试谈5G通信在城市轨道交通的应用

余佳峻

摘  要：随着5G网络大规模商用的不断推进，这说明5G时代已正式来临。围绕城市轨道交通通信系统进行分析可以发现，无线通信系统属于其重要组成部分，而通过引进5G通信，该部分存在的延时较长、传输速率较低等局限性即可较好化解。基于此，文章將简单分析城市轨道交通无线通信系统现状，并深入探讨5G通信在城市轨道交通的应用，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。

关键词：5G通信;无线通信;城市轨道交通

中图分类号：U285          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0193-02

Abstract： With the continuous development of large-scale commercial use of 5G network， this shows that the 5G era has officially come. Based on the analysis of the urban rail transit communication system， it can be found that the wireless communication system is an important part of it， and the limitations of this part， such as long delay and low transmission rate， can be better resolved by introducing 5G communication. Based on this， this paper will briefly analyze the current situation of urban rail transit wireless communication system， and in-depth discussion of the application of 5G communication in urban rail transit， in hope that the research content can give inspiration to relevant practitioners.

Keywords： 5G communication; wireless communication; urban rail transit

前言

基于毫秒级的传输时延、10Gb/s的传输速率、500km/h高速移动环境适应性，5G无线通信技术可较好用于城市轨道交通领域，这源于其先天性技术优势。为最大化发挥5G通信的先天性技术优势，推进城市轨道交通领域发展，正是本文围绕5G通信在城市轨道交通的应用开展具体研究的原因所在。

1 城市轨道交通无线通信系统现状分析

1.1 基本构成

作为城市轨道交通通信系统的重要组成部分，无线通信系统能够为乘客无线通信需求、运营及生产提供基础网络支持，具体可分为乘客无线网络、运营无线网络、生产无线网络、公安无线网络。乘客无线网络由乘客WIFI、运营商无线组成，通常由运营商自建，常用制式包括WLAN、3G、4G、2G;运营无线网络由办公网WIFI组成;生产无线网络由生产无线网、轨道监控、列车监控、PIS车地无线系统、专用无线系统、CBTC组成，常用制式包括LTE、WLAN、EUHT;公安无线网络由公安无线组成，常用制式包括PDT、TETRA[1]。

1.2 现状需求

随着城市轨道交通通信系统智能化程度的不断提升，以及各地城市全自动运行线路探索的不断开展，无线信息传输在城市轨道交通中的重要性正不断提升，如智能客服、轨道监控等无需无线通信的传统轨道交通系统也开始出现无线信息传输需求。随着系统监测、高清视频等技术的快速发展，急剧增长的无线传输信息量使得无线系统必须设法满足各系统不断提升的传输带宽要求，特别是全自动运行线路，为全面监测轨道、列车数据，更清晰、无死角的车厢内部视频监控将占用大量传输带宽。同时，高速移动下乘客的无线通信需求近年来也在不断提升，越来越多乘客希望在车厢内获取音乐、视频、新闻、图片等信息的过程做到无“卡顿”。结合上述变化可以发现，当前各制式无线通信技术无法较好满足上述无线通信需求，虽然WLAN、LTE、EUHT等通信技术在理论上可基于较高的移动传输性能与无线传输速率在一定程度上满足相关需求，但受到列车运行速度、频带资源等因素的影响，这类技术实际应用中的移动传输性能及传输速率仍较为有限，无法满足城市轨道交通的发展需要[2]。

2 5G通信在城市轨道交通中的应用

2.1 综合承载

结合上文内容可以了解到，地铁无线通信系统由4大类组成，移动运营商等第三方单位一般负责乘客无线网络承建，地面公安无线通信制式直接影响公安无线网络的方案选择，满足日常运营办公的运营无线网络一般独立设置。因此，城市轨道交通中5G通信的应用主要体现在生产无线网络中，以此综合承载各类业务，即可保证5G通信更好服务于城市轨道交通发展。

2.2 网络架构

城市轨道交通包含的节点一般有车站、控制中心、车辆段/停车场，结合应用场景需求，即可组成城市轨道交通5G网络架构。5G核心网设备、应用服务器集群、网络控制设备、网管部署于控制中心，其中应用服务器集群包括列车监控、信号CBTC、PIS车地无线系统、专用无线系统、轨道监控及其他;边缘核心网设备、边缘应用服务器、无线天馈设备、AU接入单元、CU云单元部署于车站、车辆段/停车场，天馈设备及AU接入单元部署于隧道区间，车载5G接入设备部署于列车上，由此即可构建一套5G生产无线网络，实现对隧道区间、列车、车站、车辆段/停车场、控制中心的全覆盖，满足各类型业务综合承载需要，为城市轨道交通发展提供支持。

2.3 基本应用

城市轨道交通中的5G通信基本应用主要体现在三个方面，包括高速通信、端到端通信、绿色通信。高速通信中的应用需关注5G通信的高频段、高速率特性，由此简化新線网络设计方式、基于单网综合承载多种业务，5G通信的效用即可更好发挥;端到端通信中的应用需基于5G通信具备的先进端到端通信技术实现，通过这一冗余通信方式，直接连接与通信可在类车间实现，5G通信可由此更好保障列车安全运行，列车运行效率也能够同时提升;绿色通信中的应用需关注能量损耗问题，以此基于5G通信不断优化城市轨道交通中的相关网络，即可有效降低能量损耗，充分发挥5G通信优势，具体可从提升系统运行效率、优化资源调度、优化网络部署等方面入手，城市轨道交通系统的安全稳定运行可由此得到更好保障，城市健康发展也能够获得5G通信应用提供的坚实基础支持。

2.4 需要解决的关键问题

对于5G通信在城市轨道交通中的应用来说，必须解决四方面关键问题，包括频带资源问题、信号覆盖问题、区间信号切换问题、应用开发问题。基于频带资源问题进行分析可以发现，城市轨道交通领域向来较为关注频带资源，早在4G时代便存在相关文件要求，城市轨道交通LTE系统可基于1785～1805MHz频段建设使用，但通过对各地的实际频段分配情况进行分析可以确定，城市轨道交通建设大多无法将20MHz带宽全部分配，城市轨道交通LTE系统的传输性能因此受到严重负面影响。结合5G系统的工作频段划分，3300～3400MHz频段主要用于室内使用，3400～3600MHz频段和4800～5000MHz频段同样属于5G系统的工作频段，可见5G时代可使用频带资源将更为丰富。但由于现阶段我国尚未明确城市轨道交通的5G系统工作频段分配，业界必须加强对相关内容的关注;基于信号覆盖问题，应围绕城市轨道交通应用场景进行针对性分析，5G无线天馈系统的线信号覆盖需采用“漏泄同轴电缆+天线”结合的方式，具体的无线信号覆盖涉及室外、车辆段/停车场室内、车站，覆盖模型可参照式（1）进行计算，式中的L、D、F分别为自由空间损耗、距离、频率。

L=32.4+201g（F）+201g（D） （1）

隧道区间无线信号覆盖基于漏泄同轴电缆实现，这一过程需考虑漏缆耦合损耗、传输损耗、其他附加耦合损耗、车体屏蔽等因素影响，以此开展针对性的区间覆盖方案设计。近年来漏泄同轴电缆产品正积极开展3GHz以上的高频段研发，为开展更为科学、合适的隧道区间覆盖方案设计，必须了解相关产品的研发动态和上市时间。相较于4G网络，5G网络拥有更高的频点和更大的无线部署密度，因此每段漏缆在隧道区间的覆盖距离也将因此更短;基于区间信号切换问题进行分析可以发现，隧道区间中列车的运行速度较快，5G无线信号基于每段漏缆也存在更短的覆盖距离，这种情况下5G时代区间天馈方案设计必须重点关注信号切换问题。在信号切换方案的应对中，5G时代区间天馈方案设计必须考虑系统对切换时间的要求及列车运行速度催生的要求，以此提供足够的重叠区覆盖距离满足越区切换地带需要，信号的平滑切换也需要尽可能实现;基于应用开发问题，需重点关注显著提升的5G时代无线传输性能，以此保证应用开发能够与性能提升做到匹配，以此充分利用丰富的传输带宽，更好服务于城市轨道交通发展。基于“小带宽”无线传输开展的城市轨道交通各系统开发与定制属于业界普遍现象，如基于当前通信传输速率设计的列车视频清晰度、调看路数、录像存储方案，这方面内容均存在较大提升空间。随着5G通信技术的快速发展，与之相关的NFV、SDN、云计算等新型技术将被大量引入城市轨道交通各系统，而在对业务进行综合承载后，各系统应基于先进的基础网络技术及丰富的带宽资源针对性开发相关应用，以此有效提升各系统功能的智能化、丰富性程度，充分发挥5G网络优势，更好为城市轨道交通发展保驾护航。

3 结束语

综上所述，5G通信在城市轨道交通的应用具备较为广阔的发展前景。在此基础上，本文涉及的现状需求、综合承载、网络架构、需要解决的关键问题等内容，则提供了可行性较高的城市轨道交通5G通信发展方向。为保证5G通信更好服务于城市轨道交通发展，5G通信技术的优势必须得到充分利用，同时需重点关注其在保障列车运行稳定性与安全性方面的作用发挥。

参考文献：

[1]廖欣.简析5G通信在城市轨道交通的应用[J].中国新通信，2020，22（02）：21.

[2]廖佳鑫.5G通信技术在城市轨道交通中的应用研究[J].信息与电脑（理论版），2019（15）：186-187.

[3]邹劲柏，张科博，洪翔，等.5G在城市轨道交通中的应用前景分析[J].城市轨道交通研究，2019，22（07）：75-78.