5G通信系统在城市轨道交通车车通信中的应用探究

刘荐侨

（北京城市快轨建设管理有限公司，北京，100071）

0 引言

5G时代已经到来，将其推广到各领域、各行业的应用已是必然，为了满足城市人群生活需要而愈发发达和复杂的城市轨道交通系统也向着稳定、高效、安全的方向在前进，在整个系统的建设中，通信系统负责着传输各类信息的任务，这就对通信技术提出了更高的要求，而逐渐成熟的5G技术恰好可以为新时代的轨道交通通信技术提供技术方面的支持。

1 轨道交通车车通信技术概述

对于许多在楼宇间或者是地下穿行的城市轨道交通方式来说，适用于铁路系统的卫星通信方式并不适用，这是受客观因素所制约的，当列车在地下或楼宇间运行时所能接收到的信号往往无法保障稳定性和实时性，在某些时刻和地段列车甚至无法接收到连续的信号。正因如此，城市轨道交通系统中应用的无线通信技术从最早的WLAN技术发展到3G、4G通信技术再到现在逐渐成熟的5G通信技术，可以说，无线通信技术的手段为了更好地满足城市轨道交通系统建设的需要，一直保持着与时俱进的步伐，不断地吸收经验并结合新兴科技手段来进行改革和发展。目前我国的城市轨道交通系统已全面覆盖4G通信技术，研究表明，随着5G技术的发展和普及，在未来一段时间内5G通信技术将被运用到城市轨道交通系统中去。

城市轨道交通系统中通信模块是可以有效承载系统运行时所产生的音频、视频、各项技术参数和人流量数据等信息的综合性模块，城市轨道交通系统中的通信按照不同的标准可以划分为多种通信。

城市轨道交通系统中的通信模块可以划分为以下几个部分：（1）信号传输系统；（2）公用通话系统；（3）专用通话系统；（4）无线集群通信传输系统；（5）监控系统有线广播系统；（6）时间系统；（7）乘客导览系统；（8）通电系统接地系统及网络管理系统等。

近些年来随着无线通信系统的快速发展，许多技术学者和专家提出了可用于车-车通信的新型CBCT通信系统，相较于以往的系统来讲，车-车直接通信可以在很大程度上减少轨道旁子系统的数量，降低系统接口数量，从而使得系统的复杂度大幅降低。同时，该构想也对列车提出了一些新的要求：列车需要在行驶过程中将车辆信息通过车上装载的网络传输模块实时地传递到同一通信系统中的其他车辆，与此同时，其他车辆也可以在运行的过程中实时地利用车载网络接受设备来从系统中获取这些信息，并利用这些信息经过车上搭载的计算系统来对自身的行驶速度进行计算和处理，经过这个环节达到移动闭塞的效果，从而实现及时获取列车信息、自动调整列车间距的功能，车-车通信的通信简图如图1所示。该通信系统方案可以有效减少车-车之间信息传输的环节，缩短传输距离，同时也让城市轨道交通系统的通信技术面临了更大的挑战。

图1 车-车通信简图

2 5G通信与4G通信技术参数对比

目前4G通信技术较为成熟，在交通轨道通信方面有着非常好的应用效果，但仍有不足之处，新兴5G技术可以有效提高网络通信能力。5G通信技术与4G通信技术在网络速率、带宽以及可靠性、延时程度等方面的对比信息如表1所示。

表1 5G技术与4G技术参数对比

从表中可以得知相较于以往的4G技术而言，当前更为先进并趋于成熟的的5G技术具有以下几点优势：

第一，网络速度快。5G网络状态下的信息传输速率是4G技术的百倍，并且高于4G四倍的超大的带宽也为高速率传输提供了更加稳定的基础保障。

第二，网络延时低。5G网络技术将时间延迟压缩至1毫秒以内，很大程度上提高了设备联网的速度，给用户带来了更好的体验感受。

第三，容量更大。由于城市的快速发展，城市人口密度逐年增大，在此种人口密度的城市轨道交通网络中，5G网络技术可以提供10倍于4G网络的连接数量，连接数量的大幅增加可以有效提高设备的通信服务质量，为更多的人提供更好的服务及感受。

第四，资源利用率提高。5G通信技术应用的全双工方式可以及时根据业务变化对资源分配进行规划和调整，有效提高了的系统资源的利用率，减少资源闲置和不必要的损耗。

第五，抗干扰性强。5G网络提高了信号的强度，有效减少了用户间的干扰，在提升系统容量的同时保证了频谱效率。

由上述分析可以得知，5G网络全方位提升了网络通信能力，在实际应用中可以发挥很好的作用。

3 5G通信系统在轨道交通车车通信中的应用

3.1 城市轨道交通系统中的5G网络架构

目前城市轨道交通主要由控制中心、车辆段、停车场等关键节点组成，从实际应用场景出发，对城市轨道交通5G网络架构进行设计，其架构图如图2所示：

图2 5G网络架构图

在城市轨道交通系统的控制中心来部署服务器和核心网络设备，在车站和停车场等环节部署附属应用服务器和附属网络设备以及无线反馈设备等，在列车上配备5G信号接入设备，至此，一套完整的覆盖城市轨道交通系统各个环节的5G网络就搭建完成，为城市轨道交通系统的各种业务提供技术支持。

3.2 关键问题

将5G网络技术应用到城市轨道交通系统中需要重点研究以下几个方面：

（1）频带资源

频带资源问题始终是城市轨道交通重点关注的部分。4G时代已有明文规定城市轨道交通系统可以使用的频段在1785-1805MHz之间，利用该频段来进行系统建设，但在实际应用中，各地区都需要根据当地的实际状况来对城市轨道交通的建设可分配频段进行适当的调整，大多数地区无法将20MHz的带宽全部分配给城市轨道交通系统，导致传输性能大大降低。因此，虽然国家出台了明确规定，为5G网络分配的频段更广，但在后续的工作过程中需要持续关注实际可以为城市轨道交通系统分配使用的频段在什么样的范围内。

（2）信号覆盖

经过分析，5G网络通信技术在城市轨道交通系统的实际应用场景中主要是通过天线和同轴电缆相结合的方式来进行信号覆盖，在各个环节利用天线的形式进行信号覆盖的计算模型可以参考下面这个公式，其中L是自由空间损耗度（dB），F是频率（MHz），D是距离（km）：

L=32.4+20lg(F)+20lg(D)

在隧道中利用同轴电缆的形式进行信号覆盖，在设计过程中需要对传输和耦合造成的损耗、车体对信号的屏蔽等诸多因素进行综合性的考虑，针对于高频段信号进行传输的同轴电缆仍处于研发阶段，后续需要对产品的动态进行跟踪，以便及时调整设计方案。

（3）区间信号切换

受以下两个因素的影响：第一，列车以较快的运行速度通过隧道；第二，5G无线信号覆盖距离较短。导致在进行5G通信系统的方案设计时必须着重考虑区间信号切换的问题，需要对列车行驶速度以及信号切换耗时进行综合性考虑，尽可能地实现信号快速平滑切换，降低信号传输地延时和不连贯。

（4）应用开发

相较于4G时代，5G技术的无线传输速率有着明显的提升，开发适用于5G网络的应用可以使5G技术的优势得到充分地应用。目前，城市轨道交通系统中的各类应用都是以当前网络技术为基础研发的，数据存储方案、音视频数据质量等都有可拓展的空间。

在5G网络通信技术中云计算、大数据等技术的应用可以为城市轨道交通系统提供坚实而稳定的技术支持，对5G通信技术的合理运用，可以丰富系统功能、提升系统运行效率、让系统更加智能化。

4 5G通信系统应用于车车通信的可行性

5G通信技术中的超密集型异构网络结构可以完成数据量大、延时低、可靠性高的信息传输任务，与此同时，还可以为列车提供连续、安全的网络连接，再结合D2D的通信模式实现数据在车-车之间的直接传输，使得车-车通信成为可能，相较以往的车-地通信，很大程度上降低了通信成本，提高了通信效率。

为了使车-车直接通信成为现实，首先需要为通信系统提供足够的频段，来保证5G信号的传输；其次以采用数据加密等方式提高D2D的通信安全性；第三，5G技术需要与当今的4G系统进行衔接，避免在出现突发状况时系统崩溃，可以根据监控结果来设计一个用于5G网络出现问题时进行网络切换的系统，来保障系统的稳定运行。

5 结论

作为保障城市轨道交通系统正常运转的重要组成部分之一，无线通信系统的稳定是城市轨道交通系统中各部门、各功能正常工作最重要的技术基础。在很长一段时间内，受通信技术方面诸多客观因素的限制，使得在设计城市轨道交通系统中无线通信部分的过程中没有一个足够强大、稳定的技术支撑作为后盾，使得方案设计无法更好地满足实际需要。

5G技术的出现使得上述问题有望得到解决，5G通信技术有着带宽大、延时低等优势，并且在高速移动的情况下仍然有着极好的传输效果，这些特点使得各地区、各领域都对5G通信技术给予了很大的关注。随着5G通信技术的成熟，将其应用到城市轨道交通系统的建设中是必然趋势，可以有效解决当前城市轨道交通系统受通信技术限制所面临的问题，相信在不久的未来，可以看到5G通信技术在城市轨道交通领域的应用成果，创造出一个更加舒适、便捷、快速、高效的城市轨道交通出行环境。