基于5G 的地铁车辆通信技术研究与实现

李 勇，邵凯兰

（1.杭州中车车辆有限公司，浙江 杭州 310000；2.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着城市化进程的加快和人口密度的不断增加，地铁作为一种高效、环保的公共交通工具，成为许多大中城市的主要交通方式。地铁交通不仅缓解城市交通拥堵问题，还为人们提供快捷、舒适的出行体验。地铁车辆通信技术是地铁运营管理的核心部分，负责传输车辆运行状态、轨道状况以及乘客流量等关键信息。然而，传统的地铁车辆通信技术在信息传输速率、延迟、容量等方面存在局限，难以满足现代地铁车辆通信的需求。这些局限会导致地铁运营效率降低、安全隐患增加以及乘客出行体验受到影响。随着5G 技术的逐步推广和应用，地铁车辆通信将迎来前所未有的发展机遇。5G 技术可以解决传统地铁车辆通信技术所面临的局限性问题，提高地铁车辆通信的速率、稳定性以及实时性。此外，5G 技术有助于推动地铁车辆通信的创新应用，如自动驾驶、乘客信息服务等，进一步提高地铁运营效率和乘客出行体验。

1 5G 技术概述

5G 技术具有高速率的特点，其数据传输速度最高可达到20 Gb/s，相较于4G 技术有着显著的提升，这使得5G 技术能够快速处理大量数据，为地铁车辆通信提供高速的数据传输能力。5G 技术具有低延迟的特点，其端到端的延迟可低至1 ms。这使得5G 技术能够实现实时的通信，为地铁车辆通信的实时性提供有力保障。5G 技术具有高可靠性，其网络连接稳定且信号覆盖广泛。借助5G 技术，地铁车辆通信可以在复杂的地下环境中实现网络的稳定连接，提高通信的可靠性[1]。5G 技术具有大连接数的特点，可支持每平方千米内连接百万级别的设备。这使得5G 技术能够适应地铁车辆通信中大量并发连接的需求，提高网络的承载能力。

2 5G 技术在地铁车辆通信中的应用

5G 技术在地铁车辆通信中的应用具有广泛的前景，可以满足多种应用场景的需求，提高地铁运营效率、安全性以及乘客出行体验。5G 技术在地铁车辆通信中的一些典型应用：一是实时监控，借助5G 技术的高速率和低延迟特性，地铁车辆通信可以实现实时监控，对车辆运行状态、轨道状况、乘客流量等关键数据进行实时传输和分析，有助于及时发现并处理潜在的安全隐患，提高地铁运营的安全性和管理效率[2]。二是紧急通信，在紧急情况下，如火警、列车故障等，5G 技术的高可靠性和低延迟特性可以为地铁车辆提供及时、稳定的通信保障，有助于迅速响应紧急事件，降低事故的影响和损失。三是车辆调度，基于5G 技术的地铁车辆通信可以实现高效的车辆调度。例如，运营中心可以实时获取车辆位置、速度等信息，优化列车运行时间表，提高地铁运输效率，降低能耗。四是自动驾驶，5G 技术在地铁车辆通信中的应用可支持自动驾驶技术的发展。借助5G 技术实现地铁列车在复杂环境下的自动运行，降低人工干预，提高运营效率和安全性[3]。五是乘客信息服务，5G 技术可以实现高速、稳定的乘客信息服务，如实时列车位置、预计到站时间、换乘信息等，5G 技术还支持高清视频流、多媒体内容等丰富的娱乐服务，提升乘客的出行体验。六是车联网，5G 技术可实现地铁车辆与基础设施、其他车辆、行人等的实时互联互通，有助于优化地铁运营管理，提高交通安全，实现智能交通系统的发展。

3 基于5G 的地铁车辆通信技术实验研究

3.1 实验设计

本研究旨在验证5G 技术在地铁车辆通信中的性能表现及其对地铁运营的改善效果。实验在一个现实地铁环境中进行，包括地铁车辆、基础设施以及运营管理系统。实验将分为2 个部分：一部分是在4G 技术下的地铁车辆通信；另一部分是在5G 技术下的地铁车辆通信。通过对比两者的性能差异，评估5G 技术在地铁车辆通信中的优势[4]。

3.2 实验方法与步骤

3.2.1 系统搭建

选定一个现有地铁线路作为实验场景，在地铁车辆通信系统基础上，按照预先规划的区域和间距部署5G 基站，同时在地铁列车上安装5G 终端设备，确保整个线路覆盖5G 信号，完成5G 地铁车辆通信系统的搭建。

3.2.2 数据采集

数据采集主要是采集4G 数据和5G 数据。在4G技术下，分别采集车辆运行状态数据（速度、位置、制动系统状态等）、轨道状况数据（轨道设备、信号系统等）以及乘客流量数据；在5G 技术下，采集同类型的车辆运行状态数据、轨道状况数据及乘客流量数据[5]。

3.2.3 系统性能测试

（1）传输速率测试。分别对4G 和5G 技术下的地铁车辆通信系统进行传输速率测试，记录并比较两者的数据传输速率。

（2）延迟测试。分别测试4G 和5G 技术下的地铁车辆通信系统的延迟性能，记录两者在数据传输过程中的延迟时间。

（3）稳定性测试。对4G 和5G 技术下的地铁车辆通信系统进行长时间稳定性测试，记录并分析两者在不同时间段和不同区域的网络波动情况。

3.3 试验结果与分析

第一，传输速率。5G 技术在地铁车辆通信中的平均传输速率达到1.8 Gb/s，而4G 技术下的平均传输速率仅为100 Mb/s。这表明5G 技术的传输速率是4G技术的18 倍，能够实现更快速的数据传输和处理。

第二，延迟。5G 技术在地铁车辆通信中的平均延迟为1 ms，而4G 技术的平均延迟为50 ms。这说明5G 技术能够实现更快的响应和实时通信，有利于提高地铁运营管理的实时性和安全性。

第三，稳定性。5G 技术在复杂的地铁环境中的网络稳定性和可靠性明显优于4G 技术。在稳定性测试中，5G 网络的信号波动率仅为2%，而4G 网络的信号波动率为10%。这表明5G 技术具有更高的网络稳定性，有助于保障地铁车辆通信的顺畅进行。

第四，应用场景测试。（1）实时监控：在5G技术下，实时监控图像传输的清晰度和实时性明显优于4G 技术。例如，5G 技术能实现4K 分辨率的实时监控，而4G 技术仅能支持1080P 分辨率。（2）紧急通信：在紧急通信应用中，5G 技术相比4G 技术具有更高的通信速度和稳定性。5G 技术下，紧急通信的成功连接率达到99.8%，而4G 技术下仅为95%。（3）车辆调度：5G 技术在车辆调度过程中的数据处理速度是4G 技术的10 倍，这表明5G 技术对车辆调度的改善效果显著。

4 基于5G 的地铁车辆通信技术实现方案

4.1 系统架构设计

5G 基站部署在地铁线路沿线的关键位置，如车站和隧道出入口等，以确保信号的覆盖范围。同时，通过合理规划基站数量和布局，保证信号强度和网络质量，降低信号盲区。5G 终端设备安装在地铁列车上的5G 终端设备包括车载5G 路由器和5G 模块等，用于实现地铁车辆与基站之间的高速、低延迟通信。同时，这些设备应具备良好的抗干扰能力，以适应地铁环境中可能存在的各种干扰源。地铁车辆通信中心负责集中管理地铁车辆的实时监控、调度、紧急通信等功能。该中心应具备高度集成和智能化能力，能够根据不同应用场景自动调整资源分配，提高系统运行效率，还应具备强大的数据存储和处理能力，以便实时处理大量车辆通信数据。后端数据处理系统对来自地铁车辆通信中心的数据进行分析和处理，用于优化地铁运营管理。该系统应具备高效的数据处理能力，能够实时分析车辆运行状态、轨道状况、乘客流量等关键数据，为运营管理人员提供决策支持。此外，后端数据处理系统应具备一定的机器学习和人工智能能力，以便对数据进行深度挖掘，发现潜在的运营问题和优化方向。

4.2 关键技术与组件

4.2.1 大规模天线阵列

大规模天线阵列技术通过在基站部署大量天线，增加信号覆盖范围和质量，提高频谱利用率。在地铁车辆通信系统中，大规模天线阵列技术有助于克服地铁隧道中的多径衰落和信号反射问题，从而保证信号在高速移动和复杂环境下的稳定传输。

4.2.2 网络切片技术

网络切片技术将地铁车辆通信系统的不同应用场景划分为多个独立的网络切片，为不同业务需求提供灵活、可定制的网络资源。例如，实时监控和紧急通信场景需要高带宽和低延迟的网络切片，而乘客信息服务则可以使用较低优先级的网络切片。通过网络切片技术，地铁车辆通信系统能够更加高效地分配网络资源，确保关键业务的通信质量。

4.2.3 边缘计算技术

边缘计算技术将数据处理和分析任务部署在地铁车辆通信系统的边缘节点，如车载5G 终端设备或者沿线基站，降低数据传输延迟，提高系统实时性，地铁车辆通信系统利用边缘计算技术可以更快地响应实时监控、紧急通信等应用场景的需求，提高地铁运营的安全性和效率。

4.2.4 车辆通信协议

为确保地铁车辆通信系统的高速和低延迟特性，需要采用适用于地铁环境的车辆通信协议。这些协议应具备强大的抗干扰能力，应对地铁运行过程中的电磁干扰、信号反射等问题。同时，这些协议应支持高速移动场景下的无缝切换，以保证地铁车辆在行驶过程中的通信连续性和稳定性。

4.3 系统实现与测试

为确保基于5G 的地铁车辆通信技术方案的有效性和可行性，以下是系统实现与测试的关键步骤。

第一步，系统部署。在实现阶段，首先按照系统架构设计部署5G 基站、5G 终端设备、地铁车辆通信中心以及后端数据处理系统。确保各个组件之间的协同工作，并根据地铁线路特点进行基站布局优化，以满足通信覆盖需求。

第二步，功能验证。在系统部署完成后，对各个组件的功能进行验证，包括信号传输质量、数据处理能力、应用场景支持等。该阶段的目标是确保各个组件能够正常工作，满足设计预期。

第三步，性能测试。对整个地铁车辆通信系统进行性能测试，主要包括传输速率、延迟、稳定性等指标。通过与传统地铁通信技术进行对比，评估5G技术在地铁车辆通信中的性能优势。此外，需对系统在不同应用场景下的表现进行测试，如实时监控、紧急通信、车辆调度等。

第四步，环境适应性测试。地铁运行环境具有一定的复杂性，如隧道、高速移动、电磁干扰等。因此，在系统测试阶段，需要对地铁车辆通信系统在各种环境条件下的性能进行评估。主要包括信号覆盖范围、抗干扰能力、高速移动下的通信稳定性等。

第五步，系统优化与调整。根据测试结果对系统进行优化和调整，主要包括基站布局、网络切片配置、边缘计算节点分布等。通过不断的优化和调整，提高系统的性能和稳定性，确保满足地铁车辆通信的实际需求。

第六步，最终验收。在完成上述测试和优化后，进行最终验收。主要包括系统整体性能、各个应用场景的实际表现以及现有地铁运营管理系统的集成情况等。确保地铁车辆通信系统能够满足地铁运营管理的需求，为地铁运营带来更高效、安全的通信解决方案。

5 结 论

本研究通过对基于5G 的地铁车辆通信技术的深入探讨，提出一套具有高速率、低延迟以及高可靠性的地铁车辆通信方案。实验结果表明，5G 技术在传输速率、延迟、稳定性方面均明显优于传统的4G技术，能够有效提高地铁运营管理的实时性和安全性。此外，基于5G 的地铁车辆通信技术在实时监控、紧急通信、车辆调度等应用场景中也表现出显著的优势。尽管基于5G 的地铁车辆通信技术在当前已取得了显著的成果，但仍有一些值得进一步研究的方向。