5G技术在城市轨道交通信号系统中的应用探讨

◆刘净

5G技术在城市轨道交通信号系统中的应用探讨

◆刘净

（福州职业技术学院 福建 350000）

5G移动通信技术的快速发展引起了各行各业的关注与进入。而城轨交通作为城市交通的重要组成部分，承担的乘客出行比重越来越大，面对越来越多的信息数据碰撞和越发智能的乘客出行需求，其与5G的融合发展变得尤为必要。本文通过分析5G技术的优势，探讨其在汽车通信、自动驾驶、智慧出行等方面的作用。

5G通信技术；信号系统；绿色通信；智能

当人们还在享受着4G带来的便捷服务时，5G已经悄悄进入我们的生活。与4G移动通信技术相比，5G技术在速率、时延和容量方面都有很大的提升。当前，5G移动通信技术与各行业的深度融合、协同发展正在如火如荼地进行。

城市交通设施是城市高速运转的主动脉，也是一个城市发展水平的重要体现。城市轨道交通作为城市交通的重要组成部分，其在城市公共交通出行的比重在逐年不断提升，为了更好服务人民出行、服务城市发展，要借着5G高速发展的东风，推动城市轨道交通的智能化、自动化发展。

1 研究背景

1.1 5G技术的发展

5G移动通信技术是当前最前沿的移动通信技术，是4G进一步升级和发展的产物。随着现代科技的发展，各行各业智能化、自动化需求不断增加，对移动通信性能的要求也不断提高，5G技术对比4G提升的不仅是速率，它所支持的设备也由手机、电脑转变为各种便携设备，应用领域也越来越广泛。

5G移动通信技术较4G在速率、时延、容量等方面都有较大提升。这些提升使其能够更好适应特殊场景，如高铁、地铁、汽车等高速场景中可以高效、稳定传输环境信息或自身状态信息，保证运行安全；在山区、农村等边缘场景也可实现流畅通讯；在商场、车站等大容量场景也可实现稳定连接；可以构建大规模的物联网场景，实现人与人、人与物、物与物之间的多方通信网络体系。

1.2 5G技术的优势

相较于传统的3G、4G技术，5G在多个方面都有了较大的提升：

（1）频谱效率，频谱资源属于稀缺资源，随着科技的发展，对频谱资源的需求不断增加，如何利用有限的频谱资源满足日益增长的需求成为科研工作者最重要的任务之一，5G移动通信技术采用小基站、新式天线、新型网络构架，在优化覆盖、信号质量的同时，还提升了频谱效率，5G的频谱效率要比4G提升10倍以上。

（2）容量，随着4G网络规模的扩大，移动智能终端得到迅速的发展，而移动智能终端的发展带来的是流量的爆发性增长，人流密集区域的容量问题已经成为困扰通信工作者的难题。5G的超密集架构网络不但可以提高频谱效率，同时也能大幅提升系统容量，而D2D通信技术可直接在终端之间进行数据交互，无需基站转发，有效减轻基站压力。在这些新技术的加持下，5G具有超大的网络容量，可以提供千亿设备的连接能力，能够满足大规模物联网通信需要。

（3）时延，端到端的时延是由传输路径上的多段时延加和而成，仅靠优化其中一段局部时延无法大幅降低传输时延，5G技术一方面大幅降低空口传输时延，另一方面减小网络传输节点，使空口、网络架构、核心网等不同层次相互配合，使网络在低时延和可靠性上具有极高的水准，为用户提供毫秒级的端到端时延和高可靠性的业务保证，满足车联网、工业控制、远程医疗、远程控制等垂直行业的特殊应用需求。

（4）特殊场景，在移动通信技术的发展过程中，小区边缘以及高速场景的网络性能一直是困扰网络优化人员的难题，5G连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率仍达到100Mbit/s，能够满足小区边缘和高速移动客户端的需求。

2 5G技术在城市轨道交通中的应用

2.1 车车通信

设备到设备通信（Device-to-Device Communication，D2D）是5G的关键技术之一，D2D通信是一种近距离数据直接传输技术，会话数据可直接在终端之间传输，不需要通过基站转发，而相关的控制信令仍由网络负责。5G网络引入D2D通信，可以有效减轻基站负担，降低端到端的传输时延，降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆盖盲区，终端仍可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。

在城市轨道交通中，列车运行间隔是衡量列车控制系统性能的关键指标之一，通信时延会导致车-地信息不同步，影响列车运行效率与运行安全，在实际生产中通常会增大列车运行间隔以保证安全。5G通信技术中引入了设备到设备通信技术，可以实现列车与列车之间的数据通信而无需经过基站，这样就大大降低了传输时延，在实际运行过程中可有效缩短列车运行间隔。并且，当网络出现故障时，车车通信也能实时交互自身位置及状态信息，保证列车安全运行。

2.2 自动驾驶

自动驾驶是城市轨道交通的发展方向，通过车载控制终端实现列车的自动驾驶，通过智能控制中心实现对列车群的行车计划制定和运营管理。在列车驾驶过程中需要传输列车运行数据、控制命令以及一些语音调度和广播信息，这些数据对网络带宽的要求不高，4G或WLAN即可满足。但是实现列车自动控制所需的高清可视化视频数据对传输速率和传输时延要求非常高，需要满足列车运行环境的高清可视化视频数据的高速、准确传输，以确保列车运行的安全性能。

5G技术的峰值速率将达到Gbit/s的标准，在小区边缘仍能达到100Mbit/s，完全满足高清视频数据的传输需求，使列车能够实时获取前方列车运行状态和环境数据，提高列车运行的安全性能。

2.3 智慧出行

智慧出行是城市交通的发展趋势，城市轨道交通也应该紧跟这个趋势，向智能化、自动化迈进。高速率、低时延的5G通信技术可以使乘客随时随地查询列车运行状态、到站信息、人流密度、车流密度等信息，通过大数据感知乘客出行需求，合理推荐出行时间、路线等，提供精准的一对一服务，从智能购票到无感知进站，从自动行程规划到自动票务结算，覆盖乘客地铁出行的全流程，大幅提升城市轨道交通的服务水平，提高乘客出行满意度。

2.4 智能维护

5G技术提供了设备到设备的通信方式，这样可以使城市轨道交通中的某些有线通信设备直接改为无线通信，减少地面布线，降低了空间占用率，也减小了设备集中放置的需求，可以根据设备的性能将其放置在最适宜其工作的环境中，减少设备损耗，降低设备故障率。同时，由于设备放置更加灵活，对于日后的维护与修理也更加便利。

轨道交通的设备分布在车站、车辆段、线路上，数量多且分布广，日常维护工作量大，依靠人工巡检不但效率低而且易出错。在海量设备上接入传感器或监控设备，构建起智能维护体系，对全网设备进行实时监控，上传状态数据并反馈给控制中心，使工作人员第一时间发现问题并及时作出应对措施，以保证列车运行安全。相较于4G网络，5G技术能够提供海量设备连接能力，使城轨交通实时监控海量设备成为可能，大大降低了人员劳动强度和出错概率，提高了系统的安全性能。

2.5 应急防灾

城市轨道交通的安全管理综合了视频监控、报警等多个子系统，针对不同现场综合运算出最有效合理的处理方案和流程，当出现紧急情况时，系统能够结合多维大数据，迅速发出报警，并给出应急处理方案，从而保证地铁运行安全、乘客出行安全。

随着城市轨道交通的不断发展，列车发车间隔不断缩短，自动化程度不断提高，在这种情况下，地铁安全防护系统需要在更短的时间内对异常情况作出响应，报警并输出可能的问题及推荐的处理方案，5G通信技术可以提供足够快的数据传输速率，满足异常情况时短时间内大量分析数据的传输需求，同时5G技术还提供足够短的数据传输时延，使安全防护系统能最快速的作出响应，尤其是在自动驾驶模式下，没有司机现场分析处理，但却需要在故障时迅速响应，并在最短时间内将大量现场实时数据传输至防护系统，以便于工作人员能够及时远程排查，保证列车运行效率与行车安全。

3 5G技术面临的问题

虽然5G移动通信技术可以为城市轨道交通带来极大的便捷，但目前5G还处在发展推广阶段，在实际运用时还存在一些问题：

（1）安全问题。国家没有为5G分配专网频率，这就意味着会有其他用户共用网络，虽然5G技术可以提供轻量级加密和网络切片等安全技术，但这些技术能否满足CBTC业务需求还有待研究；

（2）兼容问题。城市轨道交通对安全性能的高要求决定了其通信网络要具备一定的兼容性，当5G网络发展故障时可及时切换到备用网络，以保证列车的安全稳定运行。当前多数已建或者在建城轨都已部署4G网络，5G与4G的切换性能和时延是否能满足城轨通信系统需要还有待验证。

（3）质量问题。5G技术采用超密集组网技术，这就意味着用户与周边多个基站距离相当，这些小区的信号强度也相当，相互间的干扰较大，易导致网络恶化。同时，超密集组网使用户在移动时更易遇到小区边界，容易发生频繁切换而影响网络感知。为了保证网络质量，需要根据城轨的环境及用户特点，合理部署5G网络，保证网络质量能满足列车安全运行的需求。

4 结语

5G移动通信技术的发展不仅能带来更好的网络和通讯体验，其对于各行各业的智能化、自动化发展都起着积极的推动作用。对于城市轨道交通来说，5G技术能够提高传输效率，降低传输损耗，实现绿色通信，为城市轨道交通的未来提供了新思路，对城市轨道交通的发展具有重要意义。

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