试谈5G通信在城市轨道交通的应用

曲璟

摘  要：4G通讯技术的快速发展与应用推动了我国城市交通轨道的发展，构建了LTE车地无线通讯传输系统，提升了通讯的覆盖范围、传输速度，为我国城市轨道交通带来了便利。随着5G网络的不断研发和大规模商用化，4G技术将逐渐被替代，5G网络将根据以往的发展规律在各个性能方面做出突破，作为城市轨道交通通讯的重要组成部分。文章将简单分析城市轨道交通无线通讯现状，深入研究5G网络通讯在城市轨道交通的应用，旨在给城市轨道交通日后的发展提出建议。

关键词：5G通讯;城市交通轨道;无线通讯

中图分类号：U285.2        文献标志码：A         文章編号：2095-2945（2020）30-0163-02

Abstract： The rapid development and application of 4G communication technology promotes the development of urban rail transit in China， constructs the LTE vehicle-to-ground wireless communication transmission system， improves the communication coverage and transmission speed， and brings convenience for China's urban rail transit. With the continuous research and development of 5G network and large-scale commercial use， 4G technology will be gradually replaced， and 5G network will make a breakthrough in various performance according to the previous development law， as an important part of urban rail transit communication. This paper will briefly analyze the current situation of urban rail transit wireless communication， in-depth study of the application of 5G network communication in urban rail transit， in order to put forward suggestions for the future development of urban rail transit.

Keywords： 5G communication; urban transit track; wireless communication

当人们还在感慨4G通讯技术的便捷时，5G通讯技术已经悄然而至。5G通讯技术可以应用在生活中的方方面面，不仅可以用在个人的智能手机和电脑上，也可以应用在全球智能交通系统上。与4G通讯技术相比，5G的传输速度、传输距离、传输安全性都有了巨大的飞跃，是现代通讯技术综合能力的提升。目前世界各国都在积极推进5G通讯技术的发展，我国也对5G技术的发展做出了明确指示，要大力推广5G试验和商用试点，在2020年开启5G商用，促进城市移动通讯技术快速发展。与此同时，城市轨道交通也在向着更安全、更舒适的方向发展，5G技术的发展加速了城市轨道交通通讯系统的建立，在原有通讯技术的基础上再度升级，推进轨道交通装备产业向智能化、标准化、平台化发展。通信技术作为提高城市轨道交通工作效率和自动化程度的前提，是城市轨道交通的重要组成部分。5G技术的引入，为城市轨道交通的发展注入了活力，虽然还未在全国范围内引入，但是在城市交通轨道有十分广阔的应用前景。

1 5G通讯技术概述

第五代移动通信技术（5th generation mobile networks），简称5G技术，是最新一代的蜂窝移动通信技术，也是3G、4G的升级换代。随着现代通信需求的不断增加，5G技术未来几年将逐渐商用，5G各方面的性能也会有显著的提升，尤其在频谱利用率和能效方面，传输效率和资源利用率将提高一个数量级。与4G技术相比，5G网络的提升不仅显示在传输速率上，它所支持的设备也从手机、平板转换为各类可佩戴的设备。5G技术的发展使它能够适应以下几种场景：（1）在超高速的移动场景中，如地铁、列车需要传输自身的运行状态至控制中心，以此保证正常的运行[1];（2）在山村、城镇也可以进行通讯，保证用户通讯的流畅性;（3）在人流量较多的商场、地铁中，可以与外界进行流畅的通讯，不会因为人多而造成网络速度降低;（4）大规模物联网业务场景，可以满足大型通讯设备连接，构建人与物、人与人等多方交流沟通的网络体系;（5）稳定、可靠的实时连接，即使在基站覆盖的边缘也可以连接网络，不影响正常通讯。而对于城市轨道交通通讯系统性能的提升，5G将采用多种新技术与新方法来改善网络性能，例如D2D通信、高频段数据通讯、新型网络构架、新型多址等技术，实现4G网络向5G网络的飞跃。此外，对于5G最关键的D2D通讯功能，可以减轻基站的负担，减小通讯延迟，实现从设备到设备直接进行通讯，不仅如此，与传统的蜂窝通信相比，D2D仅占有一半的频谱资源、节约能耗。

2 城市轨道交通中的通信

卫星通讯的方法对于地铁或在高楼之间的城市轨道交通并不完全适用，因为在地铁在高大的建筑物周围运行时信号并不稳定。从最早的WLAN到现在普遍应用的4G技术，再到将来5G通信在城市轨道交通的应用，城市轨道交通中应用的无线通讯技术随无线通信的发展而发展[2]。城市轨道交通通信系统是一种承载城市轨道交通系统中产生的实时或历史音频、数据等各种信息的综合业务数字通信网络，可以分为有线通信、无线通信，主要由传输系统、公务电话系统、闭路电视监视系统等多种子系统组成。

（1）有线通信。传输系统作为轨道交通通信系统中的主要部分，负责传输各种信息，如控制中心无限调度台至各车站基站的语音和控制系统，各种低速数据通道等。传输系统采用以光纤通讯为主的传输介质，在车站、停车场等设置传输节点及接入设备，通过线路两侧光缆构成光纤环网。传输系统的组网方式为自愈网，分布的连接网络也是采用802.3有线网络，如此一来，就可保证传输系统高效、实时、安全，在出现突发事故时也能及时为救援提供通讯服务。

（2）无线通信。城市轨道交通通信系统中，所有除去有线传输媒介来进行的传输都是无线通信。无线通信可以实现与移动中的作业人员、抢险人员实时通信，因此可以保证在突发事件处理过程中的安全。无线通讯主要分为车-地通信与车-车通信两种，随着城市轨道交通CBTC系统全自动无人驾驶技术的發展和应用，以4G为基础的TD-LTE移动通信技术将逐渐无法满足列车的需求，5G通信技术的应用将成为切实可行的方式，信号系统每列车承载的上/下行列控信息业务宽带需求可达到1Mbit/s甚至可以更多。而在车-车通信中，为了有效缩短信息传输的距离，有一些学者提出了基于车-车通信的新型CBTS系统，与传统的CBTS系统相比，降低了系统的复杂性，使得系统更简洁，不过虽然缩短了信息传输的距离，但是对通信网络提出了更高的要求，这也需要5G技术尽快商业化，早日运用在城市轨道交通系统中。

3 5G通信在城市轨道交通中的应用

（1）高速通信。当前城市轨道交通系统使用1785～1805MHz频段，但因为资源使用限制，只可用10MHz用于城市轨道交通，其中将10MHz分成A、B双网以确保系统安全[3]，在此情况下，其上行通信最大吞吐量为3.7Mbit/s，最小吞吐量为2.9Mbit/s，其下行通信最大吞吐量为8.6Mbit/s，最小吞吐量为6.0Mbit/s，然而根据《城市轨道交通装备技术规范》可知，城市轨道交通通信系统承载多种业务通信需求，其中包括列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、IMS视频监控业务等多种不同业务，各业务传输速率要求也不同，例如GOA1/2的列车运行控制业务上行速率和下行速率为0.256Mbit/s，而GOA3/4的列车运行控制业务下行速率和下行速率为0.512Mbit/s;GOA1/2与GOA3/4的列车紧急文本下发业务下行速率为0.01Mbit/s。对于当前的LTE-M系统无法满足各业务综合通信的需求。5G通信技术增加了频谱效率，可以在原有带宽基础上提高通信速率，可以实现高速、有效通信。与传统的4G技术相比，5G网络将频谱效率提高了10倍，这样可以满足更多的业务需求，简化了新线网络设计的复杂性，也降低了维修的难度，大大提高了工作效率。

（2）延迟低，可靠性高。保证列车在一定的时间间隔在线路上互不干扰的运行是衡量列车运行控制系统性能的关键指标，同时也是确保运行效率的重要参考。通信延迟是无线通信过程中普遍会遇到的问题，通信延迟会造成车载和地面设备信息使用不同步，降低可靠性，容易对列车运行的效率与安全产生影响。根据实际测得新建线路LTE-M网络端到端时延，单漏缆最小时延11.5ms，最大时延67.0ms;双漏缆MIMO最小时延11.5ms，最大时延54.5ms，根据不同通信时延下列车追踪间隔与最优速度可知，无延时情况下，追踪间隔为33.06s，延时为200ms时，列车追踪间隔为38.27s。运用5G技术，可以大大降低延时，使得运行间隔进一步缩短，增加系统的可靠性，确保列车运行的安全性。

（3）大量用户超密集组网。5G网络通信带宽大幅度提高使得网络可以承受更多的业务，也允许大量设备组网通信。对于现有的城市轨道交通中的某些有线设备，可以改为无线组网的方式，减少地面大量的布线，减少了空间占用率，降低了设备需要集中放置的需求，不仅如此，设备的放置也更加灵活，也更有利于日后的维护和修理。除此之外可以接入无线传感器设备和监控设备，对列车运行进行实时监控，及时发现运行过程中存在的问题与潜在危险，将检测的数据及时反馈给控制中心，使得工作人员可以第一时间做出反应并且及时做出应对，保障列车运行的安全。相比于4G网络，5G技术支持海量终端的接入使得上述方法成为了可能，同时也使得5G技术在城市轨道交通中的应用更加广泛。

（4）绿色通信。随着通信技术的不断发展，用于通信的能量损耗问题日益严重，城市轨道交通应该以节能减排为目标，积极优化网络，降低通信过程中的能量损耗。绿色通信是指减少环境污染、资源浪费以及对人体和周围环境产生危害的新一代通信理念，实现人与自然和谐相处，实现可持续发展。一般采用创新的高效功放、智能温控等技术，对基站进行改造，从而达到降低能耗的目的。5G技术通过在网络构架、网络部署、链路级技术等方面进行优化，从而提高运行效率，减少系统运行过程中的能量损耗，实现节能减排、绿色通信的目标，实现可持续发展。

4 5G通信在城市交通轨道的应用中面临的问题

目前我国的5G通信技术正处于发展状态，因此在实际应用的过程中难免会遇到各种各样的问题。在城市轨道交通的应用中，需要注意以下几点问题：（1）在应用D2D通信技术时，应该注重该技术在蜂窝网络中应用的科学性，实现于蜂窝网络资源共享，以此来提升传输效率、缩短延时、控制成本;（2）在5G网络的实际应用过程中要具备兼容性，当遇到突发危机造成5G网络不能正常使用时，可以及时切换到4G网络，以确保列车运行的安全;（3）节约通信资源已经成为现代社会的追求趋势，5G网络在实际应用时，不仅要做到增强通信水平，更要实现通信资源的节约，保证绿色通信[4]。

5 结束语

5G技术的研发与发展不仅给城市居民快速的上网体验，而且对于正在发展的城市轨道交通系统的建设有积极的作用，5G技术推动了城市轨道交通更加智能化、自动化、系统化、绿色化，增强了城市轨道交通通信的灵活性与便捷性。5G技术的提出，为城市轨道交通的发展提供了新思路，同时，5G技术能够提高效率，降低成本、减少传输过程中的能量损耗，积极响应了国家号召的节能减排、绿色通信，对将来城市轨道交通的发展有着积极的指导意义。

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，2019（9）：169-172.

[2]丰顶胜.5G通信在城市轨道交通的应用[J].电子世界，2019

（02）：189-190.

[3]江波，段俊，等.5G通信技术在城市轨道交通中的应用探讨[J].现代城市轨道交通，2018（12）：6-9.

[4]杨亮.浅谈5G通信技术在城市轨道交通中的应用[J].电子世界，2019（03）：189+191.