5G 技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

1 引言

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）是具有高帶寬、高速率、高穩(wěn)定性、低延遲等特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，是移動(dòng)通信技術(shù)的巨大飛躍。其傳輸速率高達(dá)每秒1??GB（圖1），反應(yīng)速度與人的神經(jīng)系統(tǒng)一樣快（只需數(shù)毫秒），而且其高帶寬允許同時(shí)接入海量設(shè)備，因此未來利用5G技術(shù)訪問互聯(lián)網(wǎng)的傳感器、機(jī)器和人員數(shù)量將快速增長。此外，5G技術(shù)可通過網(wǎng)絡(luò)切片功能（圖2）區(qū)分不同的應(yīng)用場景，并針對相應(yīng)的應(yīng)用場景調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率，因此可比4G技術(shù)更好地適應(yīng)垂直市場的需求，如工廠自動(dòng)化、移動(dòng)解決方案等?？偠灾?G技術(shù)可集成以前只能通過某種特定專業(yè)方法實(shí)現(xiàn)的所有功能，這種多功能性使其成為一種可取代現(xiàn)有無線解決方案的技術(shù)。目前，5G技術(shù)已逐步應(yīng)用到軌道交通領(lǐng)域，對其發(fā)展發(fā)揮著日益重要的推進(jìn)作用。

圖1 無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演進(jìn)

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)切片功能的應(yīng)用

2 可用的 5G 終端設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)

2.1 終端設(shè)備

目前，隨著5G芯片組的逐步商用，越來越多支持5G技術(shù)的智能手機(jī)及工業(yè)終端設(shè)備得以發(fā)布并推向市場（圖3）。這為5G技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖3 西門子商用5G路由器

2.2 網(wǎng)絡(luò)

目前，5G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)模式有非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（SA）2種。NSA模式是通過將無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的空中接口從4G升級(jí)到5G，使5G基站接入4G核心網(wǎng)。這意味著雖然無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接口已經(jīng)升級(jí)到5G標(biāo)準(zhǔn)，但是數(shù)據(jù)仍然通過現(xiàn)有的4G核心網(wǎng)進(jìn)行路由。SA模式中，5G網(wǎng)絡(luò)是完全獨(dú)立建設(shè)的，其核心網(wǎng)、基站等設(shè)施全部采用5G技術(shù)，相比NSA模式，其技術(shù)更成熟，數(shù)據(jù)傳輸速率更高，投資成本更低，建設(shè)耗時(shí)更短。

在SA模式下，5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)更多的功能，如網(wǎng)絡(luò)切片。5G網(wǎng)絡(luò)切片功能可將網(wǎng)絡(luò)分為不同的切片（邏輯切片），并針對應(yīng)用程序的特殊需求調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置；其具備極大的靈活性，可滿足各種應(yīng)用要求（圖4）。

圖4 5G智慧無線移動(dòng)通信

從NSA（4G+5G）模式到SA（5G）模式的轉(zhuǎn)變不是一蹴而就的，因此4G和5G核心網(wǎng)將在未來幾年共存。

3 5G 技術(shù)應(yīng)用場景

5G技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用場景包括技術(shù)替代（即目前已通過4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場景）和技術(shù)創(chuàng)新（目前還不能通過4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場景）2類。

3.1 技術(shù)替代

在技術(shù)替代場景中，數(shù)據(jù)服務(wù)對時(shí)間不敏感，幾秒范圍內(nèi)的延遲不會(huì)影響列車運(yùn)行，例如：

（1）列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)從列車到軌旁設(shè)施的傳輸；

（2）乘客信息數(shù)據(jù)的傳輸；

（3）列車駕駛員與控制中心之間的語音通信；

（4）列車位置信息的傳輸；

（5）在列車中播放的新聞或廣告；

（6）列車上提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

這些應(yīng)用場景目前都已通過4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)。5G技術(shù)的應(yīng)用可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，但會(huì)大幅增加成本。因此，應(yīng)綜合考慮成本效益，決定是否采用5G技術(shù)。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用場景是目前必須使用專門開發(fā)的系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場景，其集成了各種創(chuàng)新技術(shù)，因此實(shí)施成本也十分高昂。

例如，在基于人工智能（AI）的列車車廂監(jiān)控系統(tǒng)中，如果視頻數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸，圖像的自動(dòng)化分析結(jié)果可以低延遲獲得，則可以在控制中心或云設(shè)施中對攝像機(jī)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。目前，這可以通過在列車上安裝額外的硬件（HW）設(shè)備實(shí)現(xiàn)，然而將大幅增加車輛成本。而采用5G技術(shù)，則可將視頻數(shù)據(jù)通過寬帶實(shí)時(shí)地、幾乎沒有延遲地傳輸?shù)娇刂浦行幕蚧谠频腁I設(shè)備中，并在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果；此外，列車不必裝配額外的硬件用于計(jì)算和分析。

因此，5G技術(shù)在此類應(yīng)用場景中具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

隨著5G技術(shù)的發(fā)展和完善，其必將在城市軌道交通領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在技術(shù)替代場景中，可將之前基于4G技術(shù)的終端設(shè)備升級(jí)為具有5G能力的設(shè)備，以增加數(shù)據(jù)吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。而在技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用場景中，可利用5G-SA網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)切片功能實(shí)現(xiàn)列車的精準(zhǔn)控制，以及基于云的列車傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和評(píng)估。