5G移動通信技術在城市軌道交通車地無線通信系統中的應用探討

徐州地鐵運營有限公司 劉曉舟

近年來，隨著我國科技水平的不斷提高，5G移動通信技術已逐步擴展到各個領域。作為交通運輸業發展的一個重要方面，城市軌道交通必須得到有效的管理，借助5G移動通信網絡推動其發展，借助5G通信技術，可以加快城市軌道交通系統的不斷完善和建設，提高通信效率，保證正常運營。然而，目前5G技術的應用只是其中的一部分，其優勢有待深入研究和完善。根據研究結論，5G技術被應用于軌道交通車地無線通信系統中解決了使用WLAN的車地無線通信系統容易受到外部因素的干擾，在高速列車運行過程中容易產生丟失包。5G技術應用于軌道交通為道路探索提供了理論基礎。

城市軌道交通系統過去主要采用4G通信技術，但隨著5G技術的出現和普及已經廣泛應用于各個領域。5G移動通信技術本身所具有的優勢使得其與其他技術互相結合，提高相關技術的可行性與優勢。隨著軌道交通建設規模和承載力的不斷擴大，對車地通信系統需求也在不斷增加。車地通信系統在5G移動通信技術的加持下，將過去的一些問題進行完善，充分提高了車地通信系統的高效性與安全性，使日常服務更加流暢。

1 5G移動通信技術概述

5G移動通信技術正逐步推廣開來，優點可佳，用處廣泛，是新一代通信技術。5G移動通信技術的頻譜利用率和能源效率將大大提高，從而有效提高傳輸速率和資源利用率。此外，5G還將提高其傳輸時延、可靠性、安全性和覆蓋率等性能，進一步拓展其應用領域，促進未來萬物互聯目標的實現。5G技術與其他技術相互疊加，不僅發揮出自身的優勢作用，還會使其他技術更好地滿足相應的要求，更好地實現其工作性能。目前，5G移動通信技術正與城市軌道交通相結合，優化城市軌道交通服務性能。5G技術在具體應用過程中比4G技術有更好的技術能力，可以集成和轉換多種技術。此外，如果兩個相對較近的用戶可以通過D2D通信功能降低能耗。5G通信技術也在向穩定化方向發展，這些通信技術的發展和創新，可以有效地保證城市軌道交通技術的進一步發展。

5G移動通信技術雖然優點顯著，成果喜人，但是一項尚未大規模應用的前沿技術，在實際應用中需要進一步研究：（1）在5G技術應用過程之中，大型天線將導致大量設備投資，這需要優化結構設計，選擇價格低但是質量效果顯著的設備，然而選擇性價比高的設備需要嚴格把控質量；（2）5G移動通信技術下對于信息的防護將面臨重大的問題。5G移動通信技術下，信息不僅傳遞速度快，而且信息傳遞的準確率也大幅提升，這將會使信息泄露問題更為顯著[1]。

城市軌道交通由于其載客量大，需要對其安全性格外重視，針對乘客狀態、列車運行情況等進行有效監控，保證車地無線通信系統的有效發揮。在5G移動通信技術下，車地無線通信系統的各個方面性能得到不同程度的優化與提升。5G技術應用于城市軌道交通并非完全代替4G、3G、2G等技術，而且幾種技術共同結合使用。其中，許多技術升級為5G保證不同類型用戶共同存在，之后再像全面5G技術過渡。

2 5G移動通信技術應用特點

2.1 高傳輸速率

移動通信經過多年的發展，從接打電話和短信發展到接收圖片，再到視頻通話。5G移動通信技術的出現，使得下載質量與下載速度提高甚多，這對5G移動通信技術與其他技術相結合提供了有效的思路。將5G技術應用于各種各樣的領域也初現端倪，特別是對于一些高延遲問題將得到有效地解決。擴大5G技術的應用范圍，通過5G技術高傳輸速率的特點，極大的滿足人們的通信需求。

2.2 利用率高

5G技術可以有效地整合和創新各個領域和行業的各種技術。例如將5G移動通信技術應用于城市軌道交通，不僅可以使其更加便捷高效，而且有助于提高其安全性，這使得各種設備之間的傳輸速度更快。5G移動通信技術與各種技術相疊加，滿足了各行各業應用對信息和數據傳輸的基本需求，提高了傳輸效率，為各行各業注入了新的活力，推動中國通信技術的未來發展[2]。

2.3 虛擬化功能突出

5G技術擁有強大的虛擬功能，將對虛擬化場景的應用提供最有效的支持。基于5G技術的VR功能更好的滿足人們身臨其境的感覺，無論是在VR游戲、VR觀影還是VR仿真中，都將提供最契合人們視覺與聽覺的場景。主要使用計算機模擬虛擬環境，給人一種真實的感覺，就像置身其中一樣，讓人們沉浸在虛擬世界中。近年來，虛擬現實是一個熱門話題，又稱虛擬現實技術。可以看到各種百貨公司都有體驗廳，可以選擇各種場景，戴上虛擬現實眼鏡和設備，感受真實的虛擬世界，實現了虛擬和現實之間的各種轉換。

2.4 云服務效果顯著

疫情防控期間遠程辦公的普及將繼續加速云應用程序的部署。在5G移動通信技術下，將部署更多云端服務以適應新的日常業務，提供更大的數據存儲容量以促進在線業務的持續增長，以及提供更強大的云端系統以應對未來的醫療危機。5G技術推動了靈活的云端基礎設施建設、多云解決方案和萬物互連的需求。以數據為中心的云服務的發展將為內存和存儲帶來巨大的提升，使得數據的保存與管理更加完善、高效與安全。

3 車載綜合監控系統

在城市軌道交通系統中，車輛監控視頻對司機室和列車內部進行監控。目前，這些存儲在車載服務器上的日志文件是在列車運行結束后由運營商人工保存的，運行效率低，安全性差。為了適應車載PIS高清視頻和車載視頻的發展，以及遠遠超過現有WLAN帶寬要求的城市軌道交通自動日志恢復，LTE網絡的承載能力和動態運營模式要求實現車載視頻和車載日常視頻自動實時回傳，可以滿足視頻等大數據量信息傳輸業務的帶寬和速度要求。

4 車地無線通信技術

4.1 LET技術

基站和移動臺必須在一定時期內保持一致，才能順利開展工作。可以根據上下行數據的大小動態分配上下行數據，從而在不同時發送的情況下提高信道利用率。LET技術可以提高信號的通信能力，增強信息傳遞的效率與穩定性。LET技術在軌道交通車地無線通信干擾問題中得到充分的發揮。將傳統技術中容量小、傳輸距離長、頻帶寬的問題進行優化處理。LET技術是采用的分組傳輸，其優勢在于覆蓋范圍相對較廣，傳輸速率也趨于提高。在抗干擾方面，由于其結構比較完善，技術完成升級，所以抗干擾能力強。在軌道交通高速運行下，也可以進行數據的高速處理與傳輸，并且延時短暫。LET技術中的時分雙區系統是一種時間分離的信息信道。在高速運行過程中，列車需要不斷地選擇和關聯區間內的新AP。然而，列車的高速運行往往會導致信號連接的嚴重延遲。

LET技術的維護也做到了精簡方便，基站和核心網組成的LET系統在維護時比較容易，相對傳統的技術而言，省時省力。LET系統還具有高效的QOS保障機制，在延時方面，傳輸速率方面以及數據丟包方面都可以通過QOS保障機制進行嚴格保證。

4.2 WLAN技術

傳統的車地無線通信技術主要采用WLAN技術（無線局域網絡技術），此技術經過多年的優化提升，已經趨于成熟，然而隨著時間的推移以及新技術的出現，WLAN技術也將面臨著考驗。尤其是隨著5G移動通信技術的出現，WLAN技術的不足也初現端倪。在城市軌道交通中采用WLAN技術基本能滿足多項需求，其中IEEE802.11標準，帶寬普遍為10Mb/a，傳輸性能良好。但是在軌道交通發展過程中，增加了許多業務需要更加完善高效的技術，此時WLAN技術略顯疲沓，不能很好的滿足于各種需求。帶寬受限、覆蓋率低、干擾強等問題可能會導致車地無線通信受阻而產生斷開的情況，對交通安全產生嚴重的影響。

5 5G移動通信技術應用于車地無線通信系統

城市軌道交通車地無線通信系統主要解決高速移動和大容量傳輸需求的問題。綜合考慮車地無線通信系統對傳輸帶寬、安全性、可靠性的要求。特別是在高速線路上，由于列車運行速度快，應充分考慮多普勒頻率的影響。LTE、WLAN和5G技術可以滿足高速移動轉換。從項目實施的角度出發，通過對每條線路的頻率規劃，選擇適合每條線路的軌道交通無線方案。從技術發展趨勢來看，5G作為技術發展方向，可以為軌道交通寬帶通信系統提供可靠保障。該系統可以提供大容量的帶寬，為智能軌道交通的建設提供基本的傳輸通道，為后續的智能化提供基礎[3]。

5.1 采用5G的LET技術

與城市軌道4G純網絡的LET系統相比，5G城市軌道網絡技術的優勢尤為顯著。（1）更高的速度可以滿足相應需求。無人駕駛線路需要更高的速率，但是4G系統無法滿足其需要。而且在視頻監控、維護業務等方面，無法完成列車運營相關業務的需求。5G技術具有更高的傳輸速率，更好地滿足相關需求。（2）5G技術使得列車運行控制系統具有較低的延時。5G的低時延特性滿足列車運行控制系統的要求。（3）互連特性有助于業務的擴展。5G的互連特性決定了城市軌道的互連特性。它可以用于實時遠程監控，降低傳感器和處理器成本，適用于智能操作。（4）還可以用于建設有5G定位人員和設備的智能建筑工地。5G通信的低延遲可以真實再現數字鏡像或模擬實際操作系統的各種場景，實現故障診斷和預測，保證城市軌道交通運行的效率和可靠性。

5.2 MIMO增強技術

MIMO技術可以數倍提高傳輸效率，并且帶寬不用增加。MIMO技術相當于擁有多個獨立的信息通道連接著接收端和發送端，使信號的吞吐量大為增加。采用MIMO技術的AP與客戶端的傳輸速率基本可以達到100Mbit/s，相比于不采用該項技術時，提高一倍左右。MIMO技術擁有多種模式，相應的功能也各不相同。波束賦形對提高傳輸速率，增強系統的有效性大有裨益；發送分集可以增強系統有效性，但對傳輸速率沒有明顯提升。波束賦形可以理解為賦予一定形狀的電磁波，并且進行集中傳播。

目前，在5G移動通信技術加持下，集中式大規模MIMO技術廣泛應用于基站中，增加了基站密度，可以進一步提高網絡容量。基于5G技術的車載無線系統采用小基站+大天線技術，實現車站無線接入，AP切換和通信中斷基本不會發生。一個站點可以配置數百個天線，極大地提高了頻譜效率，提供了更全面的站點覆蓋，極大地減少了干擾，極大地改善了站點。在運行期間，它可以無縫連接到5G站，通過網絡傳輸業務數據。列車離開5G網絡后，業務數據傳輸將在該范圍內自動停止。

5.3 網絡功能虛擬化NFV技術

NFV技術將特定的網絡功能與昂貴的專用硬件平臺解耦，以軟件模塊的形式實現網絡功能，并在虛擬機上封裝和運行。然后使用基于行業標準的商用服務器平臺加載這些虛擬機。最后，軟件處理網絡上的業務數據，硬件傳輸底層數據。

6 MEC技術的業務連接和存儲下降到車站層面

移動邊緣計算（MEC）技術是提高5G網絡服務能力的重要手段。將數據移至邊緣點，并初步過濾一些業務處理數據。MEC定義為移動網絡邊緣的信息技術提供服務環境和云計算能力，網絡服務可以更接近用戶的無線接入網絡，減少用戶的感知延遲，顯著控制網絡擁塞，并引入更多業務應用。

目前，城市軌道交通PIS車地無線通信系統在實際應用中的常見故障是車輛監控圖像無法實時上傳到控制中心調度員，調度程序無法實現對車載CCTV監控。導致此故障的主要原因是WLAN系統的數據傳輸速度慢，需要將視頻圖像上傳到控制中心。在連接和上傳過程中容易發生信息重傳和信息丟失，控制中心的服務器處理能力也有限。這兩種疊加會導致通信中斷和故障。解決這個問題的辦法是對癥下藥。首先，通過提高接入層的連接效率，并在車站層面通過Massive MIMO天線技術部署數百個天線，可以有效地解決這個問題。此外，在每個站點部署一臺邊緣計算服務器，并將原控制中心解決的視頻傳輸和存儲沉入接入層，可以有效解決這一問題。

7 結語

總之，作為5G技術的角色，軌道交通車地無線通信系統的發展更加趨于安全便利，在5G移動通信技術的顯著特點下，提供更加優質的服務。5G移動通信技術以其顯著的優勢應用于城市軌道交通車地無線通信系統，極大的滿足了各種需求。

引用

[1] 張雷.LTE技術在城市軌道交通車地通信中的應用[J].建材與裝飾,2019(17):283-284.

[2] 高翔.5G移動通信技術在城市軌道交通車地無線通信系統中的應用[J].城市軌道交通研究,2018,21(S2):61-64.

[3] 凌力.5G與物聯網融合在城市軌道交通運維中的探究[J].鐵道建筑技術,2018(6):18-22.