G通信技術(shù)可以提供足夠快的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足異常情況時短時間內(nèi)大量分析數(shù)據(jù)的傳輸需求，同時5G技術(shù)還提供足夠短的數(shù)據(jù)傳輸時延，使安全防護系統(tǒng)能最快速的作出響應(yīng)，尤其是在自動駕駛模式下，沒有司機現(xiàn)場分析處理，但卻需要在故障時迅速響應(yīng)，并在最短時間內(nèi)將大量現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)傳輸至防護系統(tǒng)，以便于工作人員能夠及時遠(yuǎn)程排查，保證列車運行效率與行車安全。

3 5G技術(shù)面臨的問題

雖然5G移動通信技術(shù)可以為城市軌道交通帶來極大的便捷，但目前5G還處在發(fā)展推廣階段，在實際運用時還存在一些問題：

（1）安全問題。國家沒有為5G分配專網(wǎng)頻率，這就意味著會有其他用戶共用網(wǎng)絡(luò)，雖然5G技術(shù)可以提供輕量級加密和網(wǎng)絡(luò)切片等安全技術(shù)，但這些技術(shù)能否滿足CBTC業(yè)務(wù)需求還有待研究；

（2）兼容問題。城市軌道交通對安全性能的高要求決定了其通信網(wǎng)絡(luò)要具備一定的兼容性，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展故障時可及時切換到備用網(wǎng)絡(luò)，以保證列車的安全穩(wěn)定運行。當(dāng)前多數(shù)已建或者在建城軌都已部署4G網(wǎng)絡(luò)，5G與4G的切換性能和時延是否能滿足城軌通信系統(tǒng)需要還有待驗證。

（3）質(zhì)量問題。5G技術(shù)采用超密集組網(wǎng)技術(shù)，這就意味著用戶與周邊多個基站距離相當(dāng)，這些小區(qū)的信號強度也相當(dāng)，相互間的干擾較大，易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)惡化。同時，超密集組網(wǎng)使用戶在移動時更易遇到小區(qū)邊界，容易發(fā)生頻繁切換而影響網(wǎng)絡(luò)感知。為了保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，需要根據(jù)城軌的環(huán)境及用戶特點，合理部署5G網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量能滿足列車安全運行的需求。

4 結(jié)語

5G移動通信技術(shù)的發(fā)展不僅能帶來更好的網(wǎng)絡(luò)和通訊體驗，其對于各行各業(yè)的智能化、自動化發(fā)展都起著積極的推動作用。對于城市軌道交通來說，5G技術(shù)能夠提高傳輸效率，降低傳輸損耗，實現(xiàn)綠色通信，為城市軌道交通的未來提供了新思路，對城市軌道交通的發(fā)展具有重要意義。

[1]楊斌山.5G通信技術(shù)在城市軌道交通中的運用[J].電子測試，2021（01）：131-132+96.

[2]才琳.城市軌道交通中的5G通信技術(shù)研究[J].中國新通信，2020，22（22）：1-2.

[3]專家圓桌：5G在城軌的應(yīng)用探索[J].城市軌道交通，2020（11）：42-47.

[4]曲璟.試談5G通信在城市軌道交通的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（30）：163-164.

[5]王博.“5G+城軌交通”，魅力在于無限想象[J].城市軌道交通，2020（09）：3.

[6]尤星.城市軌道交通中5G通信技術(shù)應(yīng)用研究[J].信息通信，2020（08）：258-259.

[7]李想.城市軌道交通中5G通信技術(shù)的運用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（24）：77-78.