5G通信技术在城市轨道交通的应用分析与研究

吴 洋 陈冠华

中兴系统技术有限公司 广东 深圳 518000

5G通信技术全称是第5代移动通信技术，5G通信技术是在4G通信技术基础上得到进一步发展的移动通信技术，相较于传统使用的4G通信技术，5G通信技术的传输速度更快、传输数据更多、更稳定，能够有效的提高我国城市轨道交通中应用信息传输的质量和效率。还有就是在我国互联网技术和人工智能技术发展的背景下，应用5G通信技术能够有效的保证城市轨道交通中利用各种先进的智能化设备，通过这种方式来满足不同居民的不同需求。因此将5G通信技术应用在城市轨道交通中既能够提高城市轨道交通运行的质量和效率，同时还能够帮助城市轨道交通企业实现良好的经济效益目标和社会效益目标。

1 5G通信技术在城市轨道交通中的应用优势

目前5G通信技术在城市轨道交通中的应用能够有效的提高信息的传输，传输速率，同时信息在传输过程中具备良好的延时性和可靠性。城市轨道交通目前所使用的系统频段为1785～1805MHz。但是因为受到不同频率资源的使用限制，所以城市轨道交通批准使用的带宽为10M。这种通讯方式比较烦琐、结构复杂，能够接受的数据传输量以及传输速度都不能满足现阶段我国城市居民对网络的相关要求。尤其是在我国开展智慧列车建设工作之后，越来越多的数据需要更好的网络才能够保证其发挥积极的作用，提高列车运行的质量和水平[1]。根据城市轨道交通运营技术规范的相关规定，在自动运行等级不同的情况下，综合乘载列车运行不同业务数据信息传输速率的要求也是不同的，具体如表1所示。这就导致使用传统网络技术来对城市轨道交通中的通信进行保障出现了一定的阻碍，例如对于最小的业务单位而言5M宽的通讯速率无法满足综合列车运行的数据传输数据收集以及数据分析等要求。而在单业务列车进行多业务开发的过程中，这种传统的网络数据传输方式也无法满足信息的积极使用，一方面阻碍了现有城市轨道交通的发展和进步，另一方面也会增加网络后期维护和修理的难度。将5G通信技术应用在城市轨道交通中能够有效的提高现有网络带宽、数据传输量和数据收集速率，能够满足单业务列车开发多业务的要求，同时还能够降低网络组网的成本，降低系统复杂程度，为后期的维护奠定良好的基础。将传统的4G技术应用在城市轨道交通中能够明显发现平均信息传输时延为15.6ms，根据列车追踪间隔和最佳速度值判断列车最终间隔为33.06s和37.28s，这种通讯效率明显不能够满足城市轨道交通列车运行的相关要求。而通过5G技术的使用能够将上述时延降低在1ms以内，缩短运行间隔，对提高列车信息传输系统运行的安全性和可靠性能够起到积极作用。

表1 综合承载列车运行不同业务数据传输速率要求 单位：Mbit/s

2 城市轨道交通网络现状

2.1 车载通信受限

车载视频的主要作用就是能够为城市轨道交通指挥机构提供列车在运行过程中出现的各种信息和数据，从而为轨道列车良好的运行提供一定的辅助[2]。但是在现有交通网络的背景下，网络不能够实现数据的良好传输，还有可能会导致车载实时图像在列车运行过程中发生停滞、连接不畅、车厢视频只能查看部分线路的情况，视频不能够及时的回传，只能够通过人工拷贝的方式进行传递，这种传递方式阻碍了信息回传的速度，对实时控制城市轨道交通良好运行造成了一定的阻碍。

2.2 应急通信难度大

在城市轨道交通运行过程中出现紧急情况时，需要工作人员结合现场情况来进行人员和设备的调配。因此需要安装一定的无线摄像头来提高工作的质量和效率，通过临时影音传输设备和站外的安保人员进行通信和联系，对指挥列车运行调度工作的开展提供良好的帮助。但是现有的城市轨道交通网络使用的带宽只有10M，数据传输速度较慢，尤其是在网络运行的过程中还有可能会出现结构复杂导致的信息传输中断等问题。这种问题的出现不能充分满足多端视频回传的实际需要，一旦出现突发情况，能够使用的调度手段和保护手段十分有限，部分地区只能够通过对讲机来进行站外和站内的联系，这样既会增加城市轨道交通运行的风险，同时还有可能会出现多条线路不能实现互通的问题，影响了城市轨道交通的安全、高质量运行。

2.3 智慧列车状态监测需求较大

在我国人工智能技术发展的背景下，列车智能化的水平能够有效的提高城市轨道交通的运行质量和效率。但是在现有网络条件下虽然列车的智能化水平在不断提高，但是不能够实现列车智能化信息数据的实时传递，还有就是列车智能化水平的提高导致传输的数据明显增加，数据量的增加在有限的网络条件下会给网络的使用造成一定的风险，比如在运行监测系统的过程中，需要安装一定数量的传感器来保证驾驶人员对列车运行状态进行了解，但是随着智能化水平的提高传感器的数量增加，传输的数据量也在增加，这就导致原有的网络系统不能承载过多数据量的传输，进而会出现数据传输中断或列车智能状态不能被调度中心所了解等问题，对于临时调度工作和突发事件紧急处理工作的落实造成不良影响。因此智慧列车状态监测需求的增大也要求现有的城市轨道交通调度中心使用5G通信技术，通过这种方式来保证列车智能设备的良好落实和应用，推动城市轨道交通更好的发展和进步。

3 5G通信技术在城市轨道交通中的应用措施

3.1 强化通信系统稳定性

由于城市轨道交通中列车运行的速度极快，所以使用传统的卫星通讯技术可能会导致信息在传输过程中出现不稳定或者信息遗漏等问题，因此技术人员应该将5G通信技术中的无线通信技术和城市轨道原有交通通信系统进行结合，通过这种方式构建专有列车无线通信系统，进而实现提高通讯质量和通信稳定性的目标[3]。将5G通信技术中的无线通信技术应用在城市轨道交通中既能够满足全部业务的通信要求，同时还能够提高通信网络频谱效率，提高信息数据上传速率，进而满足多项业务同时开展的通信诉求。因此技术人员应该结合列车实际业务的开展情况在列车内部以及站台内部布置良好的无线路由接收点，通过无线路由来将数据及时传递给调度中心，有效的保证调度中心对列车的调度和控制效果。

3.2 提高对列车的监控质量

为了保证列车运行的安全和可靠，往往会通过监控技术来对列车运行的质量进行监控，通过这种方式来保证列车能够实现平稳运行的目标。技术人员能够将5G通信技术应用在传统的列车监控系统中，这样一方面能够提高监控信息回传的质量和速率，另一方面能够降低监控设备在运行过程中出现问题的概率。例如技术人员能够在列车运行的监控系统中加入人工智能控制系统以及感应器和无线通信协议，通过这种方式来保障监控信息的及时回传，即便是监控系统在运行过程中出现了问题，那么通过人工智能系统也能够将出现问题的原因以及概况及时传递给城市轨道交通管理部门，这样管理部门中的技术人员能够及时对监控系统进行良好的修理和维护，保证监控系统在列车运行过程中发挥积极的作用。比如技术人员能够将5G技术中的大规模天线阵列应用在监控系统中，通过这种方式实现同频资源同时服务多个用户的目标，这样一方面能有效的提高频谱的效率，还能够提高数据传输的稳定性和抗干扰能力，对于监控系统的稳定运行提供极为强大的保证[4]。天线阵列技术主要是能增强波束传递的方向性，因此将其应用在列车运行的车辆段、换乘站以及地面段等场景中都能够具有较好的应用效果。即便是在非车辆段在监控系统中使用天线阵列技术，也能够获得列车行驶的状态和位置信息。例如在地铁运行过程中，居民能够通过墙壁上的智能系统来实时观测到列车运行的位置以及站点，通过这种方式来提高居民对于城市轨道交通的满意度，从而为城市轨道交通实现经济效益和社会效益的目标奠定基础。

3.3 保证列车控制的水平和效率

在强化5G通信技术通信系统稳定性的基础上，为了保证列车的运行能够满足城市居民的出行要求，保证城市居民的出行安全，因此还需要对列车在特定时间内进行互不干扰的控制。这样能够有效避免列车在运行过程中受到外部因素的影响从而导致信息传输出现遗漏或者是中断的问题。技术人员可以采用无线通信技术对列车的最小追踪间隔进行确认，一旦间隔内的无线通信技术出现问题导致信息出现延迟，那么通过智能设备能够在列车运行的下一间隔对数据进行更新和重新上传，通过这种方式来保证轨道交通系统信息单向传输的时间延迟低于两秒。例如在传统4G网络技术的应用中，轨道交通通讯系统的平均时延为16.5ms，为了进一步保证城市轨道交通运行的安全和可靠，能够使用5G通信技术进一步缩短延时。或者技术人员能够利用5G网络通信技术来落实无线设备组网通信。这样一方面能够缩小车载和地面连接组网等有线设备的数量，另一方面能够通过增加无线传感器来保证系统的稳定性和安全性。例如技术人员能够通过增加无线传感器来采集车载和轨旁设备的运行状态和数据，通过智能算法来对潜在故障进行诊断和定位，提高事前控制的质量和效率。由于5G通信技术的特点能够支持大数量无线设备的接入并且提供和终端性能相匹配的带宽。所以这种方式既能够降低后期运维的相关成本，同时还能有效的提高列车数据传输的速度和质量，为列车安全稳定运行提供良好的保障。

3.4 简化通信系统结构

在传统的4G通信系统中，基本上是通过指挥调度中心来对城市轨道交通中运行的列车进行调度和指挥，不能够实现列车与列车之间的相互通信，而在5G技术的支持下，能够采用端对端通信方式实现列车和列车之间的通讯目标，这样能够对现有的交通通讯系统进行优化，提高了列车与列车之间的通信便捷性，帮助列车内部工作人员及时掌握列车和其他列车的工作情况[5]。例如目前城市轨道交通中普遍采用CBTC列车控制系统，也就是在运行线路方面设计两套独立的列车和地面通信网络，避免网络设备出现故障之后影响列车的正常行驶，这就需要城市轨道交通管理部门在列车轨道旁设置大量的通讯设施，其建设和后期运维的成本都比较高。通过端到端技术的应用，数据通讯无需基站中转就能够实现列车和列车之间的直接通信，降低列车之间信息传递的时延，提高通信的可靠性和安全性。在实际应用该技术的过程中，技术人员能够将原有的通讯设施进行拆除，在列车端加入无线通讯设备，实现列车首尾车载控制器的无线通信目标[6]。使用该技术还有一个优势，就是能够利用多项技术和自组织网络来为其他设备提供通信，网络通路，这样能够避免因为基站故障或者是信号干扰导致列车通讯故障的问题出现。此外应用5G通信技术还能够简化通讯系统的结构。例如在原有的通信系统中，信息是通过设备传递给调度中心，再从调度中心将指令传回列车，从而实现通讯目标。将5G通信技术应用在列车运行的过程中能够有效地将信息实现同步传递和回传，从而缩短了信息传递的时间，对通信结构的后期维护能够起到积极作用，同时也能有效的保证列车运行的安全和稳定。

3.5 利用小蜂窝结构应用通信技术

在城市轨道交通中应用小蜂窝结构的通讯技术能够提高网络信息传输质量，对应对各种突发情况提高列车运行速度和稳定性都具有十分积极的作用。小蜂窝技术也叫做小基站技术，主要是通过在局域区域内部提供移动和互联网服务的低功率基站，应用小蜂窝技术需要在城市轨道交通中的车站以及站外端覆盖一定的低功率基站，对于城市轨道交通管理部门来说，应用小蜂窝技术能有效的降低建设和运维成本，同时还能够充分利用之前建设的相关设施。例如技术人员能够将低功率基站设置在原有的通信设备中，比如车站内部的原有网络集成箱内部。之后在应用低功率基站的过程中，能够保证每个基站的覆盖范围满足5G技术的应用要求。此外城市轨道交通部门还能够充分利用小蜂窝技术来提高5G通讯网络的影响范围，对提高城市居民使用轨道交通的满意度能起到积极作用。

4 结束语

总而言之，5G通信技术的出现给城市居民生活带来了更好的便利条件，对城市轨道交通的发展也能够产生积极影响。尤其是在目前城市轨道交通发展智能化和自动化的背景下，使用5G通讯技术能够更好的对调度工作、安全管理工作以及提高列车效率等方面进行积极影响。因此城市轨道交通管理部门应该重视5G通信技术在城市轨道交通中的应用，通过强化通信系统稳定性、提高列车监控质量、保证列车控制水准、简化通信系统结构等方式来实现信息数据的快速传递，为城市轨道交通实现经济效益目标和社会效益目标奠定坚实的基础。