5G通信在軌道交通中的應(yīng)用

張亦弛

哈爾濱地鐵集團有限公司 黑龍江 哈爾濱 150000

鐵路作為城市人民群眾的交通工具，是重要的國家基礎(chǔ)設(shè)施。在中國的經(jīng)濟社會發(fā)展、生計改善和城市安全中發(fā)揮著不可替代的作用。中國智能城市軌道交通發(fā)展計劃強調(diào)，需要利用云計算、大數(shù)據(jù)和5G等技術(shù)，在中國建設(shè)安全、實用、高效、環(huán)保、經(jīng)濟的新一代智能城市軌道交通。隨著移動通信需求的不斷增長，5G頻譜的使用和能效將得到顯著提高，從而提高延遲、可靠性、安全性和復(fù)蓋率。復(fù)雜方案中的數(shù)字應(yīng)用程序，如汽車通信、運營監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)復(fù)蓋和大型數(shù)據(jù)分析。城市軌道交通情報將繼續(xù)深化，成為實現(xiàn)城市軌道交通情報的重要支撐。在此基礎(chǔ)上，本文簡要介紹了5G通信技術(shù)的意義和優(yōu)勢，詳細分析了該技術(shù)在城市軌道交通中遇到的問題，并探討了其在軌道交通中的應(yīng)用。

1 5G通信技術(shù)概述

1.1 5G通信技術(shù)的發(fā)展

顧名思義，5G通信是基于4G的移動技術(shù)，是下一代產(chǎn)品。5G技術(shù)的迅速發(fā)展為在多個用戶之間傳輸信息奠定了堅實的基礎(chǔ)。5G通過采用多種集成技術(shù)和提高系統(tǒng)效率，改善了信息資產(chǎn)的處理，降低了生產(chǎn)率，滿足了市場需求，間接推動了新技術(shù)的革命。隨著我們各國通信數(shù)量的增加，5G通信技術(shù)已在生活的各個領(lǐng)域得到應(yīng)用，盡管它自問世以來并未得到廣泛應(yīng)用。與4G通信技術(shù)相比，設(shè)備并不限于平板電腦、手機等。而且還有大量提高數(shù)據(jù)傳輸速度的移動設(shè)備。5G通信技術(shù)的發(fā)展是中國通信技術(shù)的又一個飛躍?？傮w而言，通信技術(shù)革命已經(jīng)發(fā)生。與我國5G和4G通信技術(shù)相比，4G網(wǎng)絡(luò)的性能在一定的發(fā)展過程中有很大差異，并造成了基于4G網(wǎng)絡(luò)的功能差距，從而使通信技術(shù)得以創(chuàng)新和發(fā)展。5G技術(shù)的2D通信功能允許設(shè)備之間進行通信，并允許直接傳輸信息而無需額外的中間介質(zhì)。通過實施這一功能，可以將信息傳輸延遲等問題降至最低程度，并比移動網(wǎng)絡(luò)在其頻率范圍內(nèi)提供的資源更少，從而節(jié)省資源。此外，當(dāng)兩個用戶接近時，您可以使用D2通信功能來實現(xiàn)特定的能耗降低效果。同時，5G通信技術(shù)正朝著穩(wěn)定的方向發(fā)展。這些通信技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新能夠有效地確保其在城市軌道交通技術(shù)方面的發(fā)展[1]。

1.2 5G通信技術(shù)的優(yōu)勢

(1)毫米波。這通常是移動通信應(yīng)用的高頻段，這也是一個特別重要的趨勢。其優(yōu)點是，它有足夠的帶寬來支持小型設(shè)備天線和全球效益。(2)小型基站。過去以基站為中心的活動已不再滿足用戶在不同環(huán)境下移動通信應(yīng)用程序的需求，而且缺乏靈活性和成本高昂。5G技術(shù)的小型基站可以成功探索網(wǎng)絡(luò)接入方式，改變目前的通信狀態(tài)。小型基站適合近距離直接通信，信道質(zhì)量高，可實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸速度、低延遲和低功能等優(yōu)點。(3)新型天線主要是指將傳統(tǒng)2D模式天線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)?D模式天線網(wǎng)絡(luò)，形成一種新技術(shù)，能夠滿足多用戶信息束的智能通信，減少用戶之間的信息干擾，有效提高組合信號復(fù)蓋面全雙工主要指同一頻率，不僅可以改善過去頻譜資源的應(yīng)用限制，還可以使頻譜資源更加靈活，理論計算的使用可以使空接口頻譜的通信效率加倍。(4)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。借助云計算、無線協(xié)作和新的網(wǎng)絡(luò)訪問體系結(jié)構(gòu)，可以有效地減少信息擁塞、降低設(shè)備功耗和提高通信頻譜效率。此外，智能網(wǎng)絡(luò)更易于動態(tài)使用。

1.3 5G通信技術(shù)在城市化交通軌道中的重要性

城市軌道交通通信系統(tǒng)主要包括無線和有線系統(tǒng)。但是，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線通信技術(shù)在城市流通中發(fā)展得非常迅速。緊急行動實時通信的能力節(jié)省了時間。5G通信技術(shù)在城市軌道中的應(yīng)用是縮短數(shù)據(jù)傳輸時間和確保城市軌道正常運行的一種新的有益方法。5G通信技術(shù)可以說已經(jīng)成為軌道交通的重要組成部分。保證了信息傳輸?shù)募皶r性和可靠性，大大提高了城市軌道交通系統(tǒng)中的事故處理。隨著5G電信技術(shù)的發(fā)展，還可以建立大型物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，使用戶之間的聯(lián)系在地理上是分開的，使各地的人隨時都能相互交流[2]。同時，5G通信技術(shù)可用于城市軌道系統(tǒng)，以提高軌道交通效率，從而推動城市軌道交通的發(fā)展。5G通信技術(shù)還增加了D2通信能力，從而部分減輕了基站的負荷和通信延遲。此外，D2通信可以降低數(shù)據(jù)傳輸速率，并降低附近用戶的能耗。同時，5G通信技術(shù)提高了安全性和可靠性，提高了城市軌道交通系統(tǒng)的性能。

2 軌道交通網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

2.1 車地通信受限

地鐵視頻為鐵路交通指揮中心提供了監(jiān)測列車的重要數(shù)據(jù)，并在分析調(diào)查和打擊恐怖主義方面發(fā)揮了重要作用。例如，某地鐵開通了三條線路，1號線和3號線的乘客信息系統(tǒng)使用lt1.8 GHz專用網(wǎng)絡(luò)頻譜以10MHz帶寬進行無線通信。每列列車只能向控制中心發(fā)送兩個視頻幀線路2采用無線802.11ac技術(shù)。實際上，車輛的實時圖像被鎖定，鏈接被鎖定。車內(nèi)視頻只能通過2或4個通道實時觀看，視頻不能回滾，只能通過手動拷貝來完成。

2.2 應(yīng)急通訊難度大

在發(fā)生事故等緊急情況時，可能需要臨時安裝用于實時監(jiān)測的無線攝像機設(shè)備，以及用于與站外安保人員進行實時通信和溝通的臨時視聽通信設(shè)備，以便利緊急指揮[3]。例如，專用網(wǎng)絡(luò)帶寬和地鐵通信方式，1.8GHz乘客信息系統(tǒng)帶寬為10MHz，這是不夠的。專用無線通信系統(tǒng)采用800MHz頻段，不能滿足多路終端的視頻傳輸要求。緊急保護手段有限，只能通過對講機聯(lián)系。存在互操作性差或無法跨線通信等問題。

2.3 智慧列車狀態(tài)監(jiān)測需求增大

伴隨著列車的智能重組和創(chuàng)新，必須將列車狀態(tài)數(shù)據(jù)實時上傳到后臺，以便在線監(jiān)控列車運行狀況，確保安全運行。目前地鐵一般有8個車廂，監(jiān)控系統(tǒng)配備了數(shù)千個傳感器，需要大量同時傳輸數(shù)據(jù)。由于帶寬限制，無法完全復(fù)蓋數(shù)據(jù)上載。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用，TCMS的速度和存儲的數(shù)據(jù)可能會大大提高行走范圍、制動等，可以實時上傳，從而改善列車的智能運行和維護[4]。

3 地鐵5G網(wǎng)絡(luò)布置方案

3.1 地鐵建設(shè)網(wǎng)絡(luò)需求

(1)輔助業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)車與現(xiàn)場無線通信最重要的信息是綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，車輛與現(xiàn)場之間的視頻和語音活動占用帶寬最多。中央控制器必須實時查看車輛內(nèi)部情況，才能作出正確合理的調(diào)度決策，車輛內(nèi)不同位置的視頻監(jiān)控信息必須實時傳送給中央控制中心。與此同時，輔助規(guī)劃數(shù)據(jù)，如列車司機與中心之間的語音服務(wù)、乘客與中心之間的語音服務(wù)，雖然是一項危險服務(wù)，但在提高地鐵服務(wù)質(zhì)量方面發(fā)揮著巨大作用，有助于做出合理的規(guī)劃決策。(2)除了與安全有關(guān)的輔助運行數(shù)據(jù)外，列車運行安全數(shù)據(jù)不僅需要專用網(wǎng)絡(luò)，與列車運行安全有關(guān)的控制數(shù)據(jù)也需要極高的安全性和可靠性[5]。這些數(shù)據(jù)主要包括CBTC的業(yè)務(wù)信息、車輛和列車管理信息等。列車運行時，位置信息必須實時傳輸?shù)杰壍肋吘壪到y(tǒng)進行安全計算。同時，軌道邊緣系統(tǒng)將根據(jù)實時列車位置信息計算的安全運行終端轉(zhuǎn)發(fā)給車輛，以確保列車在信息交互和傳輸時間內(nèi)不會與其他列車發(fā)生沖突?？煽康膶崟r傳送列車控制信息可以實現(xiàn)列車的安全運行。

3.2 地鐵5G通信方案

通過擴大4g流量和速度限制，地鐵目前只能通過單一、獨立、安全的控制信息網(wǎng)建立，廣播、視頻等大型數(shù)據(jù)流必須通過共享網(wǎng)絡(luò)進行管理。從5G通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點出發(fā)，研究了如何在地鐵施工中建立基于5G通信技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)CBTC服務(wù)、pi車輛和車輛輔助設(shè)備的可靠實時傳輸，從而提高地鐵線路的運行安全性和服務(wù)質(zhì)量。在地鐵線路上，在不同地區(qū)建立了車輛、車站網(wǎng)、返回網(wǎng)和中央網(wǎng)。列車與地面之間的通信通過嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入單元進行，列車位置信息通過網(wǎng)絡(luò)反饋實時傳輸?shù)杰壍肋吘壍男盘朳6]。同樣，由軌道邊緣信號裝置和中央調(diào)度序列計算的控制列車運行信息將實時傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)，以便在列車和地面之間實現(xiàn)高速、實時和安全的傳輸。特別是在無人駕駛地鐵工程中，可以實時可靠地傳輸列車安全控制數(shù)據(jù)，確保列車高速安全運行。網(wǎng)站網(wǎng)絡(luò)和汽車運營可以下載下載前廳的視頻監(jiān)控信息，向車站現(xiàn)場直播廣播信息和pi車輛，向pi車輛短信，向中心咨詢車輛視頻呼叫，向列車廣播，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)回高速廣播。通過將此數(shù)據(jù)集成到一個中心網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)收集和發(fā)現(xiàn)可創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)中心平臺，從而形成一個智能平臺和一個智能方案。

4 5G技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

4.1 列車運行

當(dāng)前，智能軌道交通的發(fā)展正逐步從傳統(tǒng)的控制管理轉(zhuǎn)向智能工程。一個基于管理的智能軌道交通系統(tǒng)幫助列車通過嵌入式終端自動行駛或行駛，工程智能軌道交通系統(tǒng)可以獨立完成運行管理、列車調(diào)度和信息服務(wù)功能。智能列車運行過程中采用5G技術(shù)的一些應(yīng)用如下:（1）視頻通信功能:列車運行規(guī)劃和列車群間通信需要較低延遲的網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)無疑滿足了這一要求；（2）行車環(huán)境可視化:如果司機要實時監(jiān)控行車環(huán)境，需要有更高帶寬和更多信息的網(wǎng)絡(luò)，否則監(jiān)控內(nèi)容的清晰度將大大降低；（3）應(yīng)急數(shù)據(jù)傳輸服務(wù):該數(shù)據(jù)服務(wù)不需要寬帶網(wǎng)絡(luò)，而是需要低延遲、高穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)，并需要確保網(wǎng)絡(luò)在極端情況下仍可使用。5G網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通系統(tǒng)通信方面的作用還包括提高整個軌道交通系統(tǒng)的運營效率[7]。由于通信效率較低，列車之間的運行差距可以大大縮小，這無疑提高了鐵路運輸系統(tǒng)的每單位時間的運輸能力。

4.2 在高速通信中的應(yīng)用

對我國現(xiàn)行城市軌道交通系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，LTE-M系統(tǒng)通常主要用于相關(guān)任務(wù)，應(yīng)用需要限制在1785-1805 MHz頻率范圍內(nèi)[8]。但是，這一段也很容易受到其他區(qū)域資源的影響，這些資源通常只能以10MHz的頻率運行。為確保信息系統(tǒng)發(fā)布功能的實現(xiàn)，帶寬分為兩種冗馀方式。在這種情況下，通信模式中的平均吞吐量為3.3，出站通信為8.4。調(diào)度目前并不特定，但與往常一樣，單通道HD視頻必須小于4 Mbps。在此基礎(chǔ)上，我們可以發(fā)現(xiàn)10 MHz帶寬分為a和b兩種冗馀模式，以高效地滿足相關(guān)的生產(chǎn)力需求，例如當(dāng)多個車輛在同一區(qū)域內(nèi)傳輸多個圖像和數(shù)據(jù)傳輸時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法接收多個車輛并擴大工作范圍。為了有效地解決這個問題，需要5G通信。

4.3 端到端通信

目前，在CBTC的列車控制系統(tǒng)中，寬帶一般分為a和b兩種冗馀通信模式，兩種通信網(wǎng)絡(luò)相互獨立。但是，由于這將增加通信設(shè)備的使用，增加施工費用，延長施工周期，不利于今后的作業(yè)，還會增加今后維修的工作量，不利于改變舊線路。在5G通信中引入了D2(垂直通信)技術(shù)，用于設(shè)備之間而不是基站之間的數(shù)據(jù)通信[9]。2D通信是另一種重復(fù)通信模式。鐵路網(wǎng)發(fā)生故障時，列車和列車可以直接通信，相互通報位置和運行情況。在安全條件下，保持運行安全，列車之間的正常運行不會受到網(wǎng)絡(luò)故障的影響。同時保證了信息的正常傳遞，通信技術(shù)可以進一步縮短列車之間的等待時間，縮短列車之間的間隔，提高運營效率和通信可靠性。同時，D2通信技術(shù)還能有效地組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使終端始終能夠接入設(shè)備，作為與其他設(shè)備通信的中間手段，避免列車運行過程中下層建筑周圍的網(wǎng)絡(luò)中斷現(xiàn)象，進一步提高通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

4.4 智能出行

智能出行是一種必然趨勢，5G技術(shù)可以利用智能服務(wù)幫助人們出行。5G技術(shù)實現(xiàn)了所有事物的互聯(lián)，向乘客提供車輛信息和場地信息(交通、車輛停放等)，綜合處理后，為旅客出行提供更智能的參考咨詢。而且，隨著列車和車站信息的一體化，同一車站的直接換乘可以實現(xiàn)，方便乘客出行。此外，人臉識別系統(tǒng)和身份證識別還可以進行自動檢票，提高旅客出入境效率。如果乘客誤乘公共汽車，還可以通過調(diào)度及時提供其他解決辦法。智能出行還可以根據(jù)旅客的出行需要建立不同層次的出行規(guī)劃，提供舒適性、及時性、經(jīng)濟性等個性化服務(wù)，以便盡可能滿足旅客的旅行需要。

4.5 防災(zāi)預(yù)警

大部分地鐵線路是地下環(huán)境，火災(zāi)或水災(zāi)直接歸因于列車運行和乘客安全，特別是無人駕駛車輛。集中規(guī)劃和啟動系統(tǒng)需要收集和處理段和空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。房間和機房不同位置的分布式洪水監(jiān)測、火災(zāi)探測器、視頻監(jiān)控等。當(dāng)房間或機場發(fā)生火災(zāi)或水災(zāi)時，將使用5G通信技術(shù)，根據(jù)區(qū)域間火災(zāi)報警、區(qū)域間監(jiān)測數(shù)據(jù)和水監(jiān)測數(shù)據(jù)，在一個集中聚合網(wǎng)絡(luò)中實時收集監(jiān)測信息。計算完成后，核心設(shè)備將按照標準現(xiàn)場處理條件與消防、pi等子系統(tǒng)同步。同時，中心規(guī)劃人員可以利用現(xiàn)場執(zhí)行的計算，確定列車的當(dāng)前環(huán)境，并通過處理建議和獲取空間或分區(qū)的實時視頻監(jiān)控信息，及時做出規(guī)劃決策。通過各種針對算法的交叉點監(jiān)控數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)整合、建立智能平臺以應(yīng)對線路和網(wǎng)絡(luò)級別的緊急情況，改進無人值守訪問的安全性和操作規(guī)劃[10]。

5 結(jié)束語

綜上所述，5G通信技術(shù)在鐵路運輸中的應(yīng)用和發(fā)展將加快智能交通建設(shè)。通過構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺和對基本運營數(shù)據(jù)進行智能分析，為乘客提供更加方便、安全和有效的運輸服務(wù)。與此同時，構(gòu)建智能交互方案，如智能運營維度、智能監(jiān)控，以及構(gòu)建基于5G通信的智能交互方案和采用各種遠程輔助規(guī)劃方法，將大大降低地鐵運營和維護成本，節(jié)省運營成本。