基于5G的D2D通信技术在地铁中的应用研究

胡轶群 王钰 王壮

摘  要：D2D通信技术是5G网络的关键技术，可以实现两个用户节点直接进行通信，本文研究了5G网络的技术特点，详细分析了D2D通信技术在地铁通信领域的应用方法，通过概述D2D通信技术的通信过程，资源分派方式和优点，提出了其在列车控制系统中的应用要领。我们假设无线电资源的配置十分合适，于是利用D2D技术可以减少网络互相扰乱，更大程度上利用设备的功能，改善了列控系统的整体机能。

关键词：5G通信  地铁列车  D2D通信  列车控制

中图分类号：U285                            文献标识码：A                      文章编号：1674-098X（2020）08（a）-0164-03

Abstract： D2D communication technology is the key technology of 5g network， which can realize the direct communication between two user nodes. This paper studies the technical characteristics of 5G network， analyzes the application methods of D2D communication technology in the field of Metro communication in detail， summarizes the communication process， resource allocation method and advantages of D2D communication technology， and puts forward the application essentials in the train control system. We assume that the allocation of radio resources is very appropriate， so we can use D2D technology to reduce network interference， to a greater extent， use the function of equipment， and improve the overall function of the train control system.

Key Words： 5G communication; Metro train; D2D communication; Train control

1  引言

5G是第五代移动通信技术的简称。5G是一种促成了人和人、人和物、物和物的安全高速融合网络。目前，5G的建设已成为一个热门的研究领域。在城市轨道交通中，因为列车较高的运行速度，且通行于地下或高大的建筑物之间。因此，通信的实际需求已经是传统的卫星通信无法满足的了，经常出现通信不稳定、安全水平低等问题。现如今，无线网络通信技术在生活中越来越普及，构建与应用了利用4G通信技术的LTE车地无线通信战线。但现阶段应用的LTE-M系统，其使用的频段主要为1785～1805MHz频段，且目前无线电委员会允许的城市轨道交通通信网络带宽仅为10～20MHz。

2  5G技术在城市轨道中的应用

目前，5G网络对于可靠性、安全性、覆盖范围都有所提升。其新增加的端对端（D2D，Device-to-Device）通信功能将5G的应用领域进一步扩展。

通过两个设备之间直接通讯，基站的頻谱资源仅使用了一半，可以减小基站负担和通信时延。此外，相邻的两个用户通过D2D 通信技术来有效节约电量。其通信模式如图1所示。

5G网络中的D2D通信网络相较于4G来说，通讯系统的结构相对简单，能够不路过基站，实现列车与列车之间的通信，从而使相关工作人员了解实际的列车的位置、运行状况。此外， D2D通信网络技术可减少列车运行过程中的通信区间，从而缩合列车出行时间间隔，列车控制的技术得以提升，大大增加控制效率。

3  D2D优势及具体应用方法

当前基于CBTC的列车控制系统，在行驶线路中建设两条独立的车地通信网络互为冗余来防止轨旁网络设备故障造成列车降级运行或停止运行。5G通信使用了设备之间不需要进行基站中转，而是端到端（D2D）的通信技术。D2D通信技术是一种替代复杂的通信模式，在轨旁网络出问题时可以进行列车之间相互通信相互发送位置信息以及运作状态，从而确保安全的情况下，不会降低级别继续安全操作。D2D通信在进行列车之间的通信时可以减少列车出发时间的间隔，提高了管理效率，也使通信更为可靠。具体应用方式如图2所示。

此外，D2D通信技术支持多路跳转技术，也就是说终端的设备可以给其他设备提供通信链路，充当一个中继站，使得整个网络将不会因为某个位置信号弱或遭遇信号干扰，或者基站故障而不能进行通信，于是加强整个网络的健壮性、可靠性。D2D通信技术是列车首部和尾部通信的新方式。以往车子首部和尾部的车载控制器之间进行通信需要在建造时铺上首尾相连的线路，这样老旧线路和车辆的改建会很困难。D2D技术运用另一种无线的方式，首部和尾部机载控制器直接通信，而不用通过车地网络，不通过贯穿首尾的通信线路进行通信，同时减少施工时间，也为列车维护提供了方便。D2D通信网络技术为地铁系统提供了更加灵活的通信方法。D2D通信技术具有以下的优势：

（1）提高頻带操纵效率，利用D2D通信资源可以二次使用蜂窝状网络的频谱，从而使网络的吞吐量提高。采取D2D通信方式，通信两个终端之间的数据传输可以方便进行，无需基站转化，节省通信成本。

（2）改善社区笼盖范围，使用者的信号强弱程度通常和蜂窝式网络基站所在的地理位置有关，基站更接近使用者通常具有更高的信号强度，使用者在社区外围时有着相对较弱的信号。采取D2D通信有利于社区外围的使用者收到信号，社区的信号覆盖范围得以扩大，确保社区内所有的使用者获得不错的通信体验。

（3）扩大应用规模，运作通信网络要有很多的设备支撑，在中心网或接入网的通信设备一旦有问题可能停止整个通信网络运行，D2D通信可以不依托于基站传送数据，降低对设备的依托度。在蜂窝通信网络中建立的Ad-Hoc网络，可以不依赖现有网络设备迅速形成自组织网络，当系统或电源出问题时，通信可以正常工作。

（4）控制扰乱的功能，相对于其他短间距通信技术，D2D通信网络技术的显著特点就是各种扰乱我们可以有效防控，确保了通信的质量。D2D通信在授权的频率段工作，质量和通信安全信用能保证，有更好的使用者体验感。

4  D2D通信在列控系统中的应用

利用D2D通信技术，数据不经过转化就可以交互，并且在终端之间可以二次利用资源进行通信，因此它和CBTC系统方法相比，更加方便。传统无线通信网络结构与D2D通信的列车控制系统是不同的。列车使用传统车地通信传导和处理消息时，相邻的两辆车之间试着创设D2D连接，有下面两种具体的方式：

（1）当车辆A与车辆B直接通信时，采取D2D连接;

（2）当车辆A与车辆B之间的间距较长或链路状况不好时，使用基站转化方式，基站只转发接收到的信息而不作任何处理。

虽然D2D通信和传统的车地通信组合的过程比较麻烦，但它对现有列车控制系统基本设施的改动较少，而且数据传输比较可靠，因此确保列车的安全行驶非常重要。

5  结语

5G网络和轨道交通通信等场景相匹配，它们通常具有快速、范围大等特点，可以在车辆上提供较大的发射功率实现两车通信，完成近间距轨道交通环境的通信要求。本文通过探讨5G网络发展及其所包含的关键信息技术，主要研究其关键技术中的D2D通信工程技术，说明了D2D通信企业技术的通信方式流程、优势及资源分配工作方式，并阐述了它在列控系统的应用问题。无线电资源的合理配置可以使网络之间的扰乱减少，提高设备的使用率，提高列车控制系统的整体机能。

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