浅析5G通信技术在城市轨道交通中的应用

白浩

摘要：4G通信技术的高速发展与普及应用，推动了城市轨道交通通信系统的创新发展，实现了LTE车地无线通信传输系统的构建，有效提升了通信覆盖范围、信息传播速率、信息传输抗干扰能力，为城市轨道交通管理与服务带来便利。但在测试与实践应用中发现，基于4G通信技术应用下的LTE系统，其综合承载能力存在一定限制，在信息传输与处理上有待进一步完善。而5G通信技术的研发与应用，为城市轨道交通的创新发展提供了新动力。对此，有必要加强5G通信技术及其在城市轨道交通中应用的研究。

关键词：5G通信技术；轨道交通；应用

15G技术概述

1.15G介绍

随着移动通信需求的不断增长，新一代移动通信系统——5G将在未来几年内逐渐商用。届时，5G依据以往发展的规律会在多个方面的性能有所突破，特别是频谱利用率和能效将有较大提升，使得在传输速率和资源利用率方面会提高1个数量级甚至更高。另外，5G将在传输延时、可靠性、安全性、覆盖能力等方面获得较大的性能提升。5G移动通信系统的应用领域也将进一步扩展，将增加端对端（D2D，Device-to-Device）通信功能，同时增强对海量传感设备及机器对机器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支撑能力，从而促进未来万物互联目标的实现。5G不仅让用户的体验更好，而且能够满足更多行业、不同应用领域的特定需求。

1.2技术优势

根据目前的研究进展，5G将采用多种新技术和新方法改善网络性能、扩展网络功能，如高频段数据通信、大规模阵列天线、新型多址技术、新型多载波技术、全双工、D2D通信、密集网络、新型网络构架等技术。通过这些技术实现4G网络到5G网络的飞跃。

相比较4G网络，5G网络系统在以下几个方面的性能将得到显著提升。5G还增加了D2D通信功能，是一种设备到设备的直接通信技术，可以减轻基站负担、减小通信时延，与蜂窝通信相比，D2D通信仅占一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用D2D通信可以减少传输功率、节约能耗。另外，5G在安全性、可靠性等方面也提出了更高的要求。以上5G这些主要性能改善有助于提高城市轨道交通通信系统性能。

25G通信技术在城市轨道交通中的应用

2.15G通信技术应用的可行性与必要性

首先，在城市轨道交通中，由于列车运行速度较快，且穿行于低下或高大建筑物之间。因此，传统卫星通信系统已经无法满足实际通信需求，存在通信不稳定、通信安全水平低下等问题。随着无线通信技术的创新与应用，基于4G通信技术下的LTE车地无线通信系统得以构建并应用。但从现阶段应用的LTE-M系统实际运行情况来看，其使用的频段主要为1785～1805MHz频段，且受地方频率资源应用限制，城市轨道交通通信网络带宽仅为10MHz，同时为保证通信安全、可靠，10MHz带宽以半双工方式进行通信，其上行通信最大吞吐量约为3.7Mbit/s，最小吞吐量约为2.9Mbit/s；下行通信最大吞吐量约为8.6Mbit/s，最小吞吐量约为6.0Mbit/s。但由《城市轨道交通装备技术规范》相关要求可知，城市轨道交通通信系統系承载多项业务通信需求，包括列车运行控制业务、PIS（PassengerInformationSystem，乘客信息系统）视频业务、列车运行状况监测业务、共舞电话业务、时钟通信业务、紧急文件发布业务、专用电话通信业务等，且不同自动运行等级，业务传输速率要求也不同。例如，GOA（GradeofAutomation自动运行等级）1/2的列车运行控制业务上行速率与下行速率需达到0.256Mbit/s、运行状态监测业务的上行速率需达到0.024Mbit/s；而GOA3/4的列车运行控制业务上行速率与下行速率需达到0.512Mbit/s，运行状态监测业务的上行速率需达到0.1Mbit/s。而当前应用的LTE-M系统则无法满足各业务综合通信需求，影响城市轨道交通通信服务质量与效率。应用5G通信技术，通信网络频谱效率得到大幅度提升，可将上行平均通信速率提升至18.4Mbit/s～37Mbit/s，上行平均通信速率提升至41Mbit/s～84Mbit/s，从而满足城市轨道交通多业务并行通信需求，提升通信质量与效率。

其次，城市轨道交通中，为保证列车能够在特定时间间隔内进行规范、有效、不干扰运行，一方面需保证列车运行控制质量，另一方面需保证列车运行效率。在此过程中，需依托无线通信进行最小追踪间隔确定。在此过程中，一旦出现通信延迟问题，将降低追踪时间确定的准确性，对列车运行可靠性、安全性产生不利影响。由《城市轨道交通装备技术规范》可知，城市轨道交通通信系统单路单项传输时延需控制在2s以为，98%的时延不应超过1.5s。而基于4G通信技术应用下的通信系统，在5M带宽下的单路CBTC业务中，端到端单漏缆最小时延为11.5ms，最大时延为67ms，平均时延为16.5ms。而应用5G通信技术，能够将端到端缩短至1ms之内，从而大幅度提升系统运行的稳定性与可靠性，提高列车运行安全水平。

此外，相对于4G通信而言，5G网络下D2D通信技术的应用，简化了系统结构，能够在不经过基站中转的前提下，实现列车与列车之间通信，使相关工作人员能够实时掌握列车所处位置、运行情况。与此同时，D2D通信技术可经一部缩短列车运行过程中的通信间隔，从而实现列车运行间隔的缩短，以提升列车控制质量与控制效率。另外，D2D通信技术与自组织网络技术、SDN（software-definednetworking，软件定义网络）/NFV（networkfunctionvirtualization，网络功能虚拟化）、新型多址技术等的整合应用，能够对系统基础设施进行简化，实现网络集约控制，并在大数据分析下及时掌握设备运行存在的问题，为设备运行维护提供信息支持，提升维护效率，降低维护成本的同时，保证城市轨道交通通信的安全与稳定。

2.25G通信技术应用的注意事项

目前，5G通信技术正处于发展阶段，在实践应用过程中不可避免会遇到诸多问题，有待进一步改善与处理。以城市轨道交通中的应用为例，在实践应用过程中，需注意以下几点：（1）在应用超密集异构网络进行通信覆盖范围扩大，频谱效率提升，系统通信容量扩展时，需注重现有频谱资源的科学配置，根据不同业务实际需求，选择资源节约方案进行网络设计。与此同时，善于利用新切换算法，满足系统频发切换需求，降低动态变化对网络运行稳定的干扰。（2）在应用D2D通信技术时，为促进其作用，包括资源节约、传输效率提升、时延缩短、传输成本控制等，需注重该技术在蜂窝网络中应用的科学性，能够实现与蜂窝网络资源共享，在蜂窝网络中完成会话建立、会话维持、信息识别、信息移动性管理等工作。（3）5G通信技术的应用需遵循循序渐进原则，即在现有4G通信模式的基础上进行系统改造与升级。对此，城市轨道交通中5G网络应具备兼容性，当5G网络发生突发事故时，可转换到其他方式维持通信，以保证列车运行的稳定与安全。（4）在新时代下，节约通信资源已经成为通信网络构建的客观需求与必然趋势，对此应用5G通信技术，需实现绿色通道构建，增强通信安全水平的同时，实现通信资源的有效节约。

结论

5G网络技术研究及应用，对于正在快速发展的城市轨道交通建设具有一定的积极作用。5G网络技术有望解决现在困扰城市轨道交通通信系统应用中的一些问题，而且提供了更强大的功能、更灵活的应用，为优化城市轨道交通相关系统提供了新的思路。同时5G网络技术能够提高系统效率、减少能量损耗、进一步降低部分成本，实现国家倡导的节能减排、绿色通信，对后续城市轨道交通设计、建设和运营都有非常重要的指导意义。

参考文献

[1]周相钰，祝陶美.5G通信在城市轨道交通的应用[J].信息通信，2018（09）：169-172.

[2]凌力.5G与物联网融合在城市轨道交通运维中的探究[J].铁道建筑技术，2018（06）：18-22.

（作者单位：天津市地下铁道运营有限公司）