浅析5G通信技术在城市轨道交通中的应用

李洋

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也突飞猛进。4G通信技术的高速发展与普及应用，推动了城市轨道交通通信系统的创新发展，实现了LTE车地无线通信传输系统的构建，有效提升了通信覆盖范围、信息传播速率、信息传输抗干扰能力，为城市轨道交通管理与服务带来便利。但在测试与实践应用中发现，基于4G通信技术应用下的LTE系统，其综合承载能力存在一定限制，在信息传输与处理上有待进一步完善。而5G通信技术的研发与应用，为城市轨道交通的创新发展提供了新动力。对此，有必要加强5G通信技术及其在城市轨道交通中应用的研究。

关键词：5G通信技术；城市轨道交通；应用

引言

基于4G网络技术的城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M，地铁长期演进系统），由于其移动性高（相对移动速度≥350km/h）、覆盖范围大、抗干扰能力强、业务优先级调度算法先进，逐渐取代基于无线局域网（WLAN）的车地通信系统。随着2016年中国城市轨道交通协会发布《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》，LTE-M系统成为新建城市轨道交通线路的首选车地通信系统。同时，应用LTE通信网络在地上和地下城市轨道交通运营线的广泛覆盖，也给乘客上网和视频通话提供了方便。但在实际应用和测试中发现，应用于城市轨道交通的LTE-M带宽受频谱资源限制，综合承载能力有限；受LTE-M延时影响，基于通信的列车控制（CBTC）系统性能受限。目前各国正在积极推进第5代移动通信（5G）技术的研发和相关标准制定工作。国务院在2016年11月印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中对5G技术已有明确方向：“大力推进第5代移动通信（5G）联合研发、试验和预商用试点”，同时对轨道交通行业也提出了明确的要求：“强化轨道交通装备领先地位。推进轨道交通装备产业智能化、绿色化、轻量化、系列化、标准化、平台化发展，加快新技术、新工艺、新材料的应用”。地方企业、科研单位已开始进行关于轨道交通信息化和高速移动下的5G研究。北京市科委表示，未来地铁新建线将预留5G信号空间。工信部表示，力争2020年启动5G商用。通信系统作为城市轨道交通重要的系统之一，5G新技术的推进为城市轨道交通发展增加了新的动力。

1对“5G通信技术”的基本认识

“5G”是对第五代移动通信技术（Fifthgenerationmobilecom-municationtechnology）的简称，又被称之为“第五代移动电话行动通信标准”，是基于4G（第四代移动通信技术）上延伸的移动通信技术。作为新一代移动通信技术，5G通信具备了更高的要求，实现了众多先进技术的整合应用。例如，5G通信技术应用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用技术）实现通信信号的叠加传输，为不同用户间的多路传输奠定良好基础，促进5G通信系统接入能力的提高；5G通过引入可拓展OFDM间隔参数配置，通过构建超密集组网，提升通信容量，实现多种部署模式下不同信道宽度的支持，在不增加控制系统复杂性的基础上，满足5G网络大规模设备连接要求；5G通过应用大规模天线阵列技术、全频谱接入技术，实现系统频谱效率提升，增强对各频谱资源处理能力，以满足5G网络大规模、高速率通信需求；5G系统引入绿色通信技术，实现信息与通信技术产业耗能的降低，满足社会与市场对绿色发展的需求。在先进技术结合应用下，5G网络在以下场景中具备较高应用价值与应用前景：（1）超高速场景，如满足高速列车控制系统通信需求，实现状态信息的高效传输，提升高速列车运行稳定性与安全性；（2）高可靠、低时延场景，覆盖范围不断拓展，实现网络内部实时通信，提升通信可靠性；（3）大規模物联网业务场景，可满足大规模通信设备连接需求，使众多人参与到通信事件中，进行同步交流，构建物与物、人与物、人与人相互沟通的“万物物联”网络体系；（4）高体验性场景，即在满足信息无障碍传输的基础上，实现更自由、开放网络的构建，增强网络应用安全性、便利性、高效性、互动性。对4G通信技术与5G通信技术进行对比分析，发现5G通信技术具有如下优势：（1）传输速率更高。5G通信技术应用下，信息传输速率可达到10Gbps是4G（100Mbps）的百倍，与此同时5G网络100MHz以上的带宽，为信息传输速率的进一步提高奠定了良好基础。（2）信息容量更大。5G网络每平方公里能够连接的设备数量是4G的十倍有余，且通信质量更好，通信可靠性更强，能够满足人口密集城市轨道交通的通信需求。（3）资源利用率更高。5G网络结构的改变，如D2D（Device-to-Device，端对端通信）的设计、自组织网络技术的应用等，不仅增强了信息传输速率，也有效提升了资源利用率，利于实现移动通信网络体系构建的绿色化发展。

2城市轨道交通5G应用

2.1高速通信

目前城市轨道交通LTE-M系统使用1785～1805MHz频段，但受各地方频率资源使用限制，一般只批准其中的10MHz带宽用于城市轨道交通。考虑到信号系统安全可靠的需求，把10MHz带宽又分为A、B双网（5MHz+5MHz）冗余方式进行通信，按照《城市轨道交通装备技术规范》系统需求，在不同的自动运行等级（GOA，GradeofAutomation）下综合承载列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监测业务、视频监控业务（IMS）。集群调度业务的传输速率未做要求，但根据实际场地测试，单路高清视频约<4Mbit/s（H.264）或<2Mbit/s（H.265）。在以上每个业务最小单位的情况下，5MHz带宽LTE-M通信速率难以满足各业务综合承载的设计要求，特别是多业务并发时，例如多列列车在同一小区进行通信、多路视频传输等情况下单网承载远远不能满足需求，进一步使得业务扩展空间受限。受此问题影响，目前解决办法是设计多个网络承载不同业务，导致网络建设复杂、周期长、后期维护难度大等问题。

2.2低延时，高可靠

追踪间隔保证列车以一定的时间间隔在线路上互不干扰地运行，不仅是衡量列车运行控制系统性能的关键指标之一，也是保证运营效率的重要参考。无线通信是CBTC系统实现较小追踪间隔的基础，而通信延迟是无线通信过程中普遍存在的问题，会造成车载和地面设备对信息使用不同步，可靠性降低，对列车追踪间隔、运行安全和效率产生影响。按照《城市轨道交通装备技术规范》，要求通信系统单路单向传输时延不超过150ms的概率不小于98%，不超过2s的概率不小于99.92%。根据不同通信时延下列车追踪间隔和最优速度值可知，在没有通信延時的理想情况下，列车追踪间隔为33.06s，当延时为200ms时，列车追踪间隔为38.27s。应用5G技术，可将端到端的延时降低至1ms以内，这将使运行间隔进一步缩短，使得虚拟联挂、编组运行成为可能。另外，通信延时减小，可增加系统的可靠性，提高运行安全。

2.3端到端通信

目前基于CBTC的列车控制系统，为了防止轨旁网络设备发生故障造成列车降级行驶或者停运，在列车运行线路设计了A、B相互独立的车地通信网络，互为冗余进行通信。但这样需要在轨旁增设大量的通信设施，提高了建设成本，延长了施工周期，也增加了后期运行维护的难度，不利于老旧线路改造。5G通信引入了端到端（D2D）通信技术，设备之间数据通信不需要基站的中转。D2D通信技术可作为另一种冗余通信方式，在轨旁网络故障情况下，可以使列车与列车之间直接通信，相互汇报各自的位置信息及运行状态信息，从而在保证安全的前提下，不降级继续安全运营。D2D通信技术使列车与列车之间通信时延可以进一步降低，从而进一步减少列车运行间隔，在提高运行效率的同时，也增加了通信的可靠性。

结语：

5G网络技术研究及应用，对于正在快速发展的城市轨道交通建设具有一定的积极作用。5G网络技术有望解决现在困扰城市轨道交通通信系统应用中的一些问题，而且提供了更强大的功能、更灵活的应用，为优化城市轨道交通相关系统提供了新的思路。同时5G网络技术能够提高系统效率、减少能量损耗、进一步降低部分成本，实现国家倡导的节能减排、绿色通信，对后续城市轨道交通设计、建设和运营都有非常重要的指导意义。

参考文献：

[1]北京多条地铁线实现4G全覆盖并预留5G信号空间[J].都市快轨交通，2016（4）：19.