5G通信技術(shù)在城市軌道交通中的運用分析

李麗萍　馮曉芳　張文超

【摘要】? ? 5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的科研和應(yīng)用對快速發(fā)展的城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施具有一定的積極作用。5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提高系統(tǒng)效率，降低能量損耗，進(jìn)一步降低部分成本。完成了我國倡導(dǎo)的節(jié)能降耗、綠色通信。對后續(xù)城市軌道交通的設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施和運營都有非常重要的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵字】? ? 5G? ? 城市軌道交通

一、5G技術(shù)簡述

1.1 5G詳細(xì)介紹

隨著移動通信技術(shù)要求的不斷提高，新一代移動通信技術(shù)體系——5G將在未來兩年內(nèi)逐漸商用。屆時，按照以往發(fā)展的規(guī)律，5G將在幾個層面的特性上取得進(jìn)步，特別是頻段利用率和能耗水平將大幅提升，促使傳輸速度和資源利用率出現(xiàn)一個數(shù)量級的提升。此外，5G在傳輸時延、穩(wěn)定性、安全系數(shù)、覆蓋能力等方面都會有很大的提升。5G移動通信技術(shù)體系的主要用途也將進(jìn)一步擴(kuò)大，將增強(qiáng)端到端（D2D，Device-to-Device）通信的作用，同時提高對大量數(shù)據(jù)以及機(jī)器對機(jī)器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支持能力，進(jìn)而推動未來物聯(lián)網(wǎng)總體目標(biāo)的完成。5G不僅讓用戶體驗更好，而且可以滿足大量領(lǐng)域和不同用途的特殊要求。

1.2技術(shù)優(yōu)勢

根據(jù)目前的研究成果，5G將通過多種新技術(shù)、新方法來改善互聯(lián)網(wǎng)的特性，擴(kuò)大互聯(lián)網(wǎng)的作用，如高頻數(shù)據(jù)通信、大規(guī)模陣列天線、新型接入技術(shù)、新型多載波通信技術(shù)、雙工、D2D通信、聚合互聯(lián)網(wǎng)、新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)等技術(shù)特征。根據(jù)這個技術(shù)性，完成從4G互聯(lián)網(wǎng)到5G互聯(lián)網(wǎng)的飛躍。5G還增強(qiáng)了D2D通信的作用。它是一種設(shè)備到設(shè)備的直接通信技術(shù)，可以緩解通信基站的壓力，減少通信延遲。與蜂窩通信相比，D2D通信僅占用一半的頻段資源。此外，對于距離較近的用戶，使用D2D通信可以降低傳輸輸出功率，節(jié)約能源消耗。

此外，5G在安全系數(shù)和穩(wěn)定性方面也明確提出了更高的規(guī)定。5G的關(guān)鍵特性提升有利于提升城市軌道交通通信系統(tǒng)的特性。

二、城市軌道交通通信

2.1通訊網(wǎng)絡(luò)

傳輸系統(tǒng)是軌道交通通信系統(tǒng)中的骨干系統(tǒng)。各種信息通過傳輸系統(tǒng)傳輸，如：各種生產(chǎn)調(diào)度電話、國家公務(wù)、部門、站間電話的視頻和語音信息監(jiān)控中心的視頻和語音信息;從監(jiān)控中心到各地鐵站的自動檢票（AFC）、辦公系統(tǒng)（OA）等;視頻和語音，運行信息，從監(jiān)控中心到各地鐵站的電視監(jiān)控視頻信息，以及其他一些操作信息。傳輸系統(tǒng)選用以光纖通信系統(tǒng)為主的傳輸材料。一般每個地鐵站、地下停車場、車站、監(jiān)控中心都設(shè)置一套傳輸連接點和連接設(shè)備，并根據(jù)兩側(cè)的光纜形成一個完整的光纖環(huán)網(wǎng)。如果部分信息被終止，就會影響列車的運行，甚至威脅到安全駕駛。在基于無線通信的CBTC系統(tǒng)中，監(jiān)控中心與區(qū)域控制板（ZC）之間的通信是基于標(biāo)準(zhǔn)化的、對外開放的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過802.3有線網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2無線通訊

在城市軌道交通通信系統(tǒng)中，除數(shù)據(jù)和信息的傳輸基于有線電視傳輸媒體外，其他子系統(tǒng)均基于無線通信。無線網(wǎng)絡(luò)集群通信系統(tǒng)在城市軌道交通通信系統(tǒng)中發(fā)揮了非常重要的作用。它是生產(chǎn)調(diào)度和驅(qū)動程序之間可靠的通信方式。同時，它也完成與移動中的工人和救援人員的溝通。該系統(tǒng)在保障行車安全、解決突發(fā)和意外安全事故方面具有不可替代的作用。

在實際應(yīng)用中，基于通信的列控系統(tǒng)（CBTC）早已成為城市軌道交通列車數(shù)據(jù)信號控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制系統(tǒng)。其中，列車攔截設(shè)備必須將列車自主測得的即時速度信息傳送到軌旁設(shè)備，并??發(fā)送至調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度系統(tǒng)是根據(jù)前車與車輛的距離和前后、左右列車的速度信息進(jìn)行調(diào)度。并將計算出的列車速度曲線圖傳回列車。為此，列車運行是為了確保列車的安全。

2.2.1車地通信

基于4g的TD-LTE移動通信技術(shù)的技術(shù)性質(zhì)上，在20MHz頻段網(wǎng)絡(luò)帶寬下，上下行100Mbit/s可以給予最大50Mbit/s管道速度的前提下，CBTC系統(tǒng)是每列選擇安裝上/下組控制信息和業(yè)務(wù)流程寬帶網(wǎng)絡(luò)要求均為0.5Cbit/s?，F(xiàn)在使用的4g暫時可以滿足列車的要求，但是隨著城市軌道交通CBTC系統(tǒng)自動駕駛技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，每列列車都安裝了數(shù)據(jù)信號系統(tǒng)，用于上下班組控制信息業(yè)務(wù)流程網(wǎng)絡(luò)帶寬要求會達(dá)到1Mbit/s，甚至更多。這樣一來，就必須減少同一互聯(lián)網(wǎng)上的列車總數(shù)或提高互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋水平。

2.2.2車對車通信

隨著無線通信的發(fā)展，已有的一些學(xué)者明確提出了一種基于車對車通信的新型CBTC系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CBTC相比，車對車通信減少了軌旁子系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)中的socket總數(shù)。這降低了系統(tǒng)的多樣性，但這需要列車根據(jù)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)連接點（AP）實時向同一個網(wǎng)絡(luò)通信提交自己的行車信息（一個可存儲為路線上的火車行駛信息的數(shù)據(jù)庫）。其他列車可以即時從網(wǎng)上下載這些信息，然后利用這些信息來區(qū)分自己在攔截設(shè)備上應(yīng)該以何種速度行駛，從而移動和攔截，并自動調(diào)整列車之間的距離。通訊方案可以減少信息傳輸?shù)木嚯x，但也明確提出了更多的網(wǎng)絡(luò)通訊樞紐要求。

三、5G在城市軌道交通中的應(yīng)用

3.1無線數(shù)據(jù)傳輸

現(xiàn)階段城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)應(yīng)用的頻率范圍為1785～1805MHz，但受限于各地區(qū)頻率資源的應(yīng)用，一般只允許其中的10MHz網(wǎng)絡(luò)用于城市軌道交通。充分考慮數(shù)據(jù)信號系統(tǒng)的可靠要求，將10MHz的網(wǎng)絡(luò)帶寬劃分為A、B雙網(wǎng)（5CHZ）進(jìn)行通信。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，測量單一網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和單一泄漏電纜條件下的數(shù)據(jù)信息傳輸。

一方面，5G利用多種技術(shù)提高頻段的效率，在原有網(wǎng)絡(luò)帶寬下提供更高的通信速度。另一方面，使用更高的頻段可以減少頻段資源焦慮的現(xiàn)狀，完成極快、極短的Route通信。全面多樣的技術(shù)改進(jìn)，5G互聯(lián)網(wǎng)與4G互聯(lián)網(wǎng)相比，頻段效率提升了5-10倍。根據(jù)當(dāng)前檢測速度，當(dāng)前上下行平均通信速度可以提高到18.5～37Mbit/s，通信速度可以降低。增加到42～84Mbit/s。

這樣，不僅單個網(wǎng)絡(luò)能夠全面安裝當(dāng)前所有的業(yè)務(wù)流程，還可以提升多路超清視頻，滿足海量業(yè)務(wù)流程的需求，不僅簡化了業(yè)務(wù)流程的復(fù)雜性。新的線路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，也降低了維護(hù)難度系數(shù)提高。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)綜合承載能力的提高，軌旁設(shè)備的工程建設(shè)和安裝逐漸減少，有利于滿足建設(shè)周期短、相對有限的長線項目的改造需求。

3.2低延遲、高可靠性

跟蹤距離確保列車以一定的間隔在路線上相互交互。它不僅是考慮列車運行控制系統(tǒng)特性的重要指標(biāo)值之一，也是保證高運行效率的關(guān)鍵參考。無線通信是CBTC系統(tǒng)完成小距離跟蹤的基礎(chǔ)，通信延遲時間是整個無線通信過程中普遍存在的不足，會導(dǎo)致車輛攔截和道路設(shè)備信息應(yīng)用不同，穩(wěn)定性降低，并跟蹤列車之間的距離，操作安全和高效率造成影響。

根據(jù)不同的通信延遲，已知以下列車跟蹤間隔和最佳速度值。在無通信延遲的理想條件下，列車跟蹤間隔為33.06s。當(dāng)延遲為200ms時，列車跟蹤間隔為38.27s。

使用5G技術(shù)，可以將端到端時延降低到1ms以內(nèi)，這將進(jìn)一步縮短操作間隔，使虛連接和編隊操作成為可能。此外，減少了通信延遲，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高操作安全性。

3.3端到端通信

現(xiàn)階段，根據(jù)CBTC的列控系統(tǒng)，為了更好地避免因軌旁計算機(jī)設(shè)備常見故障導(dǎo)致列車降級或停止運行，列車運行路線設(shè)計方案A和B與對方的列車獨立網(wǎng)絡(luò)通信。但是，大量的通信設(shè)備必須安裝在軌道旁，增加了基建成本，增加了施工周期，也增加了中后期運維難度系數(shù)，不利于長期航線的更新改造。

此外，D2D通信技術(shù)將生態(tài)系統(tǒng)理論和多跳技術(shù)應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)上，即與機(jī)器設(shè)備相連的終端設(shè)備可以作為互聯(lián)網(wǎng)的無線中繼，為其他機(jī)器設(shè)備提供通信鏈路，使整個互聯(lián)網(wǎng)由于某些部分的數(shù)據(jù)信號較弱或受到影響，或通信基站的常見故障導(dǎo)致無法通信，從而使整個互聯(lián)網(wǎng)變得更加健壯。這種技術(shù)性可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。

D2D通信技術(shù)為列車頭尾通信提供了一種新的方式。過去，列車的前后截斷控制板必須鋪設(shè)直通線才能進(jìn)行通信，增加了舊線路更新改造的難度系數(shù)。D2D技術(shù)使前后端車輛攔截控制板基于無線網(wǎng)絡(luò)方式即時通信，無需通過車地互聯(lián)網(wǎng)，無需鋪設(shè)首尾直通線路進(jìn)行通信。同時，減少了工程建設(shè)更新改造的周期時間。也方便了汽車中后期的保養(yǎng)。D2D通信技術(shù)為地鐵車站設(shè)計、基礎(chǔ)建設(shè)、運營維護(hù)提供了更加便捷的通信方式。

3.4海量用戶超聚合組網(wǎng)

隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的顯著增加，5G互聯(lián)網(wǎng)可以安裝大量的業(yè)務(wù)流程，同時允許許多無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和通信。目前，部分用于汽車攔截、道路有線電視連接組網(wǎng)的設(shè)備可以改為無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，從而減少大量布線，同時設(shè)備可以靈活放置在各處，從而減少需要一個大的空間。放置設(shè)備的要求也有利于設(shè)備的安裝和維護(hù)。

為了更好的提高系統(tǒng)的安全系數(shù)和穩(wěn)定性，可以適當(dāng)改進(jìn)傳感網(wǎng)設(shè)備和監(jiān)管設(shè)備，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)，實時采集車輛攔截設(shè)備和軌旁設(shè)備，在線數(shù)據(jù)分析，及時處理常見設(shè)備故障和潛在問題，并及時反饋給監(jiān)控中心及相關(guān)工作人員，第一時間獲取準(zhǔn)確信息內(nèi)容，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保障列車安全高效運行。

以上這種業(yè)務(wù)流程會遇到很多終端設(shè)備接入困難。

3.5大規(guī)模無線天線陣列

大規(guī)模無線天線陣列有望用于5G互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)無線天線的空分特性，相同的時頻資源可以同時服務(wù)多個用戶，不僅可以提高頻段的效率，還可以提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于光束賦性使光束擴(kuò)散具有一定的特異性，因此還可以利用該特征間接獲取列車的大致位置，輔助區(qū)分旅客列車的位置，跟蹤列車的運動軌跡及地面段等空間開闊的場景應(yīng)用。

3.6綠色通訊

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信的能耗問題越來越嚴(yán)重。世界各國對通信節(jié)能降耗水平制定了不同的指標(biāo)值規(guī)定。城市軌道交通行業(yè)響應(yīng)當(dāng)前國家政策，積極優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低能耗。

5G基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)部署、資源生產(chǎn)調(diào)度、鏈路級技術(shù)等的改進(jìn)提高系統(tǒng)運行效率，減少傳輸中的能量損失，達(dá)到提高能效和成本效益的總體目標(biāo)。為完成節(jié)能降耗，綠色通信提供了技術(shù)基礎(chǔ)，對未來城市軌道交通的基礎(chǔ)建設(shè)和運營具有一定的吸引力。

四、結(jié)束語

5G通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用，是推動城市軌道交通以更加自動化技術(shù)、智能化系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、綠色發(fā)展的核心技術(shù)，可以合理提高城市軌道交通通信的協(xié)調(diào)能力、時效性和完整性。

對此，在實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略中，結(jié)合5G通信技術(shù)的認(rèn)知能力，對其在城市軌道交通中應(yīng)用的可行性分析，以及不斷的產(chǎn)品開發(fā)和實踐，推動其在交通通信領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的必要性和重要性。