关于城市轨道交通5G 通信技术的应用展望探讨

2021-11-26章程

魅力中国 2021年36期

章程

（安徽省综合交通研究院，安徽合肥 230000）

伴随5G 通信技术的出现与应用，城市轨道交通通信系统的技术应用，同样需要得到必要的改进[1]。目前，LTE-M 系统已经成为新建城市轨道交通选择应用的车地通信系统。这是因为该系统具有车地覆盖范围广泛的优势，它能为乘客进行视频通话或实施上网，均提供了便利。但是，它相对5G 通信技术依然逊色。因此，国家已经对城市轨道交通行业提出了明确要求，需要应用5G 通信技术。

一、5G 通信技术概述

（一）5G 简介

人们对移动通信需求处在不断增长当中，新一代移动通信系统5G 已经进入商用阶段。以5G 通信技术的应用，实现了通信性能的诸多突破，尤其是提高了频谱的利用效能，促使传输资源与速率获得了极大提高。5G通信技术很好解决了信息传输延时问题，并增强了信息覆盖能力，也强化了信息的安全性与可靠性。同时，它还能拓展系统应用的领域，且增加了端对端这种特有的通信功能。不仅如此，它又能支持海量信息传感设备的通信能力，也能支持机器对机器的通信能力，进而推进了在未来可能实现的万物互联目标的接近。5G 具有的良好用户体验，能使诸多行业或领域满足特定通信需求[2]。

（二）5G 的技术优势

5G 是在应用多种先进技术和创新方法，在改善网络原有性能，扩展原有功能，像它所使用的高频段数据和D2D 通信、规模较大的阵列天线、新型的多址、多载波和网络架构、全双工、密集网络等技术，实现了现代通信技术的大跨越。尤其是D2D 通信技术，能实现由设备到设备的直接通信，既能降低通信延时，又能为基站减负，还能少占频谱资源，更能降低传输功率，实现能耗降低。它有很高的通信安全性与可靠性。5G 具有的技术优势，非常有助于提升城市轨道交通通信系统的性能。

二、城市轨道交通对5G 技术的应用

（一）可实现通信的高速

当前，城市轨道交通通信系统都在应用LTE-M 系统。但因受各地频率资源利用因素制约，针对城市轨道交通通信资源，一般只允许使用其中的10MHZ带宽。城市轨道交通为使自己允许使用的有限通信资源，实现通信信号的安全可靠性，又将其分成A、B 双网，即5MHZ+5MHZ，实施冗余式通信[3]。

根据我国《城市轨道交通装备技术规范》提出的需求，在不同的自动运行等级当中，城市轨道交通通信的传输速率，需要满足下列要求，即乘客视频业务2Mbit/s-8Mbit/s；视频监控业务2Mbit/s/路；列车运行状态监测业务0.024Mbit/s-0.1 Mbit/s；列车紧急文本下发业务0.01Mbit/s-0.01Mbit/s；综合承载列车运行控制业务0.256Mbit/s-0.512Mbit/s。但LTE-M 通信系统则难以满足如此的要求。同时，我国《城市轨道交通装备技术规范》，未对集群调度业务的通信传输速率，提出具体的要求。不过，依据针对现场的实际测试，它的单路高清视频传输速率则是较小。

假如将每个业务都放在最小单位，依靠LTE-M 通信系统当中仅有的5MHZ带宽，是不能满足各类业务综合承载设计需求的，尤其需要多种业务进行多发时，则更显通信资源的捉襟见肘。比如，如果有多列列车需要在同一区域实施通信或进行多路视频传输时，那么，LTE-M 通信系统的单网承载则难以支撑出现正常的通信速率，造成一些业务空间不能实现有效扩展。为破解这一难题，只好设计应用多个网络用来承载不同业务的通信速率。即使是进行了这样的破解，又出现了构建网络复杂、建设周期长和后期维护难度高等问题。

应用5G 通信系统，则是境况迥然不同。因其采用了多种先进技术，增加了相应的频谱效率，使原有的带宽能够提供比较高的通信速率。同时，还用更高的频段，用来缓解频谱资源紧张的难题，进而能够实现短距离的极高速通信。相比较而言，5G 网络显示的频谱效率是4G 网络的5 到10倍。这样，就能将城市轨道交通中的上行或下行平均通信速率分别提高到18.5Mbit/s-37Mbit/s 或42Mbit/s-84Mbit/s。如此看来，5G 通信技术既可以单网综合承载城市轨道交通现有业务，又能增加多路高清视频，实现了对承载业务通信速率的满足需求。不仅如此，5G 通信技术还能简化新网构建复杂度，并可降低后续的维护难度。伴随5G 通信技术网络综合承载力的增强，又能减少轨旁设备的安装，既利于对老旧线路的改造，又能拓宽轨旁空间，并且能缩短工期，节约建设成本[4]。

（二）可实现低延时与高可靠

追踪相应的间隔，确保城市轨道交通车辆用一定的时间间隔，在轨道线路上进行互不干扰的运行，既是衡量城市轨道交通车辆运行控制系统性能的一个关键性指标，又是确保城市轨道交通车辆运行效率一个重要参考。无线通信应该是CBTC 系统能够实现城市轨道交通车辆较小追踪间隔的一个关键性基础，但是，出现的通信延时现象又是相对普遍之象，往往会导致出现车辆车载与地面通信设备对信息使用不同步问题，因而降低了通信的可靠性，造成对城市轨道交通车辆运行安全、追踪间隔和运行效率的影响。

根据我国《城市轨道交通装备技术规范》中提出的要求，通信系统的单路与单向传输延时，不能超过150ms 概率并不小于其98%，也不能超过2s 概率并不小于其99.92%。但以往使用的城市轨道交通通信系统，则难以达到这样的要求。在没有良好解决通信延时问题的情况下，同样不能很好实现城市轨道交通车辆追踪间隔与破解通信延时的理想状况。

应用5G 通信技术，能够将端到端的延时状况，降到1ms 之内，进而促进了城市轨道交通车辆运行间隔的进一步缩短，并可促成车辆编组运行或实施虚拟联挂的实现可能。通信延时的降低，显示了通信系统运行的可靠性，又在助力城市轨道交通车辆实现运行的安全性[5]。

（三）可实现端到端之间的通信

目前城市轨道交通应用的CBTC 车辆控制系统，主要是为预防轨旁网络设备出现故障以后，会造成车辆出现降级运行乃至停运问题。为此，只好设计A、B 彼此独立的车地通信网络，实施相应的冗余通信。这种通信网络的设置，既要增加大量的通信设施，又要增加建设投入，还要应用较长的建设周期，并要增加后续维护的难度，更阻碍对老旧线路的改造。

应用5G 通信技术，体现了D2D 通信技术的性能，可使通信设备之间的数据通信，不再需要基站实施中转。端到端通信技术依然是一种另外的冗余通信方式，但它可在轨旁网络出现故障的时候，能够实现车辆之间的直接通信，用以通报各个车辆所在的位置以及当时的运行状况等信息，极大提高了车辆运行的安全性，并不会使车辆进行降级运行。同时，因为它缩短了车辆之间的通信延时，通信的可靠性，则减少了车辆之间的运行间隔，促进了车辆的运行效率。

不仅如此，端到端的通信技术，还能较好支持相应的网络多跳技术，可将通信终端接入设备，当作一种网络中继，以期为其他设备提供一定的通信链路，进而使通信网络不会因为信号弱而受到干扰，也不会因为出现基站故障而导致不能实现通信，可将通信系统武装得愈加健壮，尤其能极大提升通信网络运行的可靠性。

同时，端到端通信技术也为城市轨道交通车辆提供了进行首尾通信的蹊径。以往车辆首尾之间的通信，都在依靠车载控制器，并在车载控制器之间铺设首尾贯通线路而实现通信。而端到端通信技术则是可以直接应用无线方式，实现车辆首尾的直接通信，不需要再铺设贯通线路，也没有必要再借助车地网络。可见，它的优势显然明了，尤其降低了通信成本，提升了通信效率。端到端通信技术能够为城市轨道交通通信提供愈加便捷、灵活的通信方式。

（四）可实现海量用户的超密集组网

5G 通信技术大大提高了通信带宽，能承载更多的业务，为实现海量无线设备组网提供了技术支持。如果应用5G 通信技术，能将现有车地有线组网设备进行部分改造，进而减少大量的布线，实现灵活分布，腾出原有通信设备占据的空间。

为充分体现通信系统具有的可靠性与安全性，也可以适当增加一些无线传感器设备或监控设备，运用无线网络动态实时采集车载设备或轨旁设备运行的状态信息，并对这些采集到的信息进行大数据解析，以利发现设备运行故障或潜在危险因素，并将其发现及时传输给控制中心，促使维护人员能够快速到达故障出现的现场，实施精准性及时的维护，用以确保城市轨道交通车辆高效而安全的运营。

不能否认，实现这样的通信水平，固然需要诸多的终端接入，但5G通信技术因其能够支持海量终端接入，则可节省大量的组网时间。因此，它非常适用于城市轨道交通通信系统的建设。

（五）可实现大规模的天线阵列

5G 通信技术能借助天线空分特征，将相同的时频资源，同时实施若干用户的服务，既能提升必要频谱效率，又能增强通信信息传输的可靠性。究其原因，是因其能支持城市轨道交通中海量设备的接入，并能应用波束赋形技术提升城市轨道交通车辆车地通信系统的抗干扰能力。因为波束赋形传播，方向性较强，因此，可间接获取城市轨道交通车辆大概位置，利于追踪车辆运营轨迹，它比较适合城市轨道交通换乘站、车辆段或地面段等场合应有这种通信技术。

（六）可实现绿色通信

应该说，通信技术还要继续发展，通信能力消耗严重问题依然需要获得进一步的破解。国内外针对通信实现节能减排都构建了不同的指标要求。我国针对城市轨道交通通信同样提出了要求，需要城市轨道交通行业积极优化通信网络，以利逐渐降低能耗。

5G 通信技术的出现与应用，均能优化通信网络架构，实施合理通信网络部署，科学调度通信资源，提高通信网络链路技术，进而促进通信网络的运行效率，降低信息传输能耗。由于它具有的这些特性优势，已经为实现绿色通信和节能减排创造了技术条件。展望未来，5G 通信技术将对城市轨道交通通信网络建设，提供更大的应用空间。