淺析5G通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

白浩

摘要：4G通信技術(shù)的高速發(fā)展與普及應(yīng)用，推動(dòng)了城市軌道交通通信系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了LTE車地?zé)o線通信傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建，有效提升了通信覆蓋范圍、信息傳播速率、信息傳輸抗干擾能力，為城市軌道交通管理與服務(wù)帶來(lái)便利。但在測(cè)試與實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，基于4G通信技術(shù)應(yīng)用下的LTE系統(tǒng)，其綜合承載能力存在一定限制，在信息傳輸與處理上有待進(jìn)一步完善。而5G通信技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，為城市軌道交通的創(chuàng)新發(fā)展提供了新動(dòng)力。對(duì)此，有必要加強(qiáng)5G通信技術(shù)及其在城市軌道交通中應(yīng)用的研究。

關(guān)鍵詞：5G通信技術(shù)；軌道交通；應(yīng)用

15G技術(shù)概述

1.15G介紹

隨著移動(dòng)通信需求的不斷增長(zhǎng)，新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)——5G將在未來(lái)幾年內(nèi)逐漸商用。屆時(shí)，5G依據(jù)以往發(fā)展的規(guī)律會(huì)在多個(gè)方面的性能有所突破，特別是頻譜利用率和能效將有較大提升，使得在傳輸速率和資源利用率方面會(huì)提高1個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高。另外，5G將在傳輸延時(shí)、可靠性、安全性、覆蓋能力等方面獲得較大的性能提升。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴(kuò)展，將增加端對(duì)端（D2D，Device-to-Device）通信功能，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)海量傳感設(shè)備及機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支撐能力，從而促進(jìn)未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。5G不僅讓用戶的體驗(yàn)更好，而且能夠滿足更多行業(yè)、不同應(yīng)用領(lǐng)域的特定需求。

1.2技術(shù)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)目前的研究進(jìn)展，5G將采用多種新技術(shù)和新方法改善網(wǎng)絡(luò)性能、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能，如高頻段數(shù)據(jù)通信、大規(guī)模陣列天線、新型多址技術(shù)、新型多載波技術(shù)、全雙工、D2D通信、密集網(wǎng)絡(luò)、新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等技術(shù)。通過(guò)這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)到5G網(wǎng)絡(luò)的飛躍。

相比較4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面的性能將得到顯著提升。5G還增加了D2D通信功能，是一種設(shè)備到設(shè)備的直接通信技術(shù)，可以減輕基站負(fù)擔(dān)、減小通信時(shí)延，與蜂窩通信相比，D2D通信僅占一半的頻譜資源。此外，距離較近的用戶利用D2D通信可以減少傳輸功率、節(jié)約能耗。另外，5G在安全性、可靠性等方面也提出了更高的要求。以上5G這些主要性能改善有助于提高城市軌道交通通信系統(tǒng)性能。

25G通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

2.15G通信技術(shù)應(yīng)用的可行性與必要性

首先，在城市軌道交通中，由于列車運(yùn)行速度較快，且穿行于低下或高大建筑物之間。因此，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際通信需求，存在通信不穩(wěn)定、通信安全水平低下等問(wèn)題。隨著無(wú)線通信技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，基于4G通信技術(shù)下的LTE車地?zé)o線通信系統(tǒng)得以構(gòu)建并應(yīng)用。但從現(xiàn)階段應(yīng)用的LTE-M系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，其使用的頻段主要為1785～1805MHz頻段，且受地方頻率資源應(yīng)用限制，城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)帶寬僅為10MHz，同時(shí)為保證通信安全、可靠，10MHz帶寬以半雙工方式進(jìn)行通信，其上行通信最大吞吐量約為3.7Mbit/s，最小吞吐量約為2.9Mbit/s；下行通信最大吞吐量約為8.6Mbit/s，最小吞吐量約為6.0Mbit/s。但由《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求可知，城市軌道交通通信系統(tǒng)系承載多項(xiàng)業(yè)務(wù)通信需求，包括列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、PIS（PassengerInformationSystem，乘客信息系統(tǒng)）視頻業(yè)務(wù)、列車運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、共舞電話業(yè)務(wù)、時(shí)鐘通信業(yè)務(wù)、緊急文件發(fā)布業(yè)務(wù)、專用電話通信業(yè)務(wù)等，且不同自動(dòng)運(yùn)行等級(jí)，業(yè)務(wù)傳輸速率要求也不同。例如，GOA（GradeofAutomation自動(dòng)運(yùn)行等級(jí)）1/2的列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)上行速率與下行速率需達(dá)到0.256Mbit/s、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的上行速率需達(dá)到0.024Mbit/s；而GOA3/4的列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)上行速率與下行速率需達(dá)到0.512Mbit/s，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的上行速率需達(dá)到0.1Mbit/s。而當(dāng)前應(yīng)用的LTE-M系統(tǒng)則無(wú)法滿足各業(yè)務(wù)綜合通信需求，影響城市軌道交通通信服務(wù)質(zhì)量與效率。應(yīng)用5G通信技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò)頻譜效率得到大幅度提升，可將上行平均通信速率提升至18.4Mbit/s～37Mbit/s，上行平均通信速率提升至41Mbit/s～84Mbit/s，從而滿足城市軌道交通多業(yè)務(wù)并行通信需求，提升通信質(zhì)量與效率。

其次，城市軌道交通中，為保證列車能夠在特定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行規(guī)范、有效、不干擾運(yùn)行，一方面需保證列車運(yùn)行控制質(zhì)量，另一方面需保證列車運(yùn)行效率。在此過(guò)程中，需依托無(wú)線通信進(jìn)行最小追蹤間隔確定。在此過(guò)程中，一旦出現(xiàn)通信延遲問(wèn)題，將降低追蹤時(shí)間確定的準(zhǔn)確性，對(duì)列車運(yùn)行可靠性、安全性產(chǎn)生不利影響。由《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》可知，城市軌道交通通信系統(tǒng)單路單項(xiàng)傳輸時(shí)延需控制在2s以為，98%的時(shí)延不應(yīng)超過(guò)1.5s。而基于4G通信技術(shù)應(yīng)用下的通信系統(tǒng)，在5M帶寬下的單路CBTC業(yè)務(wù)中，端到端單漏纜最小時(shí)延為11.5ms，最大時(shí)延為67ms，平均時(shí)延為16.5ms。而應(yīng)用5G通信技術(shù)，能夠?qū)⒍说蕉丝s短至1ms之內(nèi)，從而大幅度提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，提高列車運(yùn)行安全水平。

此外，相對(duì)于4G通信而言，5G網(wǎng)絡(luò)下D2D通信技術(shù)的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠在不經(jīng)過(guò)基站中轉(zhuǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)列車與列車之間通信，使相關(guān)工作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握列車所處位置、運(yùn)行情況。與此同時(shí)，D2D通信技術(shù)可經(jīng)一部縮短列車運(yùn)行過(guò)程中的通信間隔，從而實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行間隔的縮短，以提升列車控制質(zhì)量與控制效率。另外，D2D通信技術(shù)與自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、SDN（software-definednetworking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）/NFV（networkfunctionvirtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）、新型多址技術(shù)等的整合應(yīng)用，能夠?qū)ο到y(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集約控制，并在大數(shù)據(jù)分析下及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行存在的問(wèn)題，為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)提供信息支持，提升維護(hù)效率，降低維護(hù)成本的同時(shí)，保證城市軌道交通通信的安全與穩(wěn)定。

2.25G通信技術(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

目前，5G通信技術(shù)正處于發(fā)展階段，在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中不可避免會(huì)遇到諸多問(wèn)題，有待進(jìn)一步改善與處理。以城市軌道交通中的應(yīng)用為例，在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中，需注意以下幾點(diǎn)：（1）在應(yīng)用超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信覆蓋范圍擴(kuò)大，頻譜效率提升，系統(tǒng)通信容量擴(kuò)展時(shí)，需注重現(xiàn)有頻譜資源的科學(xué)配置，根據(jù)不同業(yè)務(wù)實(shí)際需求，選擇資源節(jié)約方案進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，善于利用新切換算法，滿足系統(tǒng)頻發(fā)切換需求，降低動(dòng)態(tài)變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定的干擾。（2）在應(yīng)用D2D通信技術(shù)時(shí)，為促進(jìn)其作用，包括資源節(jié)約、傳輸效率提升、時(shí)延縮短、傳輸成本控制等，需注重該技術(shù)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的科學(xué)性，能夠?qū)崿F(xiàn)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源共享，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中完成會(huì)話建立、會(huì)話維持、信息識(shí)別、信息移動(dòng)性管理等工作。（3）5G通信技術(shù)的應(yīng)用需遵循循序漸進(jìn)原則，即在現(xiàn)有4G通信模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)改造與升級(jí)。對(duì)此，城市軌道交通中5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備兼容性，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，可轉(zhuǎn)換到其他方式維持通信，以保證列車運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。（4）在新時(shí)代下，節(jié)約通信資源已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的客觀需求與必然趨勢(shì)，對(duì)此應(yīng)用5G通信技術(shù)，需實(shí)現(xiàn)綠色通道構(gòu)建，增強(qiáng)通信安全水平的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)通信資源的有效節(jié)約。

結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及應(yīng)用，對(duì)于正在快速發(fā)展的城市軌道交通建設(shè)具有一定的積極作用。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有望解決現(xiàn)在困擾城市軌道交通通信系統(tǒng)應(yīng)用中的一些問(wèn)題，而且提供了更強(qiáng)大的功能、更靈活的應(yīng)用，為優(yōu)化城市軌道交通相關(guān)系統(tǒng)提供了新的思路。同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提高系統(tǒng)效率、減少能量損耗、進(jìn)一步降低部分成本，實(shí)現(xiàn)國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排、綠色通信，對(duì)后續(xù)城市軌道交通設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)都有非常重要的指導(dǎo)意義。

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（作者單位：天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司）