5G通信技术在城市轨道交通智慧运维中的应用探讨

张洪庆 陈 忠 黄剑平

深圳地铁运营集团有限公司 广东 深圳 518040

1 引言

随着全球新一轮科技革命和产业变革的深入推进，5G已成为世界各国实施数字经济战略的先导领域，我国更是将5G视为推进供给侧结构性改革的新动能、振兴实体经济的新机遇、建设制造强国和网络强国的新引擎。5G作为新型基础设施建设重要领域之一，应用前景广泛，且赋能行业发展的作用凸显，助力行业升级潜力巨大。

1.1 5G定义

5G是第五代移动通信技术的简称，也可以称为5G技术，也是继4G (LTE-A、WiMax)、3G (UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸，是最新—代蜂窝移动通信技术。5G技术的系统效率非常高，这得益于各种集成技术及现金的信息技术，它的发展速度非常快，为移动通讯用户间的传输速率奠定了良好的基础。相较于4G通讯技术，5G技术增加了信息资源的有效处理，使产能降低，不但迎合了移动通信市场的需求，而且发展了新科技革命。随着我国通信技术的快速发展，5G技术已经逐步在城市轨道交通中应用开来。其设备除了之前我们所熟知的手机和平板电脑等，也逐渐开始在许多方便携带的电子设备上应用起来，应用领域越来越广泛，涉及交通、金融、民生、医疗等，用户体验速率比4G快了近一百倍。5G技术的快速发展标志着我国通信技术水平的又一次提升。

1.2 5G通信技术的背景及发展

二十世纪末自1G技术问世，时至今日，通信技术经历了从1G到5G的快速发展，5G的问世给通信行业带来了不小的轰动，是当今最新、最快的通信技术，他可以实现多用户之间的传输，数据传输效率和数据信息的处理速度都很快，比4G的速度快了一百倍，大大迎合了当前人们快节奏的生活及需求，高效的传输效率也使得5G得到了快速的发展。5G的到来意味着一场新的科技革命的开始，5G的发展很大程度上也标志着我国移动通信技术的快速发展。由于5G技术高效的数据传输效率，使其在生产、生活中得到了广泛的应用，而且5G技术可以脱离小型只能终端使用，因此，它可以应用于更多的移动通信设备和智能设备上。

全球5G网络频段（图1）主要分为毫米波和Sub-6GHz。毫米波相比Sub-6GHz使用的电磁波波长较短，对应频率较高，在传输信号时速度更快，存储容量更大。Sub-6GHz由于使用相比毫米波低了很多的6GHz的电磁波，在传播速度和带宽容量上比毫米波逊色不少。

图1 5G网络频段

在先进技术结合应用下，5G网络在以下场景中具备较高应用价值与应用前景：

1.超高速的场景。例如高速移动的列车需要传输自身的状态信息至控制中心以保证自身的运行正常。

2.支持大规模的人群，在人口密集的地铁中，上万人同时参与的事件中，也能够流畅地进行对外通信。

3.超可靠的实时连接，即使移动到覆盖面边缘的地方也能连接到网络。

4.无处不在的物物通信，能够实现物品与物品之间的相互通信，即实现大规模的物联网。

在城市轨道交通系统中，无线传输是通信系统的瓶颈，特别是车地传输更是其中的难点和痛点。而5G毫米波具有频段资源丰富、带宽大、传输速度快、空口时延小、天线尺寸小等特点，借助5G毫米波通信技术，快速传输轨道交通通信系统重要数据，结合最新信息化技术，将会给轨道交通智慧运维带来变革。

2 城市轨道交通运用5G通信技术的需求

城市轨道交通的通信系统主要有两种：有线通信系统和无线通信系统。当前在城市轨道交通中应用最为广泛的是无线通信系统，当前，国内地铁一般采用WLAN技术来搭建无线网络，其中，CBTC车-地无线通信系统用来负责列车操控信息传输，由于它会直接影响列车运营的安全性和稳定性，因此，对该系统的稳定性提出了很高的技术要求，这就意味着，无线通信系统必须具备独立的传输通道和可靠的冗余通信信道。随着信息技术的快速发展，无线通信技术、自动化在生活中的应用越来越普遍，另外，地铁移动办公、轨旁检测数据采集和车辆大数据采集也对通信技术的要求越来越高。在成熟轨道交通中，不同的运营环境需要不同的无线通道技术，要求也各不相同，比如，有的需要大容量信息传输，有的需要更加安全的通信传输系统，有的对功耗的要求较高等，一般情况下，车-地传输网络必须要安全、稳定、高效。从我国轨道交通发展趋势来看，将来车-地传输对于宽带的要求也势必越来越高。随着轨道交通技术的快速发展，对车-地传输宽带的需求也越来越高，对于城市轨道交通的安全性、稳定性及经济性等方面的要求也越来越严格。

3 5G通信技术在深圳地铁智慧运维的应用

国务院提出开展智慧城市试点工作以来，深圳市智慧城市建设蓬勃开展，要求智慧城市建设中，智慧交通要先行，不仅成为智慧城市的重要组成部分，并且要起着主导作用。

然而随着深圳地铁运营网络不断扩大，轨道交通运营车辆、设备数量成倍增长，现有传统的运维服务模式已经难以适应数量、服务质量要求，因此需要探索信息化、网络化、规范化的运维新模式。但在推动列车运营自动监控、综合维修和旅客服务信息系统一体化，开发轨道交通主动检测与智能维护系统过程中，发现其中无线车地传输是制约城市轨道交通智慧化的瓶颈所在。

目前国内地铁车地无线通信系统主要有二种方案，其中之一是采用WLAN方案，即在隧道区间部署WIFI网络。WIFI网络本身并非为移动通信设计，虽然从802.11g、802.11n到802.11ac，空口速度在提升，但是WLAN方案长期存在使用公共频段导致车地无线通信被干扰的问题，存在高速移动性能差、切换能力差等先天劣势，同时还存在因轨旁设备部署密集，造成运维压力大的问题。

大于1785MHz，小于1805Mhz，是目前城市轨道交通所使用的LTE-M系统频段，虽然在移动性能和抗干扰能力都很优秀，然而应用到车地无线通信系统的LTE-M存在可用频宽太窄的问题，仅有20MHz的可用频宽。在这种情况下，通过测试得知，上行通信最大、最小及平均数据吞吐量为3.7Mb/s、2.9Mb/s和3.3Mb/s，下行通信最大、最小以及平均数据吞吐量分别为8.6Mb/s、6.0Mb/s和8.4Mb/s。因此可用业务和传输速度都受到限制，无法满足智慧化所需的大带宽，超高速要求。

深圳地铁既有线路车地传输大部分采用WIFI方案，少部分采用LTE-M方案，因此在智慧化亦受制于现有WIFI、LTE-M通信技术，面临如下问题：

正线设备数据无法传回：针对轨行区和车载设备告警信息、设备故障视频图像等的运维优化项目（电客车健康管理、弓网在线监测、车载信号监测、变形监测、轨道探伤等）受制于现有的无线传输通道，不能实时、稳定回传后台分析，无法实现地铁智慧运维、大数据分析和预测性维修。

安防视频下载效率低：电客车健康管理系统和列车安防系统视频数据量达到1TB/列天，无法实现实时下载，人工上车下载效率低下，占用列车运维时间，在紧急情况下甚至需要列车清客至折返线登车拷贝，难以满足事件调查快速、及时的要求。

为了推动深圳地铁智慧化工作，针对地铁车载监控视频等大量数据回传的痛点和难点问题，经过市场、技术调研、论证和测算，结合轨道交通应用场景，深圳地铁选取11号线福田站、碧海湾站、机场站和碧头站作为试点，采用超高频5G通信技术车地通信方案传输车载系统数据。福田站至碧头站区间选取的4个车站包含地上和地下区段，站间距离长等情况，场景丰富；具有8节列车编组，车载设备多，数据量大，列车运行速度高、列车在此4个车站停留时间相对长等条件，能比较全面测试超高频5G通信技术性能，如果选取其他车站作为试点，因停车时间都大大比上述4个车站停留时间短，传输相同容量数据，必须敷设多一倍以上的接收基站，无线传输的投资成本必然翻倍。

超高频5G通信技术车地通信系统核心部件分别为：轨旁基站RBS、车载设备TAU（图2），并辅以车载网关、地面高速转储服务器等其它上下游设备（图3）。在列车车厢安装车载设备TAU、车载网关，负责收集数据和无线传输；在车站首尾两端部署轨旁基站RBS，通过光纤网络与地面高速转储服务器连接，实现数据的接收。

图2 超高频5G通信技术车地通信系统

图3 超高频5G通信技术车地通信系统上下游设备

超高频5G通信技术车地通信系统采用相控阵天线、波束赋型、载波聚合等技术，提供一条拥有超过1.5Gbps的空口业务传输能力的车地高带宽通信通道，大大地改善了车地传输效率，例如列车监控视频运行1小时，产生大约25GB的视频文件，使用原有LTE-M分配的4Mbps的带宽，需要14小时，紧急情况上车使用移动硬盘200Mbps拷贝速度，也需要1.5小时，使用超高频5G通信技术，自动下载速率达到1536Mbps/秒，150秒完成25GB的数据下载。

基于此通道，可搭建轨道交通综合业务数据传输承载平台，满足隧道设施风险识别、弓网设备智能巡检、视频周界入侵检测、钢轨磨损智能识别、主要区域人脸识别、乘客拥挤度分析、遗留物品查询、突发事件分析预警、列车智能检修、司机疲劳驾驶识别、司机标准作业管理、车辆无人驾驶监控等智慧巡检、智慧客服、智慧列车的数据传输需求，为车地业务系统提供坚实的基础。

4 结束语

目前，无线通信技术在传输带宽、高速移动性以及传输时延支撑等各方面均有一定的局限性，这使得各系统在方案设计及应用开发等方面亦受到较大的限制。5G通信技术飞速发展，主要展现出其高速率、高安全性、高可靠性的特点。在智慧安检、智慧运维方面，5G通信都突显出了巨大的潜力。因此，对于我们打造更加便捷高效、方便舒适的城市轨道交通出行环境，5G通信必不可少。