5G移动通信技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用探讨

2022-11-17徐州地铁运营有限公司刘晓舟

数字技术与应用 2022年9期

徐州地铁运营有限公司刘晓舟

近年来，随着我国科技水平的不断提高，5G移动通信技术已逐步扩展到各个领域。作为交通运输业发展的一个重要方面，城市轨道交通必须得到有效的管理，借助5G移动通信网络推动其发展，借助5G通信技术，可以加快城市轨道交通系统的不断完善和建设，提高通信效率，保证正常运营。然而，目前5G技术的应用只是其中的一部分，其优势有待深入研究和完善。根据研究结论，5G技术被应用于轨道交通车地无线通信系统中解决了使用WLAN的车地无线通信系统容易受到外部因素的干扰，在高速列车运行过程中容易产生丢失包。5G技术应用于轨道交通为道路探索提供了理论基础。

城市轨道交通系统过去主要采用4G通信技术，但随着5G技术的出现和普及已经广泛应用于各个领域。5G移动通信技术本身所具有的优势使得其与其他技术互相结合，提高相关技术的可行性与优势。随着轨道交通建设规模和承载力的不断扩大，对车地通信系统需求也在不断增加。车地通信系统在5G移动通信技术的加持下，将过去的一些问题进行完善，充分提高了车地通信系统的高效性与安全性，使日常服务更加流畅。

1 5G移动通信技术概述

5G移动通信技术正逐步推广开来，优点可佳，用处广泛，是新一代通信技术。5G移动通信技术的频谱利用率和能源效率将大大提高，从而有效提高传输速率和资源利用率。此外，5G还将提高其传输时延、可靠性、安全性和覆盖率等性能，进一步拓展其应用领域，促进未来万物互联目标的实现。5G技术与其他技术相互叠加，不仅发挥出自身的优势作用，还会使其他技术更好地满足相应的要求，更好地实现其工作性能。目前，5G移动通信技术正与城市轨道交通相结合，优化城市轨道交通服务性能。5G技术在具体应用过程中比4G技术有更好的技术能力，可以集成和转换多种技术。此外，如果两个相对较近的用户可以通过D2D通信功能降低能耗。5G通信技术也在向稳定化方向发展，这些通信技术的发展和创新，可以有效地保证城市轨道交通技术的进一步发展。

5G移动通信技术虽然优点显著，成果喜人，但是一项尚未大规模应用的前沿技术，在实际应用中需要进一步研究：（1）在5G技术应用过程之中，大型天线将导致大量设备投资，这需要优化结构设计，选择价格低但是质量效果显著的设备，然而选择性价比高的设备需要严格把控质量；（2）5G移动通信技术下对于信息的防护将面临重大的问题。5G移动通信技术下，信息不仅传递速度快，而且信息传递的准确率也大幅提升，这将会使信息泄露问题更为显著[1]。

城市轨道交通由于其载客量大，需要对其安全性格外重视，针对乘客状态、列车运行情况等进行有效监控，保证车地无线通信系统的有效发挥。在5G移动通信技术下，车地无线通信系统的各个方面性能得到不同程度的优化与提升。5G技术应用于城市轨道交通并非完全代替4G、3G、2G等技术，而且几种技术共同结合使用。其中，许多技术升级为5G保证不同类型用户共同存在，之后再像全面5G技术过渡。

2 5G移动通信技术应用特点

2.1 高传输速率

移动通信经过多年的发展，从接打电话和短信发展到接收图片，再到视频通话。5G移动通信技术的出现，使得下载质量与下载速度提高甚多，这对5G移动通信技术与其他技术相结合提供了有效的思路。将5G技术应用于各种各样的领域也初现端倪，特别是对于一些高延迟问题将得到有效地解决。扩大5G技术的应用范围，通过5G技术高传输速率的特点，极大的满足人们的通信需求。

2.2 利用率高

5G技术可以有效地整合和创新各个领域和行业的各种技术。例如将5G移动通信技术应用于城市轨道交通，不仅可以使其更加便捷高效，而且有助于提高其安全性，这使得各种设备之间的传输速度更快。5G移动通信技术与各种技术相叠加，满足了各行各业应用对信息和数据传输的基本需求，提高了传输效率，为各行各业注入了新的活力，推动中国通信技术的未来发展[2]。

2.3 虚拟化功能突出

5G技术拥有强大的虚拟功能，将对虚拟化场景的应用提供最有效的支持。基于5G技术的VR功能更好的满足人们身临其境的感觉，无论是在VR游戏、VR观影还是VR仿真中，都将提供最契合人们视觉与听觉的场景。主要使用计算机模拟虚拟环境，给人一种真实的感觉，就像置身其中一样，让人们沉浸在虚拟世界中。近年来，虚拟现实是一个热门话题，又称虚拟现实技术。可以看到各种百货公司都有体验厅，可以选择各种场景，戴上虚拟现实眼镜和设备，感受真实的虚拟世界，实现了虚拟和现实之间的各种转换。

2.4 云服务效果显著

疫情防控期间远程办公的普及将继续加速云应用程序的部署。在5G移动通信技术下，将部署更多云端服务以适应新的日常业务，提供更大的数据存储容量以促进在线业务的持续增长，以及提供更强大的云端系统以应对未来的医疗危机。5G技术推动了灵活的云端基础设施建设、多云解决方案和万物互连的需求。以数据为中心的云服务的发展将为内存和存储带来巨大的提升，使得数据的保存与管理更加完善、高效与安全。

3 车载综合监控系统

在城市轨道交通系统中，车辆监控视频对司机室和列车内部进行监控。目前，这些存储在车载服务器上的日志文件是在列车运行结束后由运营商人工保存的，运行效率低，安全性差。为了适应车载PIS高清视频和车载视频的发展，以及远远超过现有WLAN带宽要求的城市轨道交通自动日志恢复，LTE网络的承载能力和动态运营模式要求实现车载视频和车载日常视频自动实时回传，可以满足视频等大数据量信息传输业务的带宽和速度要求。

4 车地无线通信技术

4.1 LET技术

基站和移动台必须在一定时期内保持一致，才能顺利开展工作。可以根据上下行数据的大小动态分配上下行数据，从而在不同时发送的情况下提高信道利用率。LET技术可以提高信号的通信能力，增强信息传递的效率与稳定性。LET技术在轨道交通车地无线通信干扰问题中得到充分的发挥。将传统技术中容量小、传输距离长、频带宽的问题进行优化处理。LET技术是采用的分组传输，其优势在于覆盖范围相对较广，传输速率也趋于提高。在抗干扰方面，由于其结构比较完善，技术完成升级，所以抗干扰能力强。在轨道交通高速运行下，也可以进行数据的高速处理与传输，并且延时短暂。LET技术中的时分双区系统是一种时间分离的信息信道。在高速运行过程中，列车需要不断地选择和关联区间内的新AP。然而，列车的高速运行往往会导致信号连接的严重延迟。

LET技术的维护也做到了精简方便，基站和核心网组成的LET系统在维护时比较容易，相对传统的技术而言，省时省力。LET系统还具有高效的QOS保障机制，在延时方面，传输速率方面以及数据丢包方面都可以通过QOS保障机制进行严格保证。

4.2 WLAN技术

传统的车地无线通信技术主要采用WLAN技术（无线局域网络技术），此技术经过多年的优化提升，已经趋于成熟，然而随着时间的推移以及新技术的出现，WLAN技术也将面临着考验。尤其是随着5G移动通信技术的出现，WLAN技术的不足也初现端倪。在城市轨道交通中采用WLAN技术基本能满足多项需求，其中IEEE802.11标准，带宽普遍为10Mb/a，传输性能良好。但是在轨道交通发展过程中，增加了许多业务需要更加完善高效的技术，此时WLAN技术略显疲沓，不能很好的满足于各种需求。带宽受限、覆盖率低、干扰强等问题可能会导致车地无线通信受阻而产生断开的情况，对交通安全产生严重的影响。

5 5G移动通信技术应用于车地无线通信系统

城市轨道交通车地无线通信系统主要解决高速移动和大容量传输需求的问题。综合考虑车地无线通信系统对传输带宽、安全性、可靠性的要求。特别是在高速线路上，由于列车运行速度快，应充分考虑多普勒频率的影响。LTE、WLAN和5G技术可以满足高速移动转换。从项目实施的角度出发，通过对每条线路的频率规划，选择适合每条线路的轨道交通无线方案。从技术发展趋势来看，5G作为技术发展方向，可以为轨道交通宽带通信系统提供可靠保障。该系统可以提供大容量的带宽，为智能轨道交通的建设提供基本的传输通道，为后续的智能化提供基础[3]。

5.1 采用5G的LET技术

与城市轨道4G纯网络的LET系统相比，5G城市轨道网络技术的优势尤为显著。（1）更高的速度可以满足相应需求。无人驾驶线路需要更高的速率，但是4G系统无法满足其需要。而且在视频监控、维护业务等方面，无法完成列车运营相关业务的需求。5G技术具有更高的传输速率，更好地满足相关需求。（2）5G技术使得列车运行控制系统具有较低的延时。5G的低时延特性满足列车运行控制系统的要求。（3）互连特性有助于业务的扩展。5G的互连特性决定了城市轨道的互连特性。它可以用于实时远程监控，降低传感器和处理器成本，适用于智能操作。（4）还可以用于建设有5G定位人员和设备的智能建筑工地。5G通信的低延迟可以真实再现数字镜像或模拟实际操作系统的各种场景，实现故障诊断和预测，保证城市轨道交通运行的效率和可靠性。

5.2 MIMO增强技术

MIMO技术可以数倍提高传输效率，并且带宽不用增加。MIMO技术相当于拥有多个独立的信息通道连接着接收端和发送端，使信号的吞吐量大为增加。采用MIMO技术的AP与客户端的传输速率基本可以达到100Mbit/s，相比于不采用该项技术时，提高一倍左右。MIMO技术拥有多种模式，相应的功能也各不相同。波束赋形对提高传输速率，增强系统的有效性大有裨益；发送分集可以增强系统有效性，但对传输速率没有明显提升。波束赋形可以理解为赋予一定形状的电磁波，并且进行集中传播。

目前，在5G移动通信技术加持下，集中式大规模MIMO技术广泛应用于基站中，增加了基站密度，可以进一步提高网络容量。基于5G技术的车载无线系统采用小基站+大天线技术，实现车站无线接入，AP切换和通信中断基本不会发生。一个站点可以配置数百个天线，极大地提高了频谱效率，提供了更全面的站点覆盖，极大地减少了干扰，极大地改善了站点。在运行期间，它可以无缝连接到5G站，通过网络传输业务数据。列车离开5G网络后，业务数据传输将在该范围内自动停止。

5.3 网络功能虚拟化NFV技术

NFV技术将特定的网络功能与昂贵的专用硬件平台解耦，以软件模块的形式实现网络功能，并在虚拟机上封装和运行。然后使用基于行业标准的商用服务器平台加载这些虚拟机。最后，软件处理网络上的业务数据，硬件传输底层数据。

6 MEC技术的业务连接和存储下降到车站层面

移动边缘计算（MEC）技术是提高5G网络服务能力的重要手段。将数据移至边缘点，并初步过滤一些业务处理数据。MEC定义为移动网络边缘的信息技术提供服务环境和云计算能力，网络服务可以更接近用户的无线接入网络，减少用户的感知延迟，显著控制网络拥塞，并引入更多业务应用。

目前，城市轨道交通PIS车地无线通信系统在实际应用中的常见故障是车辆监控图像无法实时上传到控制中心调度员，调度程序无法实现对车载CCTV监控。导致此故障的主要原因是WLAN系统的数据传输速度慢，需要将视频图像上传到控制中心。在连接和上传过程中容易发生信息重传和信息丢失，控制中心的服务器处理能力也有限。这两种叠加会导致通信中断和故障。解决这个问题的办法是对症下药。首先，通过提高接入层的连接效率，并在车站层面通过Massive MIMO天线技术部署数百个天线，可以有效地解决这个问题。此外，在每个站点部署一台边缘计算服务器，并将原控制中心解决的视频传输和存储沉入接入层，可以有效解决这一问题。