5G在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用探討

摘要：在當(dāng)前時(shí)代背景下，無(wú)論是信息技術(shù)還是城市軌道建設(shè)，均處于良好發(fā)展?fàn)顟B(tài)，尤其是5G通信技術(shù)，能夠滿足日益增加的車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸需求?；诖?，為促進(jìn)城市軌道交通行業(yè)更好發(fā)展，本文對(duì)5G相關(guān)內(nèi)容及該行業(yè)的發(fā)展需求進(jìn)行研究，重點(diǎn)探討該通信技術(shù)的具體應(yīng)用，尤其是高速通信、端到端通信、大規(guī)模天線列陣等方面的應(yīng)用，并分析其應(yīng)用前景，以供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通行業(yè)? 5G技術(shù)? 高速率? 寬帶

Abstract： In the current era， both information technology and urban rail construction are in a good state of development. Especially for5G communication technology， it can meet the increasing demand for vehicle-local wireless communication data transmission. Based on this， in order to promote the better development of the urban rail transit industry， this article studies the 5G related content and the development needs of the industry， focusing on the specific application of the communication technology， especially the application of high-speed communication， end-to-end communication， large-scale antenna array， and analyzes its application prospects for reference.

Key Words： Urban rail transit industry; 5G technology; High speed; Broadband

以往城市軌道交通行業(yè)主要采用LTE-M技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)的傳輸，但是在行業(yè)不斷發(fā)展下，其承載寬帶已經(jīng)接近于極限。5G通信技術(shù)依托于其拓展性和高可靠性等特點(diǎn)，能夠有效滿足城市軌道交通行業(yè)在無(wú)線覆蓋、頻率及安全等方面的技術(shù)需求。因此，探討5G在城市軌道交通行業(yè)中的具體應(yīng)用及前景是必要的。

1.城市軌道交通行業(yè)發(fā)展需求

縱觀該行業(yè)發(fā)展過(guò)程中對(duì)無(wú)線通信的需求，主要涵蓋無(wú)線列車調(diào)度系統(tǒng)、列車控制、乘客信息系統(tǒng)及車輛監(jiān)控系統(tǒng)，除了這些車地?zé)o線應(yīng)用以外，車輛在途監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還需要借助無(wú)線車地傳輸通道。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等發(fā)展，這些都對(duì)城市軌道交通相關(guān)信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸所需的無(wú)線通信帶寬提出更高要求，這些應(yīng)用需求存在差異性，比如低功耗等。所以，從當(dāng)前城市軌道交通行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，需要使用一個(gè)適用性強(qiáng)、帶寬差異化大以及具有較高安全性的車地傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.探討城市軌道交通行業(yè)中5G的具體應(yīng)用

2.1高速通信方面的應(yīng)用

LTE-M是以往城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，但是在該行業(yè)不斷發(fā)展下，其承載寬帶逐漸不足，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還極易受到頻段限制，所以其運(yùn)作頻段為1785～1805MHz，但是這一頻段也無(wú)法實(shí)現(xiàn)百分之百的安全可靠保障，容易受到其他地區(qū)資源使用限制，因此，實(shí)際運(yùn)營(yíng)工作頻率為10MHz[1]。此外，為給信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳播功能的穩(wěn)定運(yùn)作提供保障，實(shí)際運(yùn)作時(shí)還會(huì)將寬帶分為兩種冗余方式，這樣一來(lái)，上行通信和下行通信吞吐量平均分別為3.3和8.4，在單路高清視頻小于4Mbit/s的情況下，這樣容量的寬帶無(wú)法滿足工作需求[2-3]。以某一區(qū)域?yàn)槔?，同一小區(qū)內(nèi)無(wú)論是通信傳輸還是圖像傳輸，均是以多列的狀態(tài)，多輛車輛一同開展，但是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)多列車輛進(jìn)行同時(shí)接收，且擴(kuò)展空間有限，這給信息數(shù)據(jù)傳輸造成較大影響。從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，相較于4G，5G下的頻率效率提升至5～10倍，而且，5G可以同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)，還可以添加HD錄像帶，這樣一來(lái)，線路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式得到優(yōu)化，為后期維護(hù)工作的展開提供有效支持。最后，在當(dāng)前時(shí)代背景下，5G的應(yīng)用率和普及率越來(lái)越高，城市軌道交通行業(yè)中5G的應(yīng)用，一方面能夠增強(qiáng)系統(tǒng)空間的拓展性，同時(shí)其相關(guān)設(shè)備占地空間較小，能夠保證空間改造與施工，另一方面減少城市鐵路周邊工程量，增強(qiáng)建設(shè)效益。

2.2端到端通信方面的應(yīng)用

為有效改善列車運(yùn)行老化，降低其運(yùn)行停止情況的發(fā)生概率，在CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)中，會(huì)將寬帶分為兩種冗余方式，這兩種通信網(wǎng)絡(luò)互相獨(dú)立與通信。雖然能夠滿足系統(tǒng)控制使用要求，但是在線路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與前期建設(shè)過(guò)程中，需要增加通信設(shè)備和工程費(fèi)，同時(shí)增強(qiáng)后期維護(hù)難度，整條線路的拓展性較差，不利于舊線路的改造。而5G在城市軌道交通行業(yè)應(yīng)用時(shí)，主要采取的方式是引進(jìn)裝備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信縱向間（D2D）通信技術(shù)[4-5]。所謂D2D通信技術(shù)，其主要為列車之間提供直接通信服務(wù)，尤其在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，無(wú)需經(jīng)過(guò)基站，列車之間可以很好地進(jìn)行位置信息、運(yùn)行情況的交互，有效保證了列車行車安全[3]。除此之外，5G應(yīng)用下的D2D通信技術(shù)還能夠?qū)⒘熊囍g的通信等待時(shí)間縮短，增強(qiáng)通信可信度。此外，為更好滿足城市軌道交通通信需求，可以將D2D通信技術(shù)為核心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組織，將終端作為通信中間媒介，以此保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作效率，避免出現(xiàn)斷連等情況下，提升通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠性。

2.3大規(guī)模天線列陣方面的應(yīng)用

所謂大規(guī)模天線列陣是以多用戶波束成形原理為基礎(chǔ)，通過(guò)進(jìn)行多條天線的布置，并對(duì)目標(biāo)接收機(jī)進(jìn)行波束調(diào)制，在空間信號(hào)隔離的情況下，可以在統(tǒng)一頻率資源上同時(shí)進(jìn)行幾十條信號(hào)的傳輸，有效提升了頻帶資源的利用率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量大幅度提升。通過(guò)將大規(guī)模天線列陣應(yīng)用于城市軌道交通中，主要是為了緩解大規(guī)模設(shè)備準(zhǔn)入問(wèn)題，尤其是鐵路相關(guān)設(shè)備，同時(shí)通過(guò)光敏將列車干涉阻力增強(qiáng)，并利用波束賦形實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行軌跡的動(dòng)態(tài)跟蹤，為相關(guān)監(jiān)控、管理工作提供便利，增強(qiáng)列車運(yùn)行的安全可靠性[6]。

2.4超密集組網(wǎng)方面的應(yīng)用

在5G網(wǎng)絡(luò)通信帶日益擴(kuò)大的背景下，該網(wǎng)絡(luò)下能夠進(jìn)行更多流量的傳送，并支持很多無(wú)線裝置。在將海量用戶超密集組網(wǎng)應(yīng)用于城市軌道交通行業(yè)后，可以將地面有線和車輛有線連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一部分進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體系中電線分散部署設(shè)備占有率，不僅增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和系統(tǒng)的靈活性，還有利于設(shè)備安裝及后期維護(hù)等工作。此外，為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和安全性，可以利用該組網(wǎng)的可拓展性增設(shè)防盜設(shè)備和智能傳感器設(shè)備，并優(yōu)化在線數(shù)據(jù)分析，利用車載設(shè)備數(shù)據(jù)和線路旁設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時(shí)分析潛在問(wèn)題，獲得準(zhǔn)確、及時(shí)數(shù)據(jù)反饋，便于控制中心獲得第一信息，進(jìn)一步增強(qiáng)列車行駛安全性和可靠性。另外，通過(guò)5G技術(shù)對(duì)大容量的支持與適用性，還能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供符合裝置特性的帶寬，以及系統(tǒng)、人員的安全認(rèn)證，極大地滿足了城市軌道交通行業(yè)發(fā)展要求。

2.5綠色通信的應(yīng)用

近幾年，在我國(guó)社會(huì)發(fā)展水平、技術(shù)普及率不斷提高的背景下，通信技術(shù)發(fā)展過(guò)程中難免出現(xiàn)資源浪費(fèi)問(wèn)題，城市軌道交通行業(yè)作為我國(guó)發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)，在其發(fā)展過(guò)程中應(yīng)注重對(duì)周圍環(huán)境、生態(tài)文明建設(shè)的積極影響。相較于其他通信網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)能夠以持續(xù)化的狀態(tài)優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以此降低能源消耗，避免資源過(guò)多浪費(fèi)。尤其是列車之間的綠色通信，通過(guò)在城市軌道交通中應(yīng)用5G，能夠?qū)ζ渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)現(xiàn)有資源以及待投入資源進(jìn)行合理調(diào)整與科學(xué)部署，依托于城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行效率的提升降低其資源、通信能量損耗，以此實(shí)現(xiàn)綠色通信，推動(dòng)城市軌道交通健康、可持續(xù)發(fā)展。此外，在城市軌道交通系統(tǒng)還涵蓋安全防護(hù)、監(jiān)控及報(bào)警等子系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用5G，能夠科學(xué)降低車輛發(fā)車間隔，極大地提高其載客量，滿足人們?nèi)粘３鲂行枨蟮耐瑫r(shí)，提高運(yùn)作效率。同時(shí)，為安全防護(hù)等子系統(tǒng)作用的發(fā)揮提供支持，如5G充足的網(wǎng)絡(luò)帶寬能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)問(wèn)題處理提供便利，提升問(wèn)題處理效率，并實(shí)時(shí)傳達(dá)監(jiān)控圖像和視頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車緊急事件的快速處理[7-8]。

3.分析城市軌道交通行業(yè)中5G的應(yīng)用前景

3.1技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

從其無(wú)線通信發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，主流無(wú)線技術(shù)是車地?zé)o線傳輸技術(shù)，生命周期較長(zhǎng)，可靠性較高，以鐵路這一交通形式為例，其最早的通信信道為450MHz模擬專用信道，采用的無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)，在4G出現(xiàn)后主要應(yīng)用LTE。從歷史發(fā)展規(guī)律來(lái)看，5G通信技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越大，城市軌道交通行業(yè)正向多業(yè)務(wù)整合的方向發(fā)展，從以往的CBTC、TETRA、IEEE 802.11、對(duì)講機(jī)各自獨(dú)立運(yùn)作的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)TE-M、無(wú)線局域網(wǎng)和TETRA整合的模式發(fā)展，且智能化水平和安全可靠性也越來(lái)越高。

從歷史發(fā)展規(guī)律來(lái)看，5G通信技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越大，城市軌道交通行業(yè)正向多業(yè)務(wù)整合的方向發(fā)展，從以往的CBTC、TETRA、IEEE 802.11、對(duì)講機(jī)各自獨(dú)立運(yùn)作的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)TE-M、無(wú)線局域網(wǎng)和TETRA整合的模式發(fā)展，且智能化水平和安全可靠性也越來(lái)越高。此外，5G的頻點(diǎn)為毫米波段，這意味著城市軌道交通行業(yè)中需要引入大量的接入設(shè)備，并根據(jù)線路實(shí)際情況進(jìn)行部署，因此，波導(dǎo)管技術(shù)因其良好傳播特性成為微波頻段主要使用的技術(shù)，便于后期管理與維護(hù)。

3.2基于行業(yè)需求分析發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)論是CBTC還是PIS，其數(shù)據(jù)都分為四大類，分別為安全、語(yǔ)音、非安全和圖像信息數(shù)據(jù)。在社會(huì)發(fā)展水平提高、人們生活質(zhì)量改善的情況下，人們?nèi)粘３鲂袑?duì)交通工具安全性和舒適性提出更高要求，這使得這幾類信息的數(shù)據(jù)量增加，相應(yīng)的，帶寬需求上升。目前能夠滿足其日益增長(zhǎng)的帶寬需求的通信技術(shù)只能是5G，該通信技術(shù)不僅具有大容量帶寬，還具有極強(qiáng)的可拓展性，不僅能夠滿足當(dāng)前城市軌道交通行業(yè)發(fā)展需求，還能夠滿足未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)帶寬、數(shù)據(jù)傳輸效率等方面的要求。因此，雖然現(xiàn)有LTE-M是車地傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)，但在將來(lái)5G勢(shì)必會(huì)取代LTE-M成為新的主流技術(shù)[9-10]。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)憑借其高速率、大連接和低時(shí)延的特點(diǎn)能夠很好優(yōu)化城市軌道交通的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)深入研究5G技術(shù)在該行業(yè)中的應(yīng)用，科學(xué)應(yīng)對(duì)流量和信息數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，緩解其帶寬不足的問(wèn)題，從而促進(jìn)城市軌道交通行業(yè)更好發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]魏英華.去蜂窩大規(guī)模多天線系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用分析[J].科學(xué)與信息化，2021（8）：146-147.

[2] 李佳寧，蔡曉蕾，鄭軍.5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在城市軌道交通的無(wú)線覆蓋[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2020（8）：125-128.

[3] 藺偉，李毅.軌道交通移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展分析及建議[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（9）：1-8.

[4] 趙馳.基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在城市軌道交通建設(shè)工程中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2021，24（1）：169-174.

[5] 農(nóng)興中，史海歐，袁泉，等.城市軌道交通工程BIM技術(shù)綜述[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，56（3）：451-460，封2.

[6] 劉杰，陳錦渠，彭其淵，等.城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)可靠性和運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量評(píng)估[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，56（2）：395-402，450.

[7] 李福民，宗傳苓，高龍.對(duì)城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)的思考[J].城市交通，2021，19（2）：1-6.

[8] 萬(wàn)丹，郭倩，鄧良凱，等.城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性對(duì)比研究[J].城市軌道交通研究，2021，24（1）：60-64.

[9] 劉福華，殷勇，陳錦渠.突發(fā)事件下的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)彈性評(píng)估[J].都市快軌交通，2021，34（2）：146-151.

[10] 張博，余曉君，衛(wèi)建芳，等.城市軌道交通5G虛擬專網(wǎng)建設(shè)方案研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47（5）：19-24.

與系統(tǒng)內(nèi)保持一致，是否為通信作者，是的話要補(bǔ)充郵箱

作者簡(jiǎn)介：聶冰花（1988—），女，碩士，知識(shí)產(chǎn)權(quán)師，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。?[林1]

3774501908261