5G在城市軌道交通行業的應用探討

摘要：在當前時代背景下，無論是信息技術還是城市軌道建設，均處于良好發展狀態，尤其是5G通信技術，能夠滿足日益增加的車地無線通信數據傳輸需求。基于此，為促進城市軌道交通行業更好發展，本文對5G相關內容及該行業的發展需求進行研究，重點探討該通信技術的具體應用，尤其是高速通信、端到端通信、大規模天線列陣等方面的應用，并分析其應用前景，以供參考。

關鍵詞：城市軌道交通行業? 5G技術? 高速率? 寬帶

Abstract： In the current era， both information technology and urban rail construction are in a good state of development. Especially for5G communication technology， it can meet the increasing demand for vehicle-local wireless communication data transmission. Based on this， in order to promote the better development of the urban rail transit industry， this article studies the 5G related content and the development needs of the industry， focusing on the specific application of the communication technology， especially the application of high-speed communication， end-to-end communication， large-scale antenna array， and analyzes its application prospects for reference.

Key Words： Urban rail transit industry; 5G technology; High speed; Broadband

以往城市軌道交通行業主要采用LTE-M技術進行車地無線通信數據的傳輸，但是在行業不斷發展下，其承載寬帶已經接近于極限。5G通信技術依托于其拓展性和高可靠性等特點，能夠有效滿足城市軌道交通行業在無線覆蓋、頻率及安全等方面的技術需求。因此，探討5G在城市軌道交通行業中的具體應用及前景是必要的。

1.城市軌道交通行業發展需求

縱觀該行業發展過程中對無線通信的需求，主要涵蓋無線列車調度系統、列車控制、乘客信息系統及車輛監控系統，除了這些車地無線應用以外，車輛在途監測數據還需要借助無線車地傳輸通道。移動互聯網技術、大數據技術等發展，這些都對城市軌道交通相關信息數據的采集和傳輸所需的無線通信帶寬提出更高要求，這些應用需求存在差異性，比如低功耗等。所以，從當前城市軌道交通行業發展現狀來看，需要使用一個適用性強、帶寬差異化大以及具有較高安全性的車地傳輸網絡。

2.探討城市軌道交通行業中5G的具體應用

2.1高速通信方面的應用

LTE-M是以往城市軌道交通系統進行各項工作的基礎，但是在該行業不斷發展下，其承載寬帶逐漸不足，在實際應用過程中還極易受到頻段限制，所以其運作頻段為1785～1805MHz，但是這一頻段也無法實現百分之百的安全可靠保障，容易受到其他地區資源使用限制，因此，實際運營工作頻率為10MHz[1]。此外，為給信息系統數據傳播功能的穩定運作提供保障，實際運作時還會將寬帶分為兩種冗余方式，這樣一來，上行通信和下行通信吞吐量平均分別為3.3和8.4，在單路高清視頻小于4Mbit/s的情況下，這樣容量的寬帶無法滿足工作需求[2-3]。以某一區域為例，同一小區內無論是通信傳輸還是圖像傳輸，均是以多列的狀態，多輛車輛一同開展，但是一個網絡系統無法對多列車輛進行同時接收，且擴展空間有限，這給信息數據傳輸造成較大影響。從應用現狀來看，相較于4G，5G下的頻率效率提升至5～10倍，而且，5G可以同時傳輸多個數據，還可以添加HD錄像帶，這樣一來，線路網絡設計方式得到優化，為后期維護工作的展開提供有效支持。最后，在當前時代背景下，5G的應用率和普及率越來越高，城市軌道交通行業中5G的應用，一方面能夠增強系統空間的拓展性，同時其相關設備占地空間較小，能夠保證空間改造與施工，另一方面減少城市鐵路周邊工程量，增強建設效益。

2.2端到端通信方面的應用

為有效改善列車運行老化，降低其運行停止情況的發生概率，在CBTC（基于通信的列車控制）系統中，會將寬帶分為兩種冗余方式，這兩種通信網絡互相獨立與通信。雖然能夠滿足系統控制使用要求，但是在線路網絡設計與前期建設過程中，需要增加通信設備和工程費，同時增強后期維護難度，整條線路的拓展性較差，不利于舊線路的改造。而5G在城市軌道交通行業應用時，主要采取的方式是引進裝備之間進行數據通信縱向間（D2D）通信技術[4-5]。所謂D2D通信技術，其主要為列車之間提供直接通信服務，尤其在出現網絡故障的情況下，無需經過基站，列車之間可以很好地進行位置信息、運行情況的交互，有效保證了列車行車安全[3]。除此之外，5G應用下的D2D通信技術還能夠將列車之間的通信等待時間縮短，增強通信可信度。此外，為更好滿足城市軌道交通通信需求，可以將D2D通信技術為核心進行網絡系統的組織，將終端作為通信中間媒介，以此保證網絡運作效率，避免出現斷連等情況下，提升通信網絡穩定可靠性。

2.3大規模天線列陣方面的應用

所謂大規模天線列陣是以多用戶波束成形原理為基礎，通過進行多條天線的布置，并對目標接收機進行波束調制，在空間信號隔離的情況下，可以在統一頻率資源上同時進行幾十條信號的傳輸，有效提升了頻帶資源的利用率，實現網絡容量大幅度提升。通過將大規模天線列陣應用于城市軌道交通中，主要是為了緩解大規模設備準入問題，尤其是鐵路相關設備，同時通過光敏將列車干涉阻力增強，并利用波束賦形實現列車運行軌跡的動態跟蹤，為相關監控、管理工作提供便利，增強列車運行的安全可靠性[6]。

2.4超密集組網方面的應用

在5G網絡通信帶日益擴大的背景下，該網絡下能夠進行更多流量的傳送，并支持很多無線裝置。在將海量用戶超密集組網應用于城市軌道交通行業后，可以將地面有線和車輛有線連接的網絡設備的一部分進行無線網絡處理，從而降低整個網絡設備體系中電線分散部署設備占有率，不僅增強網絡設備和系統的靈活性，還有利于設備安裝及后期維護等工作。此外，為進一步提高網絡通信的可靠性和安全性，可以利用該組網的可拓展性增設防盜設備和智能傳感器設備，并優化在線數據分析，利用車載設備數據和線路旁設備狀態數據，及時分析潛在問題，獲得準確、及時數據反饋，便于控制中心獲得第一信息，進一步增強列車行駛安全性和可靠性。另外，通過5G技術對大容量的支持與適用性，還能夠為系統提供符合裝置特性的帶寬，以及系統、人員的安全認證，極大地滿足了城市軌道交通行業發展要求。

2.5綠色通信的應用

近幾年，在我國社會發展水平、技術普及率不斷提高的背景下，通信技術發展過程中難免出現資源浪費問題，城市軌道交通行業作為我國發展的主要產業，在其發展過程中應注重對周圍環境、生態文明建設的積極影響。相較于其他通信網絡，5G網絡能夠以持續化的狀態優化交通網絡系統，以此降低能源消耗，避免資源過多浪費。尤其是列車之間的綠色通信，通過在城市軌道交通中應用5G，能夠對其網絡結構進行優化，并對現有資源以及待投入資源進行合理調整與科學部署，依托于城市軌道交通系統運行效率的提升降低其資源、通信能量損耗，以此實現綠色通信，推動城市軌道交通健康、可持續發展。此外，在城市軌道交通系統還涵蓋安全防護、監控及報警等子系統，通過應用5G，能夠科學降低車輛發車間隔，極大地提高其載客量，滿足人們日常出行需求的同時，提高運作效率。同時，為安全防護等子系統作用的發揮提供支持，如5G充足的網絡帶寬能夠為網絡問題處理提供便利，提升問題處理效率，并實時傳達監控圖像和視頻，實現對列車緊急事件的快速處理[7-8]。

3.分析城市軌道交通行業中5G的應用前景

3.1技術應用發展趨勢

從其無線通信發展趨勢來看，主流無線技術是車地無線傳輸技術，生命周期較長，可靠性較高，以鐵路這一交通形式為例，其最早的通信信道為450MHz模擬專用信道，采用的無線列調系統，在4G出現后主要應用LTE。從歷史發展規律來看，5G通信技術的應用范圍將會越來越大，城市軌道交通行業正向多業務整合的方向發展，從以往的CBTC、TETRA、IEEE 802.11、對講機各自獨立運作的模式，轉變為LTE-M、無線局域網和TETRA整合的模式發展，且智能化水平和安全可靠性也越來越高。

從歷史發展規律來看，5G通信技術的應用范圍將會越來越大，城市軌道交通行業正向多業務整合的方向發展，從以往的CBTC、TETRA、IEEE 802.11、對講機各自獨立運作的模式，轉變為LTE-M、無線局域網和TETRA整合的模式發展，且智能化水平和安全可靠性也越來越高。此外，5G的頻點為毫米波段，這意味著城市軌道交通行業中需要引入大量的接入設備，并根據線路實際情況進行部署，因此，波導管技術因其良好傳播特性成為微波頻段主要使用的技術，便于后期管理與維護。

3.2基于行業需求分析發展趨勢

無論是CBTC還是PIS，其數據都分為四大類，分別為安全、語音、非安全和圖像信息數據。在社會發展水平提高、人們生活質量改善的情況下，人們日常出行對交通工具安全性和舒適性提出更高要求，這使得這幾類信息的數據量增加，相應的，帶寬需求上升。目前能夠滿足其日益增長的帶寬需求的通信技術只能是5G，該通信技術不僅具有大容量帶寬，還具有極強的可拓展性，不僅能夠滿足當前城市軌道交通行業發展需求，還能夠滿足未來一段時間內對帶寬、數據傳輸效率等方面的要求。因此，雖然現有LTE-M是車地傳輸的主流技術，但在將來5G勢必會取代LTE-M成為新的主流技術[9-10]。

3結語

綜上所述，5G通信網絡技術憑借其高速率、大連接和低時延的特點能夠很好優化城市軌道交通的通信網絡結構。因此，應深入研究5G技術在該行業中的應用，科學應對流量和信息數據量的爆炸式增長，緩解其帶寬不足的問題，從而促進城市軌道交通行業更好發展。

參考文獻

[1]魏英華.去蜂窩大規模多天線系統在城市軌道交通中的應用分析[J].科學與信息化，2021（8）：146-147.

[2] 李佳寧，蔡曉蕾，鄭軍.5G網絡技術及其在城市軌道交通的無線覆蓋[J].現代城市軌道交通，2020（8）：125-128.

[3] 藺偉，李毅.軌道交通移動通信技術發展分析及建議[J].現代城市軌道交通，2019（9）：1-8.

[4] 趙馳.基于5G技術的遠程監控系統在城市軌道交通建設工程中的應用[J].城市軌道交通研究，2021，24（1）：169-174.

[5] 農興中，史海歐，袁泉，等.城市軌道交通工程BIM技術綜述[J].西南交通大學學報，2021，56（3）：451-460，封2.

[6] 劉杰，陳錦渠，彭其淵，等.城市軌道交通網絡可靠性和運輸服務質量評估[J].西南交通大學學報，2021，56（2）：395-402，450.

[7] 李福民，宗傳苓，高龍.對城市軌道交通規劃建設的思考[J].城市交通，2021，19（2）：1-6.

[8] 萬丹，郭倩，鄧良凱，等.城市軌道交通網絡脆弱性對比研究[J].城市軌道交通研究，2021，24（1）：60-64.

[9] 劉福華，殷勇，陳錦渠.突發事件下的城市軌道交通網絡彈性評估[J].都市快軌交通，2021，34（2）：146-151.

[10] 張博，余曉君，衛建芳，等.城市軌道交通5G虛擬專網建設方案研究[J].電子技術應用，2021，47（5）：19-24.

與系統內保持一致，是否為通信作者，是的話要補充郵箱

作者簡介：聶冰花（1988—），女，碩士，知識產權師，研究方向為控制理論與控制工程。?[林1]

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