5G通信在轨道交通中的应用

张亦弛

哈尔滨地铁集团有限公司 黑龙江 哈尔滨 150000

铁路作为城市人民群众的交通工具，是重要的国家基础设施。在中国的经济社会发展、生计改善和城市安全中发挥着不可替代的作用。中国智能城市轨道交通发展计划强调，需要利用云计算、大数据和5G等技术，在中国建设安全、实用、高效、环保、经济的新一代智能城市轨道交通。随着移动通信需求的不断增长，5G频谱的使用和能效将得到显着提高，从而提高延迟、可靠性、安全性和复盖率。复杂方案中的数字应用程序，如汽车通信、运营监控、网络复盖和大型数据分析。城市轨道交通情报将继续深化，成为实现城市轨道交通情报的重要支撑。在此基础上，本文简要介绍了5G通信技术的意义和优势，详细分析了该技术在城市轨道交通中遇到的问题，并探讨了其在轨道交通中的应用。

1 5G通信技术概述

1.1 5G通信技术的发展

顾名思义，5G通信是基于4G的移动技术，是下一代产品。5G技术的迅速发展为在多个用户之间传输信息奠定了坚实的基础。5G通过采用多种集成技术和提高系统效率，改善了信息资产的处理，降低了生产率，满足了市场需求，间接推动了新技术的革命。随着我们各国通信数量的增加，5G通信技术已在生活的各个领域得到应用，尽管它自问世以来并未得到广泛应用。与4G通信技术相比，设备并不限于平板电脑、手机等。而且还有大量提高数据传输速度的移动设备。5G通信技术的发展是中国通信技术的又一个飞跃。总体而言，通信技术革命已经发生。与我国5G和4G通信技术相比，4G网络的性能在一定的发展过程中有很大差异，并造成了基于4G网络的功能差距，从而使通信技术得以创新和发展。5G技术的2D通信功能允许设备之间进行通信，并允许直接传输信息而无需额外的中间介质。通过实施这一功能，可以将信息传输延迟等问题降至最低程度，并比移动网络在其频率范围内提供的资源更少，从而节省资源。此外，当两个用户接近时，您可以使用D2通信功能来实现特定的能耗降低效果。同时，5G通信技术正朝着稳定的方向发展。这些通信技术的发展和创新能够有效地确保其在城市轨道交通技术方面的发展[1]。

1.2 5G通信技术的优势

(1)毫米波。这通常是移动通信应用的高频段，这也是一个特别重要的趋势。其优点是，它有足够的带宽来支持小型设备天线和全球效益。(2)小型基站。过去以基站为中心的活动已不再满足用户在不同环境下移动通信应用程序的需求，而且缺乏灵活性和成本高昂。5G技术的小型基站可以成功探索网络接入方式，改变目前的通信状态。小型基站适合近距离直接通信，信道质量高，可实现快速数据传输速度、低延迟和低功能等优点。(3)新型天线主要是指将传统2D模式天线网络转变为3D模式天线网络，形成一种新技术，能够满足多用户信息束的智能通信，减少用户之间的信息干扰，有效提高组合信号复盖面全双工主要指同一频率，不仅可以改善过去频谱资源的应用限制，还可以使频谱资源更加灵活，理论计算的使用可以使空接口频谱的通信效率加倍。(4)新的网络架构。借助云计算、无线协作和新的网络访问体系结构，可以有效地减少信息拥塞、降低设备功耗和提高通信频谱效率。此外，智能网络更易于动态使用。

1.3 5G通信技术在城市化交通轨道中的重要性

城市轨道交通通信系统主要包括无线和有线系统。但是，随着信息技术的迅猛发展，无线通信技术在城市流通中发展得非常迅速。紧急行动实时通信的能力节省了时间。5G通信技术在城市轨道中的应用是缩短数据传输时间和确保城市轨道正常运行的一种新的有益方法。5G通信技术可以说已经成为轨道交通的重要组成部分。保证了信息传输的及时性和可靠性，大大提高了城市轨道交通系统中的事故处理。随着5G电信技术的发展，还可以建立大型物质网络，使用户之间的联系在地理上是分开的，使各地的人随时都能相互交流[2]。同时，5G通信技术可用于城市轨道系统，以提高轨道交通效率，从而推动城市轨道交通的发展。5G通信技术还增加了D2通信能力，从而部分减轻了基站的负荷和通信延迟。此外，D2通信可以降低数据传输速率，并降低附近用户的能耗。同时，5G通信技术提高了安全性和可靠性，提高了城市轨道交通系统的性能。

2 轨道交通网络现状

2.1 车地通信受限

地铁视频为铁路交通指挥中心提供了监测列车的重要数据，并在分析调查和打击恐怖主义方面发挥了重要作用。例如，某地铁开通了三条线路，1号线和3号线的乘客信息系统使用lt1.8 GHz专用网络频谱以10MHz带宽进行无线通信。每列列车只能向控制中心发送两个视频帧线路2采用无线802.11ac技术。实际上，车辆的实时图像被锁定，链接被锁定。车内视频只能通过2或4个通道实时观看，视频不能回滚，只能通过手动拷贝来完成。

2.2 应急通讯难度大

在发生事故等紧急情况时，可能需要临时安装用于实时监测的无线摄像机设备，以及用于与站外安保人员进行实时通信和沟通的临时视听通信设备，以便利紧急指挥[3]。例如，专用网络带宽和地铁通信方式，1.8GHz乘客信息系统带宽为10MHz，这是不够的。专用无线通信系统采用800MHz频段，不能满足多路终端的视频传输要求。紧急保护手段有限，只能通过对讲机联系。存在互操作性差或无法跨线通信等问题。

2.3 智慧列车状态监测需求增大

伴随着列车的智能重组和创新，必须将列车状态数据实时上传到后台，以便在线监控列车运行状况，确保安全运行。目前地铁一般有8个车厢，监控系统配备了数千个传感器，需要大量同时传输数据。由于带宽限制，无法完全复盖数据上载。随着5G网络的发展和应用，TCMS的速度和存储的数据可能会大大提高行走范围、制动等，可以实时上传，从而改善列车的智能运行和维护[4]。

3 地铁5G网络布置方案

3.1 地铁建设网络需求

(1)辅助业务数据车与现场无线通信最重要的信息是综合监控数据传输，车辆与现场之间的视频和语音活动占用带宽最多。中央控制器必须实时查看车辆内部情况，才能作出正确合理的调度决策，车辆内不同位置的视频监控信息必须实时传送给中央控制中心。与此同时，辅助规划数据，如列车司机与中心之间的语音服务、乘客与中心之间的语音服务，虽然是一项危险服务，但在提高地铁服务质量方面发挥着巨大作用，有助于做出合理的规划决策。(2)除了与安全有关的辅助运行数据外，列车运行安全数据不仅需要专用网络，与列车运行安全有关的控制数据也需要极高的安全性和可靠性[5]。这些数据主要包括CBTC的业务信息、车辆和列车管理信息等。列车运行时，位置信息必须实时传输到轨道边缘系统进行安全计算。同时，轨道边缘系统将根据实时列车位置信息计算的安全运行终端转发给车辆，以确保列车在信息交互和传输时间内不会与其他列车发生冲突。可靠的实时传送列车控制信息可以实现列车的安全运行。

3.2 地铁5G通信方案

通过扩大4g流量和速度限制，地铁目前只能通过单一、独立、安全的控制信息网建立，广播、视频等大型数据流必须通过共享网络进行管理。从5G通信网络的技术特点出发，研究了如何在地铁施工中建立基于5G通信技术的无线网络，实现CBTC服务、pi车辆和车辆辅助设备的可靠实时传输，从而提高地铁线路的运行安全性和服务质量。在地铁线路上，在不同地区建立了车辆、车站网、返回网和中央网。列车与地面之间的通信通过嵌入式网络接入单元进行，列车位置信息通过网络反馈实时传输到轨道边缘的信号[6]。同样，由轨道边缘信号装置和中央调度序列计算的控制列车运行信息将实时传输到网络中的系统，以便在列车和地面之间实现高速、实时和安全的传输。特别是在无人驾驶地铁工程中，可以实时可靠地传输列车安全控制数据，确保列车高速安全运行。网站网络和汽车运营可以下载下载前厅的视频监控信息，向车站现场直播广播信息和pi车辆，向pi车辆短信，向中心咨询车辆视频呼叫，向列车广播，通过网络发回高速广播。通过将此数据集成到一个中心网络中，数据收集和发现可创建一个数据中心平台，从而形成一个智能平台和一个智能方案。

4 5G技术在城市轨道交通中的应用

4.1 列车运行

当前，智能轨道交通的发展正逐步从传统的控制管理转向智能工程。一个基于管理的智能轨道交通系统帮助列车通过嵌入式终端自动行驶或行驶，工程智能轨道交通系统可以独立完成运行管理、列车调度和信息服务功能。智能列车运行过程中采用5G技术的一些应用如下:（1）视频通信功能:列车运行规划和列车群间通信需要较低延迟的网络，5G网络无疑满足了这一要求；（2）行车环境可视化:如果司机要实时监控行车环境，需要有更高带宽和更多信息的网络，否则监控内容的清晰度将大大降低；（3）应急数据传输服务:该数据服务不需要宽带网络，而是需要低延迟、高稳定性网络，并需要确保网络在极端情况下仍可使用。5G网络在城市轨道交通系统通信方面的作用还包括提高整个轨道交通系统的运营效率[7]。由于通信效率较低，列车之间的运行差距可以大大缩小，这无疑提高了铁路运输系统的每单位时间的运输能力。

4.2 在高速通信中的应用

对我国现行城市轨道交通系统的分析发现，LTE-M系统通常主要用于相关任务，应用需要限制在1785-1805 MHz频率范围内[8]。但是，这一段也很容易受到其他区域资源的影响，这些资源通常只能以10MHz的频率运行。为确保信息系统发布功能的实现，带宽分为两种冗馀方式。在这种情况下，通信模式中的平均吞吐量为3.3，出站通信为8.4。调度目前并不特定，但与往常一样，单通道HD视频必须小于4 Mbps。在此基础上，我们可以发现10 MHz带宽分为a和b两种冗馀模式，以高效地满足相关的生产力需求，例如当多个车辆在同一区域内传输多个图像和数据传输时，网络系统无法接收多个车辆并扩大工作范围。为了有效地解决这个问题，需要5G通信。

4.3 端到端通信

目前，在CBTC的列车控制系统中，宽带一般分为a和b两种冗馀通信模式，两种通信网络相互独立。但是，由于这将增加通信设备的使用，增加施工费用，延长施工周期，不利于今后的作业，还会增加今后维修的工作量，不利于改变旧线路。在5G通信中引入了D2(垂直通信)技术，用于设备之间而不是基站之间的数据通信[9]。2D通信是另一种重复通信模式。铁路网发生故障时，列车和列车可以直接通信，相互通报位置和运行情况。在安全条件下，保持运行安全，列车之间的正常运行不会受到网络故障的影响。同时保证了信息的正常传递，通信技术可以进一步缩短列车之间的等待时间，缩短列车之间的间隔，提高运营效率和通信可靠性。同时，D2通信技术还能有效地组织网络系统，使终端始终能够接入设备，作为与其他设备通信的中间手段，避免列车运行过程中下层建筑周围的网络中断现象，进一步提高通信网络稳定性。

4.4 智能出行

智能出行是一种必然趋势，5G技术可以利用智能服务帮助人们出行。5G技术实现了所有事物的互联，向乘客提供车辆信息和场地信息(交通、车辆停放等)，综合处理后，为旅客出行提供更智能的参考咨询。而且，随着列车和车站信息的一体化，同一车站的直接换乘可以实现，方便乘客出行。此外，人脸识别系统和身份证识别还可以进行自动检票，提高旅客出入境效率。如果乘客误乘公共汽车，还可以通过调度及时提供其他解决办法。智能出行还可以根据旅客的出行需要建立不同层次的出行规划，提供舒适性、及时性、经济性等个性化服务，以便尽可能满足旅客的旅行需要。

4.5 防灾预警

大部分地铁线路是地下环境，火灾或水灾直接归因于列车运行和乘客安全，特别是无人驾驶车辆。集中规划和启动系统需要收集和处理段和空间环境监测数据。房间和机房不同位置的分布式洪水监测、火灾探测器、视频监控等。当房间或机场发生火灾或水灾时，将使用5G通信技术，根据区域间火灾报警、区域间监测数据和水监测数据，在一个集中聚合网络中实时收集监测信息。计算完成后，核心设备将按照标准现场处理条件与消防、pi等子系统同步。同时，中心规划人员可以利用现场执行的计算，确定列车的当前环境，并通过处理建议和获取空间或分区的实时视频监控信息，及时做出规划决策。通过各种针对算法的交叉点监控数据以及数据整合、建立智能平台以应对线路和网络级别的紧急情况，改进无人值守访问的安全性和操作规划[10]。

5 结束语

综上所述，5G通信技术在铁路运输中的应用和发展将加快智能交通建设。通过构建大数据平台和对基本运营数据进行智能分析，为乘客提供更加方便、安全和有效的运输服务。与此同时，构建智能交互方案，如智能运营维度、智能监控，以及构建基于5G通信的智能交互方案和采用各种远程辅助规划方法，将大大降低地铁运营和维护成本，节省运营成本。