5G移動通信技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

徐州地鐵運營有限公司 劉曉舟

近年來，隨著我國科技水平的不斷提高，5G移動通信技術(shù)已逐步擴展到各個領(lǐng)域。作為交通運輸業(yè)發(fā)展的一個重要方面，城市軌道交通必須得到有效的管理，借助5G移動通信網(wǎng)絡(luò)推動其發(fā)展，借助5G通信技術(shù)，可以加快城市軌道交通系統(tǒng)的不斷完善和建設(shè)，提高通信效率，保證正常運營。然而，目前5G技術(shù)的應(yīng)用只是其中的一部分，其優(yōu)勢有待深入研究和完善。根據(jù)研究結(jié)論，5G技術(shù)被應(yīng)用于軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中解決了使用WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)容易受到外部因素的干擾，在高速列車運行過程中容易產(chǎn)生丟失包。5G技術(shù)應(yīng)用于軌道交通為道路探索提供了理論基礎(chǔ)。

城市軌道交通系統(tǒng)過去主要采用4G通信技術(shù)，但隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)和普及已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。5G移動通信技術(shù)本身所具有的優(yōu)勢使得其與其他技術(shù)互相結(jié)合，提高相關(guān)技術(shù)的可行性與優(yōu)勢。隨著軌道交通建設(shè)規(guī)模和承載力的不斷擴大，對車地通信系統(tǒng)需求也在不斷增加。車地通信系統(tǒng)在5G移動通信技術(shù)的加持下，將過去的一些問題進行完善，充分提高了車地通信系統(tǒng)的高效性與安全性，使日常服務(wù)更加流暢。

1 5G移動通信技術(shù)概述

5G移動通信技術(shù)正逐步推廣開來，優(yōu)點可佳，用處廣泛，是新一代通信技術(shù)。5G移動通信技術(shù)的頻譜利用率和能源效率將大大提高，從而有效提高傳輸速率和資源利用率。此外，5G還將提高其傳輸時延、可靠性、安全性和覆蓋率等性能，進一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，促進未來萬物互聯(lián)目標的實現(xiàn)。5G技術(shù)與其他技術(shù)相互疊加，不僅發(fā)揮出自身的優(yōu)勢作用，還會使其他技術(shù)更好地滿足相應(yīng)的要求，更好地實現(xiàn)其工作性能。目前，5G移動通信技術(shù)正與城市軌道交通相結(jié)合，優(yōu)化城市軌道交通服務(wù)性能。5G技術(shù)在具體應(yīng)用過程中比4G技術(shù)有更好的技術(shù)能力，可以集成和轉(zhuǎn)換多種技術(shù)。此外，如果兩個相對較近的用戶可以通過D2D通信功能降低能耗。5G通信技術(shù)也在向穩(wěn)定化方向發(fā)展，這些通信技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，可以有效地保證城市軌道交通技術(shù)的進一步發(fā)展。

5G移動通信技術(shù)雖然優(yōu)點顯著，成果喜人，但是一項尚未大規(guī)模應(yīng)用的前沿技術(shù)，在實際應(yīng)用中需要進一步研究：（1）在5G技術(shù)應(yīng)用過程之中，大型天線將導(dǎo)致大量設(shè)備投資，這需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇價格低但是質(zhì)量效果顯著的設(shè)備，然而選擇性價比高的設(shè)備需要嚴格把控質(zhì)量；（2）5G移動通信技術(shù)下對于信息的防護將面臨重大的問題。5G移動通信技術(shù)下，信息不僅傳遞速度快，而且信息傳遞的準確率也大幅提升，這將會使信息泄露問題更為顯著[1]。

城市軌道交通由于其載客量大，需要對其安全性格外重視，針對乘客狀態(tài)、列車運行情況等進行有效監(jiān)控，保證車地?zé)o線通信系統(tǒng)的有效發(fā)揮。在5G移動通信技術(shù)下，車地?zé)o線通信系統(tǒng)的各個方面性能得到不同程度的優(yōu)化與提升。5G技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通并非完全代替4G、3G、2G等技術(shù)，而且?guī)追N技術(shù)共同結(jié)合使用。其中，許多技術(shù)升級為5G保證不同類型用戶共同存在，之后再像全面5G技術(shù)過渡。

2 5G移動通信技術(shù)應(yīng)用特點

2.1 高傳輸速率

移動通信經(jīng)過多年的發(fā)展，從接打電話和短信發(fā)展到接收圖片，再到視頻通話。5G移動通信技術(shù)的出現(xiàn)，使得下載質(zhì)量與下載速度提高甚多，這對5G移動通信技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合提供了有效的思路。將5G技術(shù)應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域也初現(xiàn)端倪，特別是對于一些高延遲問題將得到有效地解決。擴大5G技術(shù)的應(yīng)用范圍，通過5G技術(shù)高傳輸速率的特點，極大的滿足人們的通信需求。

2.2 利用率高

5G技術(shù)可以有效地整合和創(chuàng)新各個領(lǐng)域和行業(yè)的各種技術(shù)。例如將5G移動通信技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通，不僅可以使其更加便捷高效，而且有助于提高其安全性，這使得各種設(shè)備之間的傳輸速度更快。5G移動通信技術(shù)與各種技術(shù)相疊加，滿足了各行各業(yè)應(yīng)用對信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘枨?，提高了傳輸效率，為各行各業(yè)注入了新的活力，推動中國通信技術(shù)的未來發(fā)展[2]。

2.3 虛擬化功能突出

5G技術(shù)擁有強大的虛擬功能，將對虛擬化場景的應(yīng)用提供最有效的支持?；?G技術(shù)的VR功能更好的滿足人們身臨其境的感覺，無論是在VR游戲、VR觀影還是VR仿真中，都將提供最契合人們視覺與聽覺的場景。主要使用計算機模擬虛擬環(huán)境，給人一種真實的感覺，就像置身其中一樣，讓人們沉浸在虛擬世界中。近年來，虛擬現(xiàn)實是一個熱門話題，又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)?？梢钥吹礁鞣N百貨公司都有體驗廳，可以選擇各種場景，戴上虛擬現(xiàn)實眼鏡和設(shè)備，感受真實的虛擬世界，實現(xiàn)了虛擬和現(xiàn)實之間的各種轉(zhuǎn)換。

2.4 云服務(wù)效果顯著

疫情防控期間遠程辦公的普及將繼續(xù)加速云應(yīng)用程序的部署。在5G移動通信技術(shù)下，將部署更多云端服務(wù)以適應(yīng)新的日常業(yè)務(wù)，提供更大的數(shù)據(jù)存儲容量以促進在線業(yè)務(wù)的持續(xù)增長，以及提供更強大的云端系統(tǒng)以應(yīng)對未來的醫(yī)療危機。5G技術(shù)推動了靈活的云端基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、多云解決方案和萬物互連的需求。以數(shù)據(jù)為中心的云服務(wù)的發(fā)展將為內(nèi)存和存儲帶來巨大的提升，使得數(shù)據(jù)的保存與管理更加完善、高效與安全。

3 車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)

在城市軌道交通系統(tǒng)中，車輛監(jiān)控視頻對司機室和列車內(nèi)部進行監(jiān)控。目前，這些存儲在車載服務(wù)器上的日志文件是在列車運行結(jié)束后由運營商人工保存的，運行效率低，安全性差。為了適應(yīng)車載PIS高清視頻和車載視頻的發(fā)展，以及遠遠超過現(xiàn)有WLAN帶寬要求的城市軌道交通自動日志恢復(fù)，LTE網(wǎng)絡(luò)的承載能力和動態(tài)運營模式要求實現(xiàn)車載視頻和車載日常視頻自動實時回傳，可以滿足視頻等大數(shù)據(jù)量信息傳輸業(yè)務(wù)的帶寬和速度要求。

4 車地?zé)o線通信技術(shù)

4.1 LET技術(shù)

基站和移動臺必須在一定時期內(nèi)保持一致，才能順利開展工作。可以根據(jù)上下行數(shù)據(jù)的大小動態(tài)分配上下行數(shù)據(jù)，從而在不同時發(fā)送的情況下提高信道利用率。LET技術(shù)可以提高信號的通信能力，增強信息傳遞的效率與穩(wěn)定性。LET技術(shù)在軌道交通車地?zé)o線通信干擾問題中得到充分的發(fā)揮。將傳統(tǒng)技術(shù)中容量小、傳輸距離長、頻帶寬的問題進行優(yōu)化處理。LET技術(shù)是采用的分組傳輸，其優(yōu)勢在于覆蓋范圍相對較廣，傳輸速率也趨于提高。在抗干擾方面，由于其結(jié)構(gòu)比較完善，技術(shù)完成升級，所以抗干擾能力強。在軌道交通高速運行下，也可以進行數(shù)據(jù)的高速處理與傳輸，并且延時短暫。LET技術(shù)中的時分雙區(qū)系統(tǒng)是一種時間分離的信息信道。在高速運行過程中，列車需要不斷地選擇和關(guān)聯(lián)區(qū)間內(nèi)的新AP。然而，列車的高速運行往往會導(dǎo)致信號連接的嚴重延遲。

LET技術(shù)的維護也做到了精簡方便，基站和核心網(wǎng)組成的LET系統(tǒng)在維護時比較容易，相對傳統(tǒng)的技術(shù)而言，省時省力。LET系統(tǒng)還具有高效的QOS保障機制，在延時方面，傳輸速率方面以及數(shù)據(jù)丟包方面都可以通過QOS保障機制進行嚴格保證。

4.2 WLAN技術(shù)

傳統(tǒng)的車地?zé)o線通信技術(shù)主要采用WLAN技術(shù)（無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)），此技術(shù)經(jīng)過多年的優(yōu)化提升，已經(jīng)趨于成熟，然而隨著時間的推移以及新技術(shù)的出現(xiàn)，WLAN技術(shù)也將面臨著考驗。尤其是隨著5G移動通信技術(shù)的出現(xiàn)，WLAN技術(shù)的不足也初現(xiàn)端倪。在城市軌道交通中采用WLAN技術(shù)基本能滿足多項需求，其中IEEE802.11標準，帶寬普遍為10Mb/a，傳輸性能良好。但是在軌道交通發(fā)展過程中，增加了許多業(yè)務(wù)需要更加完善高效的技術(shù)，此時WLAN技術(shù)略顯疲沓，不能很好的滿足于各種需求。帶寬受限、覆蓋率低、干擾強等問題可能會導(dǎo)致車地?zé)o線通信受阻而產(chǎn)生斷開的情況，對交通安全產(chǎn)生嚴重的影響。

5 5G移動通信技術(shù)應(yīng)用于車地?zé)o線通信系統(tǒng)

城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要解決高速移動和大容量傳輸需求的問題。綜合考慮車地?zé)o線通信系統(tǒng)對傳輸帶寬、安全性、可靠性的要求。特別是在高速線路上，由于列車運行速度快，應(yīng)充分考慮多普勒頻率的影響。LTE、WLAN和5G技術(shù)可以滿足高速移動轉(zhuǎn)換。從項目實施的角度出發(fā)，通過對每條線路的頻率規(guī)劃，選擇適合每條線路的軌道交通無線方案。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，5G作為技術(shù)發(fā)展方向，可以為軌道交通寬帶通信系統(tǒng)提供可靠保障。該系統(tǒng)可以提供大容量的帶寬，為智能軌道交通的建設(shè)提供基本的傳輸通道，為后續(xù)的智能化提供基礎(chǔ)[3]。

5.1 采用5G的LET技術(shù)

與城市軌道4G純網(wǎng)絡(luò)的LET系統(tǒng)相比，5G城市軌道網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢尤為顯著。（1）更高的速度可以滿足相應(yīng)需求。無人駕駛線路需要更高的速率，但是4G系統(tǒng)無法滿足其需要。而且在視頻監(jiān)控、維護業(yè)務(wù)等方面，無法完成列車運營相關(guān)業(yè)務(wù)的需求。5G技術(shù)具有更高的傳輸速率，更好地滿足相關(guān)需求。（2）5G技術(shù)使得列車運行控制系統(tǒng)具有較低的延時。5G的低時延特性滿足列車運行控制系統(tǒng)的要求。（3）互連特性有助于業(yè)務(wù)的擴展。5G的互連特性決定了城市軌道的互連特性。它可以用于實時遠程監(jiān)控，降低傳感器和處理器成本，適用于智能操作。（4）還可以用于建設(shè)有5G定位人員和設(shè)備的智能建筑工地。5G通信的低延遲可以真實再現(xiàn)數(shù)字鏡像或模擬實際操作系統(tǒng)的各種場景，實現(xiàn)故障診斷和預(yù)測，保證城市軌道交通運行的效率和可靠性。

5.2 MIMO增強技術(shù)

MIMO技術(shù)可以數(shù)倍提高傳輸效率，并且?guī)挷挥迷黾?。MIMO技術(shù)相當于擁有多個獨立的信息通道連接著接收端和發(fā)送端，使信號的吞吐量大為增加。采用MIMO技術(shù)的AP與客戶端的傳輸速率基本可以達到100Mbit/s，相比于不采用該項技術(shù)時，提高一倍左右。MIMO技術(shù)擁有多種模式，相應(yīng)的功能也各不相同。波束賦形對提高傳輸速率，增強系統(tǒng)的有效性大有裨益；發(fā)送分集可以增強系統(tǒng)有效性，但對傳輸速率沒有明顯提升。波束賦形可以理解為賦予一定形狀的電磁波，并且進行集中傳播。

目前，在5G移動通信技術(shù)加持下，集中式大規(guī)模MIMO技術(shù)廣泛應(yīng)用于基站中，增加了基站密度，可以進一步提高網(wǎng)絡(luò)容量?；?G技術(shù)的車載無線系統(tǒng)采用小基站+大天線技術(shù)，實現(xiàn)車站無線接入，AP切換和通信中斷基本不會發(fā)生。一個站點可以配置數(shù)百個天線，極大地提高了頻譜效率，提供了更全面的站點覆蓋，極大地減少了干擾，極大地改善了站點。在運行期間，它可以無縫連接到5G站，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。列車離開5G網(wǎng)絡(luò)后，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸將在該范圍內(nèi)自動停止。

5.3 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV技術(shù)

NFV技術(shù)將特定的網(wǎng)絡(luò)功能與昂貴的專用硬件平臺解耦，以軟件模塊的形式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，并在虛擬機上封裝和運行。然后使用基于行業(yè)標準的商用服務(wù)器平臺加載這些虛擬機。最后，軟件處理網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，硬件傳輸?shù)讓訑?shù)據(jù)。

6 MEC技術(shù)的業(yè)務(wù)連接和存儲下降到車站層面

移動邊緣計算（MEC）技術(shù)是提高5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的重要手段。將數(shù)據(jù)移至邊緣點，并初步過濾一些業(yè)務(wù)處理數(shù)據(jù)。MEC定義為移動網(wǎng)絡(luò)邊緣的信息技術(shù)提供服務(wù)環(huán)境和云計算能力，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以更接近用戶的無線接入網(wǎng)絡(luò)，減少用戶的感知延遲，顯著控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，并引入更多業(yè)務(wù)應(yīng)用。

目前，城市軌道交通PIS車地?zé)o線通信系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的常見故障是車輛監(jiān)控圖像無法實時上傳到控制中心調(diào)度員，調(diào)度程序無法實現(xiàn)對車載CCTV監(jiān)控。導(dǎo)致此故障的主要原因是WLAN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度慢，需要將視頻圖像上傳到控制中心。在連接和上傳過程中容易發(fā)生信息重傳和信息丟失，控制中心的服務(wù)器處理能力也有限。這兩種疊加會導(dǎo)致通信中斷和故障。解決這個問題的辦法是對癥下藥。首先，通過提高接入層的連接效率，并在車站層面通過Massive MIMO天線技術(shù)部署數(shù)百個天線，可以有效地解決這個問題。此外，在每個站點部署一臺邊緣計算服務(wù)器，并將原控制中心解決的視頻傳輸和存儲沉入接入層，可以有效解決這一問題。

7 結(jié)語

總之，作為5G技術(shù)的角色，軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的發(fā)展更加趨于安全便利，在5G移動通信技術(shù)的顯著特點下，提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。5G移動通信技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢應(yīng)用于城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)，極大的滿足了各種需求。

引用

[1] 張雷.LTE技術(shù)在城市軌道交通車地通信中的應(yīng)用[J].建材與裝飾,2019(17):283-284.

[2] 高翔.5G移動通信技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2018,21(S2):61-64.

[3] 凌力.5G與物聯(lián)網(wǎng)融合在城市軌道交通運維中的探究[J].鐵道建筑技術(shù),2018(6):18-22.