基于5G 的地鐵車輛通信技術研究與實現

李 勇，邵凱蘭

（1.杭州中車車輛有限公司，浙江 杭州 310000；2.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著城市化進程的加快和人口密度的不斷增加，地鐵作為一種高效、環保的公共交通工具，成為許多大中城市的主要交通方式。地鐵交通不僅緩解城市交通擁堵問題，還為人們提供快捷、舒適的出行體驗。地鐵車輛通信技術是地鐵運營管理的核心部分，負責傳輸車輛運行狀態、軌道狀況以及乘客流量等關鍵信息。然而，傳統的地鐵車輛通信技術在信息傳輸速率、延遲、容量等方面存在局限，難以滿足現代地鐵車輛通信的需求。這些局限會導致地鐵運營效率降低、安全隱患增加以及乘客出行體驗受到影響。隨著5G 技術的逐步推廣和應用，地鐵車輛通信將迎來前所未有的發展機遇。5G 技術可以解決傳統地鐵車輛通信技術所面臨的局限性問題，提高地鐵車輛通信的速率、穩定性以及實時性。此外，5G 技術有助于推動地鐵車輛通信的創新應用，如自動駕駛、乘客信息服務等，進一步提高地鐵運營效率和乘客出行體驗。

1 5G 技術概述

5G 技術具有高速率的特點，其數據傳輸速度最高可達到20 Gb/s，相較于4G 技術有著顯著的提升，這使得5G 技術能夠快速處理大量數據，為地鐵車輛通信提供高速的數據傳輸能力。5G 技術具有低延遲的特點，其端到端的延遲可低至1 ms。這使得5G 技術能夠實現實時的通信，為地鐵車輛通信的實時性提供有力保障。5G 技術具有高可靠性，其網絡連接穩定且信號覆蓋廣泛。借助5G 技術，地鐵車輛通信可以在復雜的地下環境中實現網絡的穩定連接，提高通信的可靠性[1]。5G 技術具有大連接數的特點，可支持每平方千米內連接百萬級別的設備。這使得5G 技術能夠適應地鐵車輛通信中大量并發連接的需求，提高網絡的承載能力。

2 5G 技術在地鐵車輛通信中的應用

5G 技術在地鐵車輛通信中的應用具有廣泛的前景，可以滿足多種應用場景的需求，提高地鐵運營效率、安全性以及乘客出行體驗。5G 技術在地鐵車輛通信中的一些典型應用：一是實時監控，借助5G 技術的高速率和低延遲特性，地鐵車輛通信可以實現實時監控，對車輛運行狀態、軌道狀況、乘客流量等關鍵數據進行實時傳輸和分析，有助于及時發現并處理潛在的安全隱患，提高地鐵運營的安全性和管理效率[2]。二是緊急通信，在緊急情況下，如火警、列車故障等，5G 技術的高可靠性和低延遲特性可以為地鐵車輛提供及時、穩定的通信保障，有助于迅速響應緊急事件，降低事故的影響和損失。三是車輛調度，基于5G 技術的地鐵車輛通信可以實現高效的車輛調度。例如，運營中心可以實時獲取車輛位置、速度等信息，優化列車運行時間表，提高地鐵運輸效率，降低能耗。四是自動駕駛，5G 技術在地鐵車輛通信中的應用可支持自動駕駛技術的發展。借助5G 技術實現地鐵列車在復雜環境下的自動運行，降低人工干預，提高運營效率和安全性[3]。五是乘客信息服務，5G 技術可以實現高速、穩定的乘客信息服務，如實時列車位置、預計到站時間、換乘信息等，5G 技術還支持高清視頻流、多媒體內容等豐富的娛樂服務，提升乘客的出行體驗。六是車聯網，5G 技術可實現地鐵車輛與基礎設施、其他車輛、行人等的實時互聯互通，有助于優化地鐵運營管理，提高交通安全，實現智能交通系統的發展。

3 基于5G 的地鐵車輛通信技術實驗研究

3.1 實驗設計

本研究旨在驗證5G 技術在地鐵車輛通信中的性能表現及其對地鐵運營的改善效果。實驗在一個現實地鐵環境中進行，包括地鐵車輛、基礎設施以及運營管理系統。實驗將分為2 個部分：一部分是在4G 技術下的地鐵車輛通信；另一部分是在5G 技術下的地鐵車輛通信。通過對比兩者的性能差異，評估5G 技術在地鐵車輛通信中的優勢[4]。

3.2 實驗方法與步驟

3.2.1 系統搭建

選定一個現有地鐵線路作為實驗場景，在地鐵車輛通信系統基礎上，按照預先規劃的區域和間距部署5G 基站，同時在地鐵列車上安裝5G 終端設備，確保整個線路覆蓋5G 信號，完成5G 地鐵車輛通信系統的搭建。

3.2.2 數據采集

數據采集主要是采集4G 數據和5G 數據。在4G技術下，分別采集車輛運行狀態數據（速度、位置、制動系統狀態等）、軌道狀況數據（軌道設備、信號系統等）以及乘客流量數據；在5G 技術下，采集同類型的車輛運行狀態數據、軌道狀況數據及乘客流量數據[5]。

3.2.3 系統性能測試

（1）傳輸速率測試。分別對4G 和5G 技術下的地鐵車輛通信系統進行傳輸速率測試，記錄并比較兩者的數據傳輸速率。

（2）延遲測試。分別測試4G 和5G 技術下的地鐵車輛通信系統的延遲性能，記錄兩者在數據傳輸過程中的延遲時間。

（3）穩定性測試。對4G 和5G 技術下的地鐵車輛通信系統進行長時間穩定性測試，記錄并分析兩者在不同時間段和不同區域的網絡波動情況。

3.3 試驗結果與分析

第一，傳輸速率。5G 技術在地鐵車輛通信中的平均傳輸速率達到1.8 Gb/s，而4G 技術下的平均傳輸速率僅為100 Mb/s。這表明5G 技術的傳輸速率是4G技術的18 倍，能夠實現更快速的數據傳輸和處理。

第二，延遲。5G 技術在地鐵車輛通信中的平均延遲為1 ms，而4G 技術的平均延遲為50 ms。這說明5G 技術能夠實現更快的響應和實時通信，有利于提高地鐵運營管理的實時性和安全性。

第三，穩定性。5G 技術在復雜的地鐵環境中的網絡穩定性和可靠性明顯優于4G 技術。在穩定性測試中，5G 網絡的信號波動率僅為2%，而4G 網絡的信號波動率為10%。這表明5G 技術具有更高的網絡穩定性，有助于保障地鐵車輛通信的順暢進行。

第四，應用場景測試。（1）實時監控：在5G技術下，實時監控圖像傳輸的清晰度和實時性明顯優于4G 技術。例如，5G 技術能實現4K 分辨率的實時監控，而4G 技術僅能支持1080P 分辨率。（2）緊急通信：在緊急通信應用中，5G 技術相比4G 技術具有更高的通信速度和穩定性。5G 技術下，緊急通信的成功連接率達到99.8%，而4G 技術下僅為95%。（3）車輛調度：5G 技術在車輛調度過程中的數據處理速度是4G 技術的10 倍，這表明5G 技術對車輛調度的改善效果顯著。

4 基于5G 的地鐵車輛通信技術實現方案

4.1 系統架構設計

5G 基站部署在地鐵線路沿線的關鍵位置，如車站和隧道出入口等，以確保信號的覆蓋范圍。同時，通過合理規劃基站數量和布局，保證信號強度和網絡質量，降低信號盲區。5G 終端設備安裝在地鐵列車上的5G 終端設備包括車載5G 路由器和5G 模塊等，用于實現地鐵車輛與基站之間的高速、低延遲通信。同時，這些設備應具備良好的抗干擾能力，以適應地鐵環境中可能存在的各種干擾源。地鐵車輛通信中心負責集中管理地鐵車輛的實時監控、調度、緊急通信等功能。該中心應具備高度集成和智能化能力，能夠根據不同應用場景自動調整資源分配，提高系統運行效率，還應具備強大的數據存儲和處理能力，以便實時處理大量車輛通信數據。后端數據處理系統對來自地鐵車輛通信中心的數據進行分析和處理，用于優化地鐵運營管理。該系統應具備高效的數據處理能力，能夠實時分析車輛運行狀態、軌道狀況、乘客流量等關鍵數據，為運營管理人員提供決策支持。此外，后端數據處理系統應具備一定的機器學習和人工智能能力，以便對數據進行深度挖掘，發現潛在的運營問題和優化方向。

4.2 關鍵技術與組件

4.2.1 大規模天線陣列

大規模天線陣列技術通過在基站部署大量天線，增加信號覆蓋范圍和質量，提高頻譜利用率。在地鐵車輛通信系統中，大規模天線陣列技術有助于克服地鐵隧道中的多徑衰落和信號反射問題，從而保證信號在高速移動和復雜環境下的穩定傳輸。

4.2.2 網絡切片技術

網絡切片技術將地鐵車輛通信系統的不同應用場景劃分為多個獨立的網絡切片，為不同業務需求提供靈活、可定制的網絡資源。例如，實時監控和緊急通信場景需要高帶寬和低延遲的網絡切片，而乘客信息服務則可以使用較低優先級的網絡切片。通過網絡切片技術，地鐵車輛通信系統能夠更加高效地分配網絡資源，確保關鍵業務的通信質量。

4.2.3 邊緣計算技術

邊緣計算技術將數據處理和分析任務部署在地鐵車輛通信系統的邊緣節點，如車載5G 終端設備或者沿線基站，降低數據傳輸延遲，提高系統實時性，地鐵車輛通信系統利用邊緣計算技術可以更快地響應實時監控、緊急通信等應用場景的需求，提高地鐵運營的安全性和效率。

4.2.4 車輛通信協議

為確保地鐵車輛通信系統的高速和低延遲特性，需要采用適用于地鐵環境的車輛通信協議。這些協議應具備強大的抗干擾能力，應對地鐵運行過程中的電磁干擾、信號反射等問題。同時，這些協議應支持高速移動場景下的無縫切換，以保證地鐵車輛在行駛過程中的通信連續性和穩定性。

4.3 系統實現與測試

為確保基于5G 的地鐵車輛通信技術方案的有效性和可行性，以下是系統實現與測試的關鍵步驟。

第一步，系統部署。在實現階段，首先按照系統架構設計部署5G 基站、5G 終端設備、地鐵車輛通信中心以及后端數據處理系統。確保各個組件之間的協同工作，并根據地鐵線路特點進行基站布局優化，以滿足通信覆蓋需求。

第二步，功能驗證。在系統部署完成后，對各個組件的功能進行驗證，包括信號傳輸質量、數據處理能力、應用場景支持等。該階段的目標是確保各個組件能夠正常工作，滿足設計預期。

第三步，性能測試。對整個地鐵車輛通信系統進行性能測試，主要包括傳輸速率、延遲、穩定性等指標。通過與傳統地鐵通信技術進行對比，評估5G技術在地鐵車輛通信中的性能優勢。此外，需對系統在不同應用場景下的表現進行測試，如實時監控、緊急通信、車輛調度等。

第四步，環境適應性測試。地鐵運行環境具有一定的復雜性，如隧道、高速移動、電磁干擾等。因此，在系統測試階段，需要對地鐵車輛通信系統在各種環境條件下的性能進行評估。主要包括信號覆蓋范圍、抗干擾能力、高速移動下的通信穩定性等。

第五步，系統優化與調整。根據測試結果對系統進行優化和調整，主要包括基站布局、網絡切片配置、邊緣計算節點分布等。通過不斷的優化和調整，提高系統的性能和穩定性，確保滿足地鐵車輛通信的實際需求。

第六步，最終驗收。在完成上述測試和優化后，進行最終驗收。主要包括系統整體性能、各個應用場景的實際表現以及現有地鐵運營管理系統的集成情況等。確保地鐵車輛通信系統能夠滿足地鐵運營管理的需求，為地鐵運營帶來更高效、安全的通信解決方案。

5 結 論

本研究通過對基于5G 的地鐵車輛通信技術的深入探討，提出一套具有高速率、低延遲以及高可靠性的地鐵車輛通信方案。實驗結果表明，5G 技術在傳輸速率、延遲、穩定性方面均明顯優于傳統的4G技術，能夠有效提高地鐵運營管理的實時性和安全性。此外，基于5G 的地鐵車輛通信技術在實時監控、緊急通信、車輛調度等應用場景中也表現出顯著的優勢。盡管基于5G 的地鐵車輛通信技術在當前已取得了顯著的成果，但仍有一些值得進一步研究的方向。