5G通信技术在城市轨道交通中的应用

谢志锋 武宁

【摘要】    随着5G技术的开发和应用，城市轨道交通对5G通信技术的深度融合、多场景应用的需求更加强烈，传统的基于WLAN技术、LTE技术已无法完全满足城市轨道交通智慧化的发展需要。本文介绍了现阶段城市轨道交通现状，结合石家庄地铁探讨5G通信技术在轨道交通体系中的应用，为后续城市轨道交通5G建设和发展应用提供参考。

【关键词】    5G通信    轨道交通    应用场景

轨道交通作为城市动脉和大众化的交通工具，是国家关键基础设施和重要基础产业，对我国经济社会发展、民生改善和城市安全起着不可替代的作用。《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》指出，要利用云计算、大数据、5G等技术，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国式智慧型城市轨道交通。随着对移动通信需求的持续增长，5G频谱利用和能源效率将大大提高，在传输延迟、可靠性、安全性和覆盖范围方面实现更大的性能改进，并在城市轨道交通车地通信、运行监测、网络覆盖、大数据分析等复杂场景数字化应用将不断深入，成为实现城市轨道交通智能化的重要支撑。

一、 5G技术优势与发展

5G是对第五代移动通信技术（Fifth generation mobile communication technology）的简称，是基于4G延伸的移动通信技术。作为新一代移动通信技术，5G通信实现了众多先进技术的整合应用，超密集异构网络、大规模天线阵列（massive MIMO）、端对端通信（D2D）、切片、边缘计算（MEC）等技术的发展和普及，将向超高速、高可靠、低时延、大规模物联网络时代迈进。

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）大规模物联网业务场景，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“万物物联”网络体系。对4G通信技术与5G通信技术对比分析，可以发现5G通信技术传输速率更高，信息传输速率可达到10Gbps是4G（100Mbps）的百倍，信息容量更大，可靠性更强，资源利用率更高，能够满足城市轨道交通的通信需求。

二 、 轨道交通网络现状

2.1车地通信受限

地铁车载视频为轨道交通指挥中心提供列车重要监控数据，在协助调查分析及反恐上起着举足轻重的作用。目前石家庄地铁开通3条线路，1、3号线乘客信息系统车地无线采用LTE1.8GHz的专网频谱，带宽10MHz，每列车仅能上传两路视频图像至控制中心。2号线采用WLAN IEEE 802.11ac技术，车载实时图像在实际使用中会出现卡顿、链接不畅，车厢内视频仅能实时查看2-4路，录像更是无法实现回传，只能通过人工拷贝完成。

2.2应急通讯难度大

在发生事故事件等应急状况下，根据现场情况可能需要临时布置无线摄像设备用于实时监控，布置临时影音通讯设备与站外安保人员实时通讯和联络，便于应急指挥。当前以石家庄地铁的专网带宽及通讯方式为例，其中1.8GHz乘客信息系统带宽10MHz，带宽存在不足，专用无线通信系统采用800MHz频段，无法实现多路终端的视频回传需求，应急状况保障手段有限，只能采用对讲机联络，存在互通差或多线路无法互通等问题。

2.3智慧列车状态监测需求增大

随着列车智慧化的改造革新，列车的状态数据需要实时上传到后台，以实现列车状态的在线监控，确保运行安全。当前列车编组一般为8节车厢，运行监测系统安装传感器数以千计，需要海量同步传输数据，由于局限于带宽限制数据上传无法全面覆盖。未来随着5G网络的发展和应用，列车控制和管理系统（TCMS）的速率可以得到极大提升，列车走行部、制动、牵引、弓网监测等存储数据能够实时上传，对列车的智慧化运维带来提升。

三、 轨道交通5G应用分析

3.1无线高速通信

轨道交通车地无线通信作为保障安全运营的重要环节，承载了以下生产业务：基于通信的列车运行控制系统，完成对车辆安全行驶的控制功能;列车运行状态监测系统，用于保障车辆运行期间关键设备系统的安全运转;车载视频监控系统，用于列车内视频图像实时上传;乘客信息系统，用于线网异常情况下的乘客通知及运营服务信息发布。

石家庄地铁LTE-M车地无线通信系统使用1.8GHz频段，10MHz频谱带宽;经测试上下行数据吞吐量约为2-8M，按照需求分析，在综合承载下列车运行控制业务、列车运行状态监测业务、视频监控业务、乘客信息系统业务等所需约40-70M平均带宽，石家庄地铁5G创新应用分析如表1所示。

在最小单位单网运行下，5MHz的LTE-M通信速率难以满足多种业务的综合承载需求。例如列车运行状态监测应用方面，在4G网络下，通过在车上部署数据采集处理与发送设备，可实现列车原始数据的分布式收集、本地存储等功能，但数据量大小和数据速率受限，只能应用于小数据传输;大数据传输（如走行部记录文件等）方面需要依靠人工方式实现。引入5G后，可以提高数据量和数据传输速率，实现大数据文件实时传输，实现对系统及关键部件状态监视、故障预警及健康评估等功能，为列车运行提供远程诊断与专家技术支持。此外，车载视频图像实时回传到控制中心，5G技术可在原有带宽下提供更高的通信速率，在满足综合承载带宽应用的同时，逐步向可视化语音通信、大数据传输、超高清视频流等方面不断迈进。

3.2运营维护优化

轨道交通线路内需要维护的设施较多，点多面广、维护工作量巨大，利用物联网（IOT）技术采集各类机电系统状态数据、工务系统状态数据，通过5G网络接入回传给专业维护人员，运营由被动维护转为智能监管，提高维护效率。石家庄地铁目前开展5G试点改造优化工作，当前列车车辆数据及事件采集模块（ERM）数据都是采用人工拷贝方式，无法实现对列车实时状态管理，考虑后期5G全网覆盖后TCMS业务定制开发，先期在列车上部署5G天线、车载TCMS接口设备，实时采集车上状态和故障信息等，利用现有的ERM设备接口回传数据，通过5G专用网络通道传输至平台，接收列车工况、牵引、制动、视频等数据进行试点测试分析，逐步实现对列车的实时监视、应急响应、系统分析等功能，提高列车可靠性，降低维护成本，为后续5G全面应用打好坚实基础，构建智慧地铁。

3.3物联通信提升体验

乘客智能出行是发展趋势，5G技术发展和应用将拉近乘客距离，乘客可实现轨道交通网络购票，实时查寻列车到、发站信息、车站拥挤情况，定位商业网点等，为乘客出行提供参考，提高地铁服务水平和舒适度。地铁运营也可通過大数据统计，实时发布和接收地铁、公交信息等，实现站内分区疏散、站外潜在乘客引导换乘，提升乘客感受。此外5G高速网络可使更多的视频影像、广告等实时精准下发，视频播放更加清晰，以实现地铁商业精准营销，提升客户观感体验，提升溢价能力。

四、结束语：

5G通信技术以其大带宽、低时延、高可靠、连接广等优势，随着轨道交通的深入应用将发挥越来越重要的作用，推动城市轨道交通更加自动化、智能化、系统化、绿色化。目前轨道交通5G建设和改造如火如荼，在实施创新驱动发展战略背景下，积极认知5G通信技术，了解其在城市轨道交通中应用的可行性，不断的拓宽新思路，并在不断研发与实践下进行相应的论证，最终使5G技术能够在城市轨道交通中大规模应用，构建更加全面的地铁运营平台，发挥其更大价值。

参  考  文  献

[1]毛磊， 翟浩杰， 尹尚国. 5G在轨道交通行业的应用探讨[J]. 移动通信， 2020.

[2]黄霁. 5G无线通信技术在城市轨道交通中的应用探讨[J]. 都市快轨交通， 2019， 032（005）：33-37.

[3]张泽驰. 城市轨道交通中5G通信技术的运用探讨[J]. 通讯世界， 2019（6）：22-23.