5G技術在城市軌道交通信號系統中的應用探討

◆劉凈

5G技術在城市軌道交通信號系統中的應用探討

◆劉凈

（福州職業技術學院 福建 350000）

5G移動通信技術的快速發展引起了各行各業的關注與進入。而城軌交通作為城市交通的重要組成部分，承擔的乘客出行比重越來越大，面對越來越多的信息數據碰撞和越發智能的乘客出行需求，其與5G的融合發展變得尤為必要。本文通過分析5G技術的優勢，探討其在汽車通信、自動駕駛、智慧出行等方面的作用。

5G通信技術；信號系統；綠色通信；智能

當人們還在享受著4G帶來的便捷服務時，5G已經悄悄進入我們的生活。與4G移動通信技術相比，5G技術在速率、時延和容量方面都有很大的提升。當前，5G移動通信技術與各行業的深度融合、協同發展正在如火如荼地進行。

城市交通設施是城市高速運轉的主動脈，也是一個城市發展水平的重要體現。城市軌道交通作為城市交通的重要組成部分，其在城市公共交通出行的比重在逐年不斷提升，為了更好服務人民出行、服務城市發展，要借著5G高速發展的東風，推動城市軌道交通的智能化、自動化發展。

1 研究背景

1.1 5G技術的發展

5G移動通信技術是當前最前沿的移動通信技術，是4G進一步升級和發展的產物。隨著現代科技的發展，各行各業智能化、自動化需求不斷增加，對移動通信性能的要求也不斷提高，5G技術對比4G提升的不僅是速率，它所支持的設備也由手機、電腦轉變為各種便攜設備，應用領域也越來越廣泛。

5G移動通信技術較4G在速率、時延、容量等方面都有較大提升。這些提升使其能夠更好適應特殊場景，如高鐵、地鐵、汽車等高速場景中可以高效、穩定傳輸環境信息或自身狀態信息，保證運行安全；在山區、農村等邊緣場景也可實現流暢通訊；在商場、車站等大容量場景也可實現穩定連接；可以構建大規模的物聯網場景，實現人與人、人與物、物與物之間的多方通信網絡體系。

1.2 5G技術的優勢

相較于傳統的3G、4G技術，5G在多個方面都有了較大的提升：

（1）頻譜效率，頻譜資源屬于稀缺資源，隨著科技的發展，對頻譜資源的需求不斷增加，如何利用有限的頻譜資源滿足日益增長的需求成為科研工作者最重要的任務之一，5G移動通信技術采用小基站、新式天線、新型網絡構架，在優化覆蓋、信號質量的同時，還提升了頻譜效率，5G的頻譜效率要比4G提升10倍以上。

（2）容量，隨著4G網絡規模的擴大，移動智能終端得到迅速的發展，而移動智能終端的發展帶來的是流量的爆發性增長，人流密集區域的容量問題已經成為困擾通信工作者的難題。5G的超密集架構網絡不但可以提高頻譜效率，同時也能大幅提升系統容量，而D2D通信技術可直接在終端之間進行數據交互，無需基站轉發，有效減輕基站壓力。在這些新技術的加持下，5G具有超大的網絡容量，可以提供千億設備的連接能力，能夠滿足大規模物聯網通信需要。

（3）時延，端到端的時延是由傳輸路徑上的多段時延加和而成，僅靠優化其中一段局部時延無法大幅降低傳輸時延，5G技術一方面大幅降低空口傳輸時延，另一方面減小網絡傳輸節點，使空口、網絡架構、核心網等不同層次相互配合，使網絡在低時延和可靠性上具有極高的水準，為用戶提供毫秒級的端到端時延和高可靠性的業務保證，滿足車聯網、工業控制、遠程醫療、遠程控制等垂直行業的特殊應用需求。

（4）特殊場景，在移動通信技術的發展過程中，小區邊緣以及高速場景的網絡性能一直是困擾網絡優化人員的難題，5G連續廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率仍達到100Mbit/s，能夠滿足小區邊緣和高速移動客戶端的需求。

2 5G技術在城市軌道交通中的應用

2.1 車車通信

設備到設備通信（Device-to-Device Communication，D2D）是5G的關鍵技術之一，D2D通信是一種近距離數據直接傳輸技術，會話數據可直接在終端之間傳輸，不需要通過基站轉發，而相關的控制信令仍由網絡負責。5G網絡引入D2D通信，可以有效減輕基站負擔，降低端到端的傳輸時延，降低終端發射功率。當無線通信基礎設施損壞，或者在無線網絡的覆蓋盲區，終端仍可借助D2D實現端到端通信甚至接入蜂窩網絡。

在城市軌道交通中，列車運行間隔是衡量列車控制系統性能的關鍵指標之一，通信時延會導致車-地信息不同步，影響列車運行效率與運行安全，在實際生產中通常會增大列車運行間隔以保證安全。5G通信技術中引入了設備到設備通信技術，可以實現列車與列車之間的數據通信而無需經過基站，這樣就大大降低了傳輸時延，在實際運行過程中可有效縮短列車運行間隔。并且，當網絡出現故障時，車車通信也能實時交互自身位置及狀態信息，保證列車安全運行。

2.2 自動駕駛

自動駕駛是城市軌道交通的發展方向，通過車載控制終端實現列車的自動駕駛，通過智能控制中心實現對列車群的行車計劃制定和運營管理。在列車駕駛過程中需要傳輸列車運行數據、控制命令以及一些語音調度和廣播信息，這些數據對網絡帶寬的要求不高，4G或WLAN即可滿足。但是實現列車自動控制所需的高清可視化視頻數據對傳輸速率和傳輸時延要求非常高，需要滿足列車運行環境的高清可視化視頻數據的高速、準確傳輸，以確保列車運行的安全性能。

5G技術的峰值速率將達到Gbit/s的標準，在小區邊緣仍能達到100Mbit/s，完全滿足高清視頻數據的傳輸需求，使列車能夠實時獲取前方列車運行狀態和環境數據，提高列車運行的安全性能。

2.3 智慧出行

智慧出行是城市交通的發展趨勢，城市軌道交通也應該緊跟這個趨勢，向智能化、自動化邁進。高速率、低時延的5G通信技術可以使乘客隨時隨地查詢列車運行狀態、到站信息、人流密度、車流密度等信息，通過大數據感知乘客出行需求，合理推薦出行時間、路線等，提供精準的一對一服務，從智能購票到無感知進站，從自動行程規劃到自動票務結算，覆蓋乘客地鐵出行的全流程，大幅提升城市軌道交通的服務水平，提高乘客出行滿意度。

2.4 智能維護

5G技術提供了設備到設備的通信方式，這樣可以使城市軌道交通中的某些有線通信設備直接改為無線通信，減少地面布線，降低了空間占用率，也減小了設備集中放置的需求，可以根據設備的性能將其放置在最適宜其工作的環境中，減少設備損耗，降低設備故障率。同時，由于設備放置更加靈活，對于日后的維護與修理也更加便利。

軌道交通的設備分布在車站、車輛段、線路上，數量多且分布廣，日常維護工作量大，依靠人工巡檢不但效率低而且易出錯。在海量設備上接入傳感器或監控設備，構建起智能維護體系，對全網設備進行實時監控，上傳狀態數據并反饋給控制中心，使工作人員第一時間發現問題并及時作出應對措施，以保證列車運行安全。相較于4G網絡，5G技術能夠提供海量設備連接能力，使城軌交通實時監控海量設備成為可能，大大降低了人員勞動強度和出錯概率，提高了系統的安全性能。

2.5 應急防災

城市軌道交通的安全管理綜合了視頻監控、報警等多個子系統，針對不同現場綜合運算出最有效合理的處理方案和流程，當出現緊急情況時，系統能夠結合多維大數據，迅速發出報警，并給出應急處理方案，從而保證地鐵運行安全、乘客出行安全。

隨著城市軌道交通的不斷發展，列車發車間隔不斷縮短，自動化程度不斷提高，在這種情況下，地鐵安全防護系統需要在更短的時間內對異常情況作出響應，報警并輸出可能的問題及推薦的處理方案，5G通信技術可以提供足夠快的數據傳輸速率，滿足異常情況時短時間內大量分析數據的傳輸需求，同時5G技術還提供足夠短的數據傳輸時延，使安全防護系統能最快速的作出響應，尤其是在自動駕駛模式下，沒有司機現場分析處理，但卻需要在故障時迅速響應，并在最短時間內將大量現場實時數據傳輸至防護系統，以便于工作人員能夠及時遠程排查，保證列車運行效率與行車安全。

3 5G技術面臨的問題

雖然5G移動通信技術可以為城市軌道交通帶來極大的便捷，但目前5G還處在發展推廣階段，在實際運用時還存在一些問題：

（1）安全問題。國家沒有為5G分配專網頻率，這就意味著會有其他用戶共用網絡，雖然5G技術可以提供輕量級加密和網絡切片等安全技術，但這些技術能否滿足CBTC業務需求還有待研究；

（2）兼容問題。城市軌道交通對安全性能的高要求決定了其通信網絡要具備一定的兼容性，當5G網絡發展故障時可及時切換到備用網絡，以保證列車的安全穩定運行。當前多數已建或者在建城軌都已部署4G網絡，5G與4G的切換性能和時延是否能滿足城軌通信系統需要還有待驗證。

（3）質量問題。5G技術采用超密集組網技術，這就意味著用戶與周邊多個基站距離相當，這些小區的信號強度也相當，相互間的干擾較大，易導致網絡惡化。同時，超密集組網使用戶在移動時更易遇到小區邊界，容易發生頻繁切換而影響網絡感知。為了保證網絡質量，需要根據城軌的環境及用戶特點，合理部署5G網絡，保證網絡質量能滿足列車安全運行的需求。

4 結語

5G移動通信技術的發展不僅能帶來更好的網絡和通訊體驗，其對于各行各業的智能化、自動化發展都起著積極的推動作用。對于城市軌道交通來說，5G技術能夠提高傳輸效率，降低傳輸損耗，實現綠色通信，為城市軌道交通的未來提供了新思路，對城市軌道交通的發展具有重要意義。

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