關(guān)于城市軌道交通5G 通信技術(shù)的應(yīng)用展望探討

章程

（安徽省綜合交通研究院，安徽 合肥 230000）

伴隨5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，城市軌道交通通信系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用，同樣需要得到必要的改進[1]。目前，LTE-M 系統(tǒng)已經(jīng)成為新建城市軌道交通選擇應(yīng)用的車地通信系統(tǒng)。這是因為該系統(tǒng)具有車地覆蓋范圍廣泛的優(yōu)勢，它能為乘客進行視頻通話或?qū)嵤┥暇W(wǎng)，均提供了便利。但是，它相對5G 通信技術(shù)依然遜色。因此，國家已經(jīng)對城市軌道交通行業(yè)提出了明確要求，需要應(yīng)用5G 通信技術(shù)。

一、5G 通信技術(shù)概述

（一）5G 簡介

人們對移動通信需求處在不斷增長當(dāng)中，新一代移動通信系統(tǒng)5G 已經(jīng)進入商用階段。以5G 通信技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了通信性能的諸多突破，尤其是提高了頻譜的利用效能，促使傳輸資源與速率獲得了極大提高。5G通信技術(shù)很好解決了信息傳輸延時問題，并增強了信息覆蓋能力，也強化了信息的安全性與可靠性。同時，它還能拓展系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域，且增加了端對端這種特有的通信功能。不僅如此，它又能支持海量信息傳感設(shè)備的通信能力，也能支持機器對機器的通信能力，進而推進了在未來可能實現(xiàn)的萬物互聯(lián)目標(biāo)的接近。5G 具有的良好用戶體驗，能使諸多行業(yè)或領(lǐng)域滿足特定通信需求[2]。

（二）5G 的技術(shù)優(yōu)勢

5G 是在應(yīng)用多種先進技術(shù)和創(chuàng)新方法，在改善網(wǎng)絡(luò)原有性能，擴展原有功能，像它所使用的高頻段數(shù)據(jù)和D2D 通信、規(guī)模較大的陣列天線、新型的多址、多載波和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、全雙工、密集網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)代通信技術(shù)的大跨越。尤其是D2D 通信技術(shù)，能實現(xiàn)由設(shè)備到設(shè)備的直接通信，既能降低通信延時，又能為基站減負，還能少占頻譜資源，更能降低傳輸功率，實現(xiàn)能耗降低。它有很高的通信安全性與可靠性。5G 具有的技術(shù)優(yōu)勢，非常有助于提升城市軌道交通通信系統(tǒng)的性能。

二、城市軌道交通對5G 技術(shù)的應(yīng)用

（一）可實現(xiàn)通信的高速

當(dāng)前，城市軌道交通通信系統(tǒng)都在應(yīng)用LTE-M 系統(tǒng)。但因受各地頻率資源利用因素制約，針對城市軌道交通通信資源，一般只允許使用其中的10MHZ帶寬。城市軌道交通為使自己允許使用的有限通信資源，實現(xiàn)通信信號的安全可靠性，又將其分成A、B 雙網(wǎng)，即5MHZ+5MHZ，實施冗余式通信[3]。

根據(jù)我國《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》提出的需求，在不同的自動運行等級當(dāng)中，城市軌道交通通信的傳輸速率，需要滿足下列要求，即乘客視頻業(yè)務(wù)2Mbit/s-8Mbit/s；視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)2Mbit/s/路；列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)0.024Mbit/s-0.1 Mbit/s；列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)0.01Mbit/s-0.01Mbit/s；綜合承載列車運行控制業(yè)務(wù)0.256Mbit/s-0.512Mbit/s。但LTE-M 通信系統(tǒng)則難以滿足如此的要求。同時，我國《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》，未對集群調(diào)度業(yè)務(wù)的通信傳輸速率，提出具體的要求。不過，依據(jù)針對現(xiàn)場的實際測試，它的單路高清視頻傳輸速率則是較小。

假如將每個業(yè)務(wù)都放在最小單位，依靠LTE-M 通信系統(tǒng)當(dāng)中僅有的5MHZ帶寬，是不能滿足各類業(yè)務(wù)綜合承載設(shè)計需求的，尤其需要多種業(yè)務(wù)進行多發(fā)時，則更顯通信資源的捉襟見肘。比如，如果有多列列車需要在同一區(qū)域?qū)嵤┩ㄐ呕蜻M行多路視頻傳輸時，那么，LTE-M 通信系統(tǒng)的單網(wǎng)承載則難以支撐出現(xiàn)正常的通信速率，造成一些業(yè)務(wù)空間不能實現(xiàn)有效擴展。為破解這一難題，只好設(shè)計應(yīng)用多個網(wǎng)絡(luò)用來承載不同業(yè)務(wù)的通信速率。即使是進行了這樣的破解，又出現(xiàn)了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、建設(shè)周期長和后期維護難度高等問題。

應(yīng)用5G 通信系統(tǒng)，則是境況迥然不同。因其采用了多種先進技術(shù)，增加了相應(yīng)的頻譜效率，使原有的帶寬能夠提供比較高的通信速率。同時，還用更高的頻段，用來緩解頻譜資源緊張的難題，進而能夠?qū)崿F(xiàn)短距離的極高速通信。相比較而言，5G 網(wǎng)絡(luò)顯示的頻譜效率是4G 網(wǎng)絡(luò)的5 到10倍。這樣，就能將城市軌道交通中的上行或下行平均通信速率分別提高到18.5Mbit/s-37Mbit/s 或42Mbit/s-84Mbit/s。如此看來，5G 通信技術(shù)既可以單網(wǎng)綜合承載城市軌道交通現(xiàn)有業(yè)務(wù)，又能增加多路高清視頻，實現(xiàn)了對承載業(yè)務(wù)通信速率的滿足需求。不僅如此，5G 通信技術(shù)還能簡化新網(wǎng)構(gòu)建復(fù)雜度，并可降低后續(xù)的維護難度。伴隨5G 通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)綜合承載力的增強，又能減少軌旁設(shè)備的安裝，既利于對老舊線路的改造，又能拓寬軌旁空間，并且能縮短工期，節(jié)約建設(shè)成本[4]。

（二）可實現(xiàn)低延時與高可靠

追蹤相應(yīng)的間隔，確保城市軌道交通車輛用一定的時間間隔，在軌道線路上進行互不干擾的運行，既是衡量城市軌道交通車輛運行控制系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵性指標(biāo)，又是確保城市軌道交通車輛運行效率一個重要參考。無線通信應(yīng)該是CBTC 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市軌道交通車輛較小追蹤間隔的一個關(guān)鍵性基礎(chǔ)，但是，出現(xiàn)的通信延時現(xiàn)象又是相對普遍之象，往往會導(dǎo)致出現(xiàn)車輛車載與地面通信設(shè)備對信息使用不同步問題，因而降低了通信的可靠性，造成對城市軌道交通車輛運行安全、追蹤間隔和運行效率的影響。

根據(jù)我國《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》中提出的要求，通信系統(tǒng)的單路與單向傳輸延時，不能超過150ms 概率并不小于其98%，也不能超過2s 概率并不小于其99.92%。但以往使用的城市軌道交通通信系統(tǒng)，則難以達到這樣的要求。在沒有良好解決通信延時問題的情況下，同樣不能很好實現(xiàn)城市軌道交通車輛追蹤間隔與破解通信延時的理想狀況。

應(yīng)用5G 通信技術(shù)，能夠?qū)⒍说蕉说难訒r狀況，降到1ms 之內(nèi)，進而促進了城市軌道交通車輛運行間隔的進一步縮短，并可促成車輛編組運行或?qū)嵤┨摂M聯(lián)掛的實現(xiàn)可能。通信延時的降低，顯示了通信系統(tǒng)運行的可靠性，又在助力城市軌道交通車輛實現(xiàn)運行的安全性[5]。

（三）可實現(xiàn)端到端之間的通信

目前城市軌道交通應(yīng)用的CBTC 車輛控制系統(tǒng)，主要是為預(yù)防軌旁網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障以后，會造成車輛出現(xiàn)降級運行乃至停運問題。為此，只好設(shè)計A、B 彼此獨立的車地通信網(wǎng)絡(luò)，實施相應(yīng)的冗余通信。這種通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，既要增加大量的通信設(shè)施，又要增加建設(shè)投入，還要應(yīng)用較長的建設(shè)周期，并要增加后續(xù)維護的難度，更阻礙對老舊線路的改造。

應(yīng)用5G 通信技術(shù)，體現(xiàn)了D2D 通信技術(shù)的性能，可使通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，不再需要基站實施中轉(zhuǎn)。端到端通信技術(shù)依然是一種另外的冗余通信方式，但它可在軌旁網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的時候，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛之間的直接通信，用以通報各個車輛所在的位置以及當(dāng)時的運行狀況等信息，極大提高了車輛運行的安全性，并不會使車輛進行降級運行。同時，因為它縮短了車輛之間的通信延時，通信的可靠性，則減少了車輛之間的運行間隔，促進了車輛的運行效率。

不僅如此，端到端的通信技術(shù)，還能較好支持相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)多跳技術(shù)，可將通信終端接入設(shè)備，當(dāng)作一種網(wǎng)絡(luò)中繼，以期為其他設(shè)備提供一定的通信鏈路，進而使通信網(wǎng)絡(luò)不會因為信號弱而受到干擾，也不會因為出現(xiàn)基站故障而導(dǎo)致不能實現(xiàn)通信，可將通信系統(tǒng)武裝得愈加健壯，尤其能極大提升通信網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性。

同時，端到端通信技術(shù)也為城市軌道交通車輛提供了進行首尾通信的蹊徑。以往車輛首尾之間的通信，都在依靠車載控制器，并在車載控制器之間鋪設(shè)首尾貫通線路而實現(xiàn)通信。而端到端通信技術(shù)則是可以直接應(yīng)用無線方式，實現(xiàn)車輛首尾的直接通信，不需要再鋪設(shè)貫通線路，也沒有必要再借助車地網(wǎng)絡(luò)?？梢?，它的優(yōu)勢顯然明了，尤其降低了通信成本，提升了通信效率。端到端通信技術(shù)能夠為城市軌道交通通信提供愈加便捷、靈活的通信方式。

（四）可實現(xiàn)海量用戶的超密集組網(wǎng)

5G 通信技術(shù)大大提高了通信帶寬，能承載更多的業(yè)務(wù)，為實現(xiàn)海量無線設(shè)備組網(wǎng)提供了技術(shù)支持。如果應(yīng)用5G 通信技術(shù)，能將現(xiàn)有車地有線組網(wǎng)設(shè)備進行部分改造，進而減少大量的布線，實現(xiàn)靈活分布，騰出原有通信設(shè)備占據(jù)的空間。

為充分體現(xiàn)通信系統(tǒng)具有的可靠性與安全性，也可以適當(dāng)增加一些無線傳感器設(shè)備或監(jiān)控設(shè)備，運用無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)實時采集車載設(shè)備或軌旁設(shè)備運行的狀態(tài)信息，并對這些采集到的信息進行大數(shù)據(jù)解析，以利發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行故障或潛在危險因素，并將其發(fā)現(xiàn)及時傳輸給控制中心，促使維護人員能夠快速到達故障出現(xiàn)的現(xiàn)場，實施精準性及時的維護，用以確保城市軌道交通車輛高效而安全的運營。

不能否認，實現(xiàn)這樣的通信水平，固然需要諸多的終端接入，但5G通信技術(shù)因其能夠支持海量終端接入，則可節(jié)省大量的組網(wǎng)時間。因此，它非常適用于城市軌道交通通信系統(tǒng)的建設(shè)。

（五）可實現(xiàn)大規(guī)模的天線陣列

5G 通信技術(shù)能借助天線空分特征，將相同的時頻資源，同時實施若干用戶的服務(wù)，既能提升必要頻譜效率，又能增強通信信息傳輸?shù)目煽啃?。究其原因，是因其能支持城市軌道交通中海量設(shè)備的接入，并能應(yīng)用波束賦形技術(shù)提升城市軌道交通車輛車地通信系統(tǒng)的抗干擾能力。因為波束賦形傳播，方向性較強，因此，可間接獲取城市軌道交通車輛大概位置，利于追蹤車輛運營軌跡，它比較適合城市軌道交通換乘站、車輛段或地面段等場合應(yīng)有這種通信技術(shù)。

（六）可實現(xiàn)綠色通信

應(yīng)該說，通信技術(shù)還要繼續(xù)發(fā)展，通信能力消耗嚴重問題依然需要獲得進一步的破解。國內(nèi)外針對通信實現(xiàn)節(jié)能減排都構(gòu)建了不同的指標(biāo)要求。我國針對城市軌道交通通信同樣提出了要求，需要城市軌道交通行業(yè)積極優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)，以利逐漸降低能耗。

5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，均能優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實施合理通信網(wǎng)絡(luò)部署，科學(xué)調(diào)度通信資源，提高通信網(wǎng)絡(luò)鏈路技術(shù)，進而促進通信網(wǎng)絡(luò)的運行效率，降低信息傳輸能耗。由于它具有的這些特性優(yōu)勢，已經(jīng)為實現(xiàn)綠色通信和節(jié)能減排創(chuàng)造了技術(shù)條件。展望未來，5G 通信技術(shù)將對城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提供更大的應(yīng)用空間。

結(jié)束語

5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，能有效改觀城市軌道交通通信系統(tǒng)。它所具有的通信性能優(yōu)勢，能破解目前城市軌道交通通信系統(tǒng)遇到的難題，為提高城市軌道交通通信系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量，提供了優(yōu)勢技術(shù)條件。