5G技术在轨道交通的应用研究

张喜元 周增惠 林静

【摘要】文章结合轨道交通的业务需求及应用场景，分析了5G主要技术在轨道交通应用场景下能够发挥的作用。同时，探究了轨道交通5G网络建设方案及优缺点，为轨道交通5G网络建设提供了一些思路。

【关键词】轨道交通;应用场景;5G;建设方案

中图分类号：TN94                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13..005

1. 背景

近年来，随着我国城市轨道交通建设的发展和运营里程的快速增长，轨道交通对于城市居民的出行越来越重要，大批量轨道交通线路的建设与运营也驱动了相关技术的发展。轨道交通运营智能化是未来发展的重要方向，车载视频快速回传、列车状态数据上传和智能运维数据回传等越来越多的业务数据均需通过无线通信系统实现更高效的传输，使得4G无线通信系统已无法满足所有业务需求，这就对轨道交通无线通信系统的建设提出了新的挑战。5G作为先进的通信技术，具有增强型移动宽带、超高可靠低时延和大规模机器类通信三大主要应用场景，可满足轨道交通众多业务的承载，并能很好地解决轨道交通有关业务对大带宽、低时延和高可靠等方面的需求。

2. 轨道交通业务

目前，轨道交通无线通信系统承载的传统业务主要包含列车运行控制、列车紧急文本、列车运行状态监测、IMS视频监控、PIS车载多媒体和集群调度等。除了传统的业务外，轨道交通有大量新的业务涌现，主要包含可视化行车、智慧安检、智慧票务、智能运维和应急调度等。

2.1 可视化行车

基于5G的高清视频回传，通过在列车上安装高清视频监控设备，实时采集列车运行轨道前方视频回传，保证列车在轨道上运行的可视与可控。

2.2 智慧安检

目前，轨道交通的安检系统大多数是单站模式，安检数据只能在本地查询，通过建设安检集中判图平台，借助5G网络将安检数据及视频实时回传至控制中心后台，方便控制中心管理人员实时调取轨道交通线路的所有安检数据，并结合人工智能的视频分析能力，可实现快速联动响应、定位危险物及定位危险人员。

2.3 智慧出行

通过在轨道交通的车站建设5G网络，结合人脸识别和物联网感知技术，实现乘客快速刷脸过闸通行、大客流预测、列车车厢拥挤度查询及站内商铺定位等，为乘客提供个性化、智能化的出行体验，提高轨道交通的服务水平。

2.4 智能运维

轨道交通涵盖的系统多，车站存在着大量复杂的各类设备，运营维护的工作量巨大，车站设施设备管理及运维可结合物联网、大数据及设备全生命周期数据等，建立车站设施设备数据库，通过建设物联网采集各设施设备的有关数据，并将有关数据上传到集中的设施设备管理维护平台，可实时监控设备的运行信息、故障信息及故障预警，使得运营维护由日常的被动维护转为智能化的监管，实现相关设备的半自动化巡检及远程监控。

2.5 应急调度

轨道交通的列车发车密度高、客流量大，针对站台门夹人、扶梯摔倒等乘客事件通过视频分析和智能传感等技术，及时触发警报信息，及时提醒车站工作人员处理。轨道交通隧道环境复杂，在出现紧急情况时，需要迅速做出紧急疏散，可以通过高速无线通信系统进行现场的应急调度，提高紧急疏散的效率。

3. 5G关键技术

为了应对爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接及不断涌现的各类新业务和应用场景，5G应运而生。5G的关键技术主要包括网络切片、大规模多天线、超可靠低时延、超高密集度组网和覆盖增强等。

3.1 网络切片

网络切片技术是5G面向垂直行业满足多种应用场景、建立敏捷网络的需求，端到端的网络切片可以按网络灵活分配及网络能力按需组合，虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。在满足轨道交通不同业务性能、可靠性及安全隔离等基础上，结合轨道交通应用场景和业务特点，通过网络切片技术实现不同业务的安全承载。

3.2 大规模多天线

大规模多天线技术是5G的关键技术之一，借助多用户波束成形的原理，通过空间信号隔离，实现在同一频率资源上同时传输多个信号，这种有效利用宝贵而稀缺的频带资源，能够提供更灵活的空间复用能力，从而实现提升的系统容量。在轨道交通环境下轨道沿线需进行无线信号覆盖，场景主要以隧道和高架桥梁为主，一般需采用漏缆覆盖。

3.3 超可靠低时延

超可靠低时延通信是5G的三个典型场景之一。在轨道交通应用场景下，主要需解决车地无线信息传输和分布式设备之间的无线信息传输的需求，5G可以为提供毫秒级的端到端时延以及接近百分之百的業务可靠性保证。根据轨道交通行业有关规范，通信系统车地无线网络单路单向传输时延不超过2s的概率不小于99.92%，5G网络通过超可靠低时延技术可以满足对轨道交通不同业务的时延要求。

3.4 超高密集度组网

5G网络频段普遍较高，使得无线信号在空间传播的衰减变大，在公网场景下那么超高密集度组网比较普遍，但轨道交通应用场景主要以线状覆盖为主，不是蜂窝组网，从而使得5G网络的有效覆盖面积达大大减少，且列车在高速运行中会频繁切换。因此，在轨道交通的车辆段、停车场及大型车站可采用超高密集度组网技术，提升无线系统容量。

3.5 覆盖增强

5G采用宏网覆盖时，可能会存在上行传输覆盖和数据速率受限，需利用载波聚合解决覆盖和速率受限的问题。轨道交通场景一般采用漏缆或天线覆盖的区域，通过链路预算分析，若受限的信道是上行业务信道，则可以使用覆盖增强技术。

总之，5G部分技术在轨道交通应用场境下很难发挥最佳的性能和作用，需要根据轨道交通工程的实际环境进行设计和部署，才能达到较好的性能。

4. 轨道交通5G网络架构

目前，5G在轨道交通的应用和实施还处于起步阶段，国内个别城市轨道交通线路开通了5G公网服务，如郑州地铁5号线。基于当前产业现状及频率政策，5G行业专网尚无国家层面的指导意见和频率资源的相关政策，轨道交通要建设5G专网须与运营商合作，借助运营商公网5G频率来实现轨道交通5G无线网络的建设，具有以下三种建设模式。

4.1 轨道交通自建5G核心网，共享运营商基站

轨道交通业主自建支持独立组网的5G核心网，共享运营商建设的5G无线网络基站，构建完整的独立组网5G网络架构。原有承载传统安全类轨道交通无线业务的4G专网维持不变，两张无线网落独立部署。运营商的5G无线网络基站还会同时连接到公网5G核心网，组成一张公网5G网络，供乘坐轨道交通的乘客使用。

该方案优点是轨道交通的业务数据流不通过运营商公网5G核心网和传输网络，控制面与用户面数据均与公网无信息交互，轨道交通业主对网络的可管与可控度较高，业务安全性好，可以自主为轨道交通5G业务终端放号。缺点是若运营商对5G接入网进行升级和维护，可能会影响轨道交通业务的传输，且受相关的政策影响较大。

4.2 轨道交通配置多接入边缘计算设备，借助运营商5G网络

轨道交通业主借助运营商建设的公众5G网络，使得轨道交通的业务终端使用运营商的公众5G网络，轨道交通业主自建多接入边缘计算设备实现轨道交通业务数据的分流，数据流直接由多接入边缘计算设备接入轨道交通的业务平台，不需要由基站传输到运营商的公众5G核心网再回传到轨道交通业务平台。原有承载传统安全类轨道交通无线业务的4G专网维持不变，两张无线网落独立部署。

该方案优点是运营商向轨道交通业主提供5G服务，轨道交通设备与运营商设备只在基站处有接口，轨道交通业主在本地机房自建多接入边缘计算设备，实现轨道交通业务数据与公网数据的分流，能较好地保证轨道交通业务数据的安全性。缺点是轨道交通终端需要注册到运营商的公网核心网，用户的管理由运营商控制且控制面需运营商提供网络。

4.3 轨道交通完全借助运营商5G网络

轨道交通业主借助运营商建设的公众5G网络，使得轨道交通的业务终端使用运营商的公众5G网络，由运营商根据需要为轨道交通设置专用网络切片，确保满足轨道交通的业务需求。原有承载传统安全类轨道交通无线业务的4G专网维持不变，两张无线网落独立部署。

该方案优点是最简单，完全由运营商向轨道交通业主提供5G公网服务，所有轨道交通的业务数据均需要通过运营商公网核心网再回传到轨道交通业务平台。缺点是轨道交通业务数据的安全性无法保证且传输时延增加，用户的管理完全由运营商控制。

5. 总结

综上所述，目前5G系统还无法承载轨道交通全部的无线业务，轨道交通要建设5G网络须与运营商合作，从商业合作角度来看，模式二是最佳选择。5G针对轨道交通的应用场景，还有很多问题需要研究和优化，现阶段5G行业也无专用频段，必须与运营商共用网络，对于轨道交通特别重要的安全类业务，轨道交通业主还是希望自行管控。即使5G公网处于建设高潮，但在轨道交通中5G还不能完全替代现有的其他技术，如4G专网会继续服务于轨道交通行业，用于承载速率较小、可靠性要求高的关键业务。建议根据是否影響行车安全来区分业务类别，对于安全类业务采用4G专网承载，其他类业务可通过5G网络承载，如列控、列调业务继续承载于4G专网，车载视频流、面向运营维护、乘客出行和应急防灾等大带宽业务可考虑采用5G网络承载。

文献参考：

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