地鐵5G通信技術的特點及應用

李建

中交機電工程局有限公司南方分公司，中國·湖北 武漢 430000

1 引言

隨著人們對出行質量要求的提高，地鐵建設已經成為城市化發展中的主要內容，能有效緩解地上交通系統的壓力，解決當前交通擁堵的問題，加快城市的高效化運轉。在當前運載量逐年增長的趨勢下，只有保障地鐵系統的良好通信，才能為乘客創造安全、舒適的出行環境。5G 通信技術是對傳統通信技術的革新，在覆蓋范圍、信號傳輸質量和傳輸速度方面都有了明顯的增強，應用于地鐵當中是促進城市軌道交通發展的有效措施。中國5G 通信技術尚處于發展階段，因此在應用中也會面臨較多的挑戰，應該明確地鐵建設的實際需求，增強技術應用實效性，明確地鐵系統的建設需求及特點，確保技術方案的可行性，促進中國交通事業的現代化發展。

2 5G 通信技術概述

2.1 基本概念

5G 通信技術即第五代移動通信技術，包括了超密集組網技術、全雙工技術、多天線技術、高頻段傳輸技術和端對端通信技術等[1]。移動通信系統在信號傳輸中可以借助多天線技術加以優化，在空分復用的作用下優化信息通道，信道容量會因此而得到全面提升。多層覆蓋異構網絡的構建是5G 通信技術應用中的關鍵，超密集組網技術的出現，則能滿足站點間距縮小的需求，提高網絡的運行穩定性。設備和設備之間還可以借助端對端通信技術提高通信效率，通信時延可以得到控制，頻譜資源效率也會更高。通信頻段也會由于高頻段傳輸技術的運用而得到提高，同時運用全雙工技術對信號干擾問題加以解決。

2.2 基本特點

2.2.1 提高覆蓋率及穩定性

相較3G 和4G 通信技術而言，5G 通信技術在數據傳輸穩定性和網絡覆蓋率上更具優勢，所以更加符合人們的個性化需求，改善了人們在乘坐地鐵時的體驗。尤其是在較為偏遠的地區應用5G 通信技術時，能對網絡狀況加以優化，5G信號鏈接更加可靠。

2.2.2 降低能耗

4G 通信技術雖然具有明顯的優勢，但是在耗電量上也較大，容易引起資源浪費的問題，同時需要各類終端設備具備良好的功能。而5G 通信技術的運用，則能實現對能耗的控制，為相關設備的開發應用提供了保障，真正符合當前節能型社會的構建需求[2]。

2.2.3 實現熱點高容量

當網絡的使用頻率較高或者使用人數較多時，則會對網絡的穩定性造成一定程度的影響，5G 通信技術可以實現熱點高容量，密集區域消息延遲問題得到有效處理，在信號傳輸中更具均衡性。

2.2.4 降低延時

高延時問題是傳統通信技術的主要弊端，會對用戶體驗造成嚴重影響，同時對設備的實時通信造成阻礙。運用5G通信技術則能對高延時問題加以解決，使延時控制在1ms 以內，大大增強其網絡穩定性。

2.2.5 實現端到端功能

智能設備的端對端性能是決定設備和服務器良好連接狀態的關鍵，尤其是在長期運行當中，需要實現消息的及時發送和反饋的及時接收。運用5G 通信技術能對端到端性能得到優化，降低設備的損壞率。

3 地鐵5G 通信技術的應用措施

3.1 D2D 通信

列車與地面、列車與列車的連接，是確保列車處于安全運行環境的關鍵。以無線通信為依托，實現列車和地面的有效通信，對于控制中心功能特點的體現也十分重要。應該加快5G 信號站的建設，促進控制系統通信流暢度的提高，通過信息的匯總和對比分析，滿足多元化的運行需求。地面可以通過實時獲取并處理地鐵信息，實現指令的發送，防止由于信息受阻而引發的安全問題。在列車和列車連接當中運用5G 通信技術，能對數據通信系統加以優化，防止列車停擺等現象的發生。D2D 通信是5G 通信技術中的關鍵部分，對于設備通信質量的改善效果十分顯著，因此可以實現對整個地鐵系統的優化與完善。在傳統模式下，基站是設備通信的關鍵，D2D 通信技術的運用則可以充分發揮用戶終端的作用，實體組或者虛擬組具有獨立性的特點，消除了對傳統基站的依賴，能使服務器和客戶端的功能得到融合[3]。

D2D 通信是冗余通信的一種常見形式，滿足了列車通信的需求，可以實時獲取列車的運行狀況，不僅能確保列車的協調配合，還能防止出現嚴重的安全事故。該技術的運用，使地鐵通信系統的時延得到控制，列車運行間隔逐步縮短，有助于運營效率的提高，滿足人們的個性化出行需求，創造良好的經濟效益和社會效益。

3.2 數據智能采集

在大數據時代背景下，地鐵運行中產生的信息數據量也在增多，如何實現數據的智能化采集，為系統優化與故障預防提供依據，成為當前地鐵建設中面臨的主要問題。5G 通信技術的應用，則可以充分發揮數據職能采集的作用，以5G海量物聯為依托，運用無線傳輸的方式替代有線傳輸，從而增強各個設備的密切連接。 不但能使線纜的應用數量得到減少，而且對于設備的應用更加靈活，因此具有經濟性、穩定性和安全性的特點。無線傳輸帶來了另一個優勢就是滿足設備的安裝和維護需求，為工作人員提供了巨大的便捷。駕駛輔助功能借助傳感設備可以得到強化，能為駕駛員提供更加全面的信息，輔助駕駛員及時預防可能出現的意外狀況。隨著技術水平的提高，全自動駕駛也在逐步成為可能。

地鐵運行需要大量的設備作為支撐，尤其是其類型較多且結構復雜，分布在地鐵線路的各個位置當中，對于維護工作提出了更高的要求，這是保障設備良好運行狀態的關鍵[4]。運用5G 通信技術，能充分發揮監測設備和傳感器設備的功能特點，在數據采集和處理方面更具高效化，能對設備的異常運行數據進行獲取，通過對比正常參數來實現故障的評估和預防。因此，5G 通信技術可以實現實時監測的目標，真正提高列車的運行安全指數。

3.3 地鐵控制系統

5G 通信技術還可以應用于車載控制器和區域控制器當中，這是控制系統的關鍵組成部分。ATP 自動地鐵車廂防護和ATO 自動地鐵車箱駕駛，是車載控制器的基本功能，可以使列車在運行中真正實現自動化處理。通過車載控制器和傳感器、地鐵車廂司機顯示器、通信接收系統的協同配合，能有效提高運行安全性與穩定性，2 乘2 取2 是該設備運行的基本原則。為了有效促進運行效率的提高，需要運用兩個處理器實現有機協調，在運行/待機狀態下滿足編程及擴展需求。區域控制器也是5G 通信技術應用于地鐵的具體表現，對于相應區域內的設備可以實現自動化控制，包括MAU 子系統和PMI 子系統兩個主要部分，以3 取2 和2 乘2 取2 為冗余配置指令。列車信息借助連鎖功能可以實現快速傳遞與共享，通過5G 信號加快指令的執行速度[5]。

3.4 隧道區間無線覆蓋

地鐵隧道建設對于安全性的要求較高，而且給予設備的安裝空間不大，容易引起縱向損失的問題，可以通過5G 通信技術實現無線覆蓋，應該明確隧道的限界特點，從而確保安裝方式和位置的合理性。對專網漏纜、民用通信漏纜的間距進行控制，分別在500mm 和300mm 以上，避免遮擋物對漏纜的使用造成影響。應該明確設備箱、弱點支架、專用網通信設備和信號燈的位置，確保在設置民用通信設備時更具合理性[6]。分析斷點間距的要求，使雙向隧道設備節點間距得到合理控制，同時對運營商的設備區域進行嚴格劃分，使POI 和RRU 設備保持高效協同。

3.5 視頻監控系統

視頻監控系統在整個地鐵系統中也發揮著關鍵作用，能實時顯示列車的運行狀態，使其處于安全、穩定的運行條件下，切實保障乘客的安全。其中，網絡切片技術在實踐中的應用效果較好，實現內外部的有效隔離，尤其是自主虛擬移動網絡的構建，能通過授權的方式實現接入環節的安全控制。在網絡資源的配置中可以借助軟件定義網絡技術和端到端NFV技術等，增強其靈活性，實現對突發事件的有效預防。為了滿足視頻的存儲和轉發需求，還要借助邊緣計算技術實現高清化處理，達到智能化控制的目的[7]。通過本地存儲的方式可以對數據處理的時延加以控制，滿足攝像頭的個性化管理要求，全面優化采集參數。通常需求構建“5G 通信技術+邊緣計算平臺”，有助于計算能力的增強，為無人駕駛、人臉識別和智能化運維等提供依據。分布式皮基站的方式在站廳和站臺5G 信號覆蓋中最為常見，區域處理中心設置于CU 位置，下沉核心網的部分功能，將邊緣計算服務器設置在CU位置，通過AI 能力前置實現聯動管理。本地處理中心的應用能及時存儲高清視頻，同時開展數據分析和圖像識別等工作，高效化執行監控策略。如圖1所示。

圖1 視頻監控系統

4 結語

5G 通信技術在覆蓋率、穩定性、低能耗、熱點高容量和低延時等方面具有明顯的優勢，是對傳統4G通信技術的革新，在地鐵中應用后可以有效改善列車的運行狀態，增強其安全性和穩定性。應該在D2D 通信、數據智能采集、地鐵控制系統、隧道區間無線覆蓋和視頻監控系統等各個環節明確5G 通信技術的應用要點，使地鐵建設符合現代化發展的要求。