基于5G 的地鐵車輛通信技術(shù)研究與實現(xiàn)

李 勇，邵凱蘭

（1.杭州中車車輛有限公司，浙江 杭州 310000；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快和人口密度的不斷增加，地鐵作為一種高效、環(huán)保的公共交通工具，成為許多大中城市的主要交通方式。地鐵交通不僅緩解城市交通擁堵問題，還為人們提供快捷、舒適的出行體驗。地鐵車輛通信技術(shù)是地鐵運營管理的核心部分，負(fù)責(zé)傳輸車輛運行狀態(tài)、軌道狀況以及乘客流量等關(guān)鍵信息。然而，傳統(tǒng)的地鐵車輛通信技術(shù)在信息傳輸速率、延遲、容量等方面存在局限，難以滿足現(xiàn)代地鐵車輛通信的需求。這些局限會導(dǎo)致地鐵運營效率降低、安全隱患增加以及乘客出行體驗受到影響。隨著5G 技術(shù)的逐步推廣和應(yīng)用，地鐵車輛通信將迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。5G 技術(shù)可以解決傳統(tǒng)地鐵車輛通信技術(shù)所面臨的局限性問題，提高地鐵車輛通信的速率、穩(wěn)定性以及實時性。此外，5G 技術(shù)有助于推動地鐵車輛通信的創(chuàng)新應(yīng)用，如自動駕駛、乘客信息服務(wù)等，進(jìn)一步提高地鐵運營效率和乘客出行體驗。

1 5G 技術(shù)概述

5G 技術(shù)具有高速率的特點，其數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)到20 Gb/s，相較于4G 技術(shù)有著顯著的提升，這使得5G 技術(shù)能夠快速處理大量數(shù)據(jù)，為地鐵車輛通信提供高速的數(shù)據(jù)傳輸能力。5G 技術(shù)具有低延遲的特點，其端到端的延遲可低至1 ms。這使得5G 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實時的通信，為地鐵車輛通信的實時性提供有力保障。5G 技術(shù)具有高可靠性，其網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定且信號覆蓋廣泛。借助5G 技術(shù)，地鐵車輛通信可以在復(fù)雜的地下環(huán)境中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定連接，提高通信的可靠性[1]。5G 技術(shù)具有大連接數(shù)的特點，可支持每平方千米內(nèi)連接百萬級別的設(shè)備。這使得5G 技術(shù)能夠適應(yīng)地鐵車輛通信中大量并發(fā)連接的需求，提高網(wǎng)絡(luò)的承載能力。

2 5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的應(yīng)用

5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的應(yīng)用具有廣泛的前景，可以滿足多種應(yīng)用場景的需求，提高地鐵運營效率、安全性以及乘客出行體驗。5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的一些典型應(yīng)用：一是實時監(jiān)控，借助5G 技術(shù)的高速率和低延遲特性，地鐵車輛通信可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，對車輛運行狀態(tài)、軌道狀況、乘客流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸和分析，有助于及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患，提高地鐵運營的安全性和管理效率[2]。二是緊急通信，在緊急情況下，如火警、列車故障等，5G 技術(shù)的高可靠性和低延遲特性可以為地鐵車輛提供及時、穩(wěn)定的通信保障，有助于迅速響應(yīng)緊急事件，降低事故的影響和損失。三是車輛調(diào)度，基于5G 技術(shù)的地鐵車輛通信可以實現(xiàn)高效的車輛調(diào)度。例如，運營中心可以實時獲取車輛位置、速度等信息，優(yōu)化列車運行時間表，提高地鐵運輸效率，降低能耗。四是自動駕駛，5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的應(yīng)用可支持自動駕駛技術(shù)的發(fā)展。借助5G 技術(shù)實現(xiàn)地鐵列車在復(fù)雜環(huán)境下的自動運行，降低人工干預(yù)，提高運營效率和安全性[3]。五是乘客信息服務(wù)，5G 技術(shù)可以實現(xiàn)高速、穩(wěn)定的乘客信息服務(wù)，如實時列車位置、預(yù)計到站時間、換乘信息等，5G 技術(shù)還支持高清視頻流、多媒體內(nèi)容等豐富的娛樂服務(wù)，提升乘客的出行體驗。六是車聯(lián)網(wǎng)，5G 技術(shù)可實現(xiàn)地鐵車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、其他車輛、行人等的實時互聯(lián)互通，有助于優(yōu)化地鐵運營管理，提高交通安全，實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。

3 基于5G 的地鐵車輛通信技術(shù)實驗研究

3.1 實驗設(shè)計

本研究旨在驗證5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的性能表現(xiàn)及其對地鐵運營的改善效果。實驗在一個現(xiàn)實地鐵環(huán)境中進(jìn)行，包括地鐵車輛、基礎(chǔ)設(shè)施以及運營管理系統(tǒng)。實驗將分為2 個部分：一部分是在4G 技術(shù)下的地鐵車輛通信；另一部分是在5G 技術(shù)下的地鐵車輛通信。通過對比兩者的性能差異，評估5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的優(yōu)勢[4]。

3.2 實驗方法與步驟

3.2.1 系統(tǒng)搭建

選定一個現(xiàn)有地鐵線路作為實驗場景，在地鐵車輛通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，按照預(yù)先規(guī)劃的區(qū)域和間距部署5G 基站，同時在地鐵列車上安裝5G 終端設(shè)備，確保整個線路覆蓋5G 信號，完成5G 地鐵車輛通信系統(tǒng)的搭建。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要是采集4G 數(shù)據(jù)和5G 數(shù)據(jù)。在4G技術(shù)下，分別采集車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)（速度、位置、制動系統(tǒng)狀態(tài)等）、軌道狀況數(shù)據(jù)（軌道設(shè)備、信號系統(tǒng)等）以及乘客流量數(shù)據(jù)；在5G 技術(shù)下，采集同類型的車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、軌道狀況數(shù)據(jù)及乘客流量數(shù)據(jù)[5]。

3.2.3 系統(tǒng)性能測試

（1）傳輸速率測試。分別對4G 和5G 技術(shù)下的地鐵車輛通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸速率測試，記錄并比較兩者的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（2）延遲測試。分別測試4G 和5G 技術(shù)下的地鐵車輛通信系統(tǒng)的延遲性能，記錄兩者在數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲時間。

（3）穩(wěn)定性測試。對4G 和5G 技術(shù)下的地鐵車輛通信系統(tǒng)進(jìn)行長時間穩(wěn)定性測試，記錄并分析兩者在不同時間段和不同區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)波動情況。

3.3 試驗結(jié)果與分析

第一，傳輸速率。5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的平均傳輸速率達(dá)到1.8 Gb/s，而4G 技術(shù)下的平均傳輸速率僅為100 Mb/s。這表明5G 技術(shù)的傳輸速率是4G技術(shù)的18 倍，能夠?qū)崿F(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。

第二，延遲。5G 技術(shù)在地鐵車輛通信中的平均延遲為1 ms，而4G 技術(shù)的平均延遲為50 ms。這說明5G 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更快的響應(yīng)和實時通信，有利于提高地鐵運營管理的實時性和安全性。

第三，穩(wěn)定性。5G 技術(shù)在復(fù)雜的地鐵環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性明顯優(yōu)于4G 技術(shù)。在穩(wěn)定性測試中，5G 網(wǎng)絡(luò)的信號波動率僅為2%，而4G 網(wǎng)絡(luò)的信號波動率為10%。這表明5G 技術(shù)具有更高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，有助于保障地鐵車輛通信的順暢進(jìn)行。

第四，應(yīng)用場景測試。（1）實時監(jiān)控：在5G技術(shù)下，實時監(jiān)控圖像傳輸?shù)那逦群蛯崟r性明顯優(yōu)于4G 技術(shù)。例如，5G 技術(shù)能實現(xiàn)4K 分辨率的實時監(jiān)控，而4G 技術(shù)僅能支持1080P 分辨率。（2）緊急通信：在緊急通信應(yīng)用中，5G 技術(shù)相比4G 技術(shù)具有更高的通信速度和穩(wěn)定性。5G 技術(shù)下，緊急通信的成功連接率達(dá)到99.8%，而4G 技術(shù)下僅為95%。（3）車輛調(diào)度：5G 技術(shù)在車輛調(diào)度過程中的數(shù)據(jù)處理速度是4G 技術(shù)的10 倍，這表明5G 技術(shù)對車輛調(diào)度的改善效果顯著。

4 基于5G 的地鐵車輛通信技術(shù)實現(xiàn)方案

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

5G 基站部署在地鐵線路沿線的關(guān)鍵位置，如車站和隧道出入口等，以確保信號的覆蓋范圍。同時，通過合理規(guī)劃基站數(shù)量和布局，保證信號強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，降低信號盲區(qū)。5G 終端設(shè)備安裝在地鐵列車上的5G 終端設(shè)備包括車載5G 路由器和5G 模塊等，用于實現(xiàn)地鐵車輛與基站之間的高速、低延遲通信。同時，這些設(shè)備應(yīng)具備良好的抗干擾能力，以適應(yīng)地鐵環(huán)境中可能存在的各種干擾源。地鐵車輛通信中心負(fù)責(zé)集中管理地鐵車輛的實時監(jiān)控、調(diào)度、緊急通信等功能。該中心應(yīng)具備高度集成和智能化能力，能夠根據(jù)不同應(yīng)用場景自動調(diào)整資源分配，提高系統(tǒng)運行效率，還應(yīng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲和處理能力，以便實時處理大量車輛通信數(shù)據(jù)。后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對來自地鐵車輛通信中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，用于優(yōu)化地鐵運營管理。該系統(tǒng)應(yīng)具備高效的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崟r分析車輛運行狀態(tài)、軌道狀況、乘客流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為運營管理人員提供決策支持。此外，后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)具備一定的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能能力，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，發(fā)現(xiàn)潛在的運營問題和優(yōu)化方向。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)與組件

4.2.1 大規(guī)模天線陣列

大規(guī)模天線陣列技術(shù)通過在基站部署大量天線，增加信號覆蓋范圍和質(zhì)量，提高頻譜利用率。在地鐵車輛通信系統(tǒng)中，大規(guī)模天線陣列技術(shù)有助于克服地鐵隧道中的多徑衰落和信號反射問題，從而保證信號在高速移動和復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定傳輸。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將地鐵車輛通信系統(tǒng)的不同應(yīng)用場景劃分為多個獨立的網(wǎng)絡(luò)切片，為不同業(yè)務(wù)需求提供靈活、可定制的網(wǎng)絡(luò)資源。例如，實時監(jiān)控和緊急通信場景需要高帶寬和低延遲的網(wǎng)絡(luò)切片，而乘客信息服務(wù)則可以使用較低優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)切片。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，地鐵車輛通信系統(tǒng)能夠更加高效地分配網(wǎng)絡(luò)資源，確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量。

4.2.3 邊緣計算技術(shù)

邊緣計算技術(shù)將數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù)部署在地鐵車輛通信系統(tǒng)的邊緣節(jié)點，如車載5G 終端設(shè)備或者沿線基站，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高系統(tǒng)實時性，地鐵車輛通信系統(tǒng)利用邊緣計算技術(shù)可以更快地響應(yīng)實時監(jiān)控、緊急通信等應(yīng)用場景的需求，提高地鐵運營的安全性和效率。

4.2.4 車輛通信協(xié)議

為確保地鐵車輛通信系統(tǒng)的高速和低延遲特性，需要采用適用于地鐵環(huán)境的車輛通信協(xié)議。這些協(xié)議應(yīng)具備強(qiáng)大的抗干擾能力，應(yīng)對地鐵運行過程中的電磁干擾、信號反射等問題。同時，這些協(xié)議應(yīng)支持高速移動場景下的無縫切換，以保證地鐵車輛在行駛過程中的通信連續(xù)性和穩(wěn)定性。

4.3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

為確?；?G 的地鐵車輛通信技術(shù)方案的有效性和可行性，以下是系統(tǒng)實現(xiàn)與測試的關(guān)鍵步驟。

第一步，系統(tǒng)部署。在實現(xiàn)階段，首先按照系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計部署5G 基站、5G 終端設(shè)備、地鐵車輛通信中心以及后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。確保各個組件之間的協(xié)同工作，并根據(jù)地鐵線路特點進(jìn)行基站布局優(yōu)化，以滿足通信覆蓋需求。

第二步，功能驗證。在系統(tǒng)部署完成后，對各個組件的功能進(jìn)行驗證，包括信號傳輸質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理能力、應(yīng)用場景支持等。該階段的目標(biāo)是確保各個組件能夠正常工作，滿足設(shè)計預(yù)期。

第三步，性能測試。對整個地鐵車輛通信系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，主要包括傳輸速率、延遲、穩(wěn)定性等指標(biāo)。通過與傳統(tǒng)地鐵通信技術(shù)進(jìn)行對比，評估5G技術(shù)在地鐵車輛通信中的性能優(yōu)勢。此外，需對系統(tǒng)在不同應(yīng)用場景下的表現(xiàn)進(jìn)行測試，如實時監(jiān)控、緊急通信、車輛調(diào)度等。

第四步，環(huán)境適應(yīng)性測試。地鐵運行環(huán)境具有一定的復(fù)雜性，如隧道、高速移動、電磁干擾等。因此，在系統(tǒng)測試階段，需要對地鐵車輛通信系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下的性能進(jìn)行評估。主要包括信號覆蓋范圍、抗干擾能力、高速移動下的通信穩(wěn)定性等。

第五步，系統(tǒng)優(yōu)化與調(diào)整。根據(jù)測試結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，主要包括基站布局、網(wǎng)絡(luò)切片配置、邊緣計算節(jié)點分布等。通過不斷的優(yōu)化和調(diào)整，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，確保滿足地鐵車輛通信的實際需求。

第六步，最終驗收。在完成上述測試和優(yōu)化后，進(jìn)行最終驗收。主要包括系統(tǒng)整體性能、各個應(yīng)用場景的實際表現(xiàn)以及現(xiàn)有地鐵運營管理系統(tǒng)的集成情況等。確保地鐵車輛通信系統(tǒng)能夠滿足地鐵運營管理的需求，為地鐵運營帶來更高效、安全的通信解決方案。

5 結(jié) 論

本研究通過對基于5G 的地鐵車輛通信技術(shù)的深入探討，提出一套具有高速率、低延遲以及高可靠性的地鐵車輛通信方案。實驗結(jié)果表明，5G 技術(shù)在傳輸速率、延遲、穩(wěn)定性方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的4G技術(shù)，能夠有效提高地鐵運營管理的實時性和安全性。此外，基于5G 的地鐵車輛通信技術(shù)在實時監(jiān)控、緊急通信、車輛調(diào)度等應(yīng)用場景中也表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。盡管基于5G 的地鐵車輛通信技術(shù)在當(dāng)前已取得了顯著的成果，但仍有一些值得進(jìn)一步研究的方向。