劉薦僑

（北京城市快軌建設(shè)管理有限公司，北京，100071）

0 引言

5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，將其推廣到各領(lǐng)域、各行業(yè)的應(yīng)用已是必然，為了滿足城市人群生活需要而愈發(fā)發(fā)達(dá)和復(fù)雜的城市軌道交通系統(tǒng)也向著穩(wěn)定、高效、安全的方向在前進(jìn)，在整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)中，通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)著傳輸各類信息的任務(wù)，這就對(duì)通信技術(shù)提出了更高的要求，而逐漸成熟的5G技術(shù)恰好可以為新時(shí)代的軌道交通通信技術(shù)提供技術(shù)方面的支持。

1 軌道交通車車通信技術(shù)概述

對(duì)于許多在樓宇間或者是地下穿行的城市軌道交通方式來(lái)說(shuō)，適用于鐵路系統(tǒng)的衛(wèi)星通信方式并不適用，這是受客觀因素所制約的，當(dāng)列車在地下或樓宇間運(yùn)行時(shí)所能接收到的信號(hào)往往無(wú)法保障穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，在某些時(shí)刻和地段列車甚至無(wú)法接收到連續(xù)的信號(hào)。正因如此，城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用的無(wú)線通信技術(shù)從最早的WLAN技術(shù)發(fā)展到3G、4G通信技術(shù)再到現(xiàn)在逐漸成熟的5G通信技術(shù)，可以說(shuō)，無(wú)線通信技術(shù)的手段為了更好地滿足城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)的需要，一直保持著與時(shí)俱進(jìn)的步伐，不斷地吸收經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合新興科技手段來(lái)進(jìn)行改革和發(fā)展。目前我國(guó)的城市軌道交通系統(tǒng)已全面覆蓋4G通信技術(shù)，研究表明，隨著5G技術(shù)的發(fā)展和普及，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)5G通信技術(shù)將被運(yùn)用到城市軌道交通系統(tǒng)中去。

城市軌道交通系統(tǒng)中通信模塊是可以有效承載系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的音頻、視頻、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和人流量數(shù)據(jù)等信息的綜合性模塊，城市軌道交通系統(tǒng)中的通信按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為多種通信。

城市軌道交通系統(tǒng)中的通信模塊可以劃分為以下幾個(gè)部分：（1）信號(hào)傳輸系統(tǒng)；（2）公用通話系統(tǒng)；（3）專用通話系統(tǒng)；（4）無(wú)線集群通信傳輸系統(tǒng)；（5）監(jiān)控系統(tǒng)有線廣播系統(tǒng)；（6）時(shí)間系統(tǒng)；（7）乘客導(dǎo)覽系統(tǒng)；（8）通電系統(tǒng)接地系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等。

近些年來(lái)隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，許多技術(shù)學(xué)者和專家提出了可用于車-車通信的新型CBCT通信系統(tǒng)，相較于以往的系統(tǒng)來(lái)講，車-車直接通信可以在很大程度上減少軌道旁子系統(tǒng)的數(shù)量，降低系統(tǒng)接口數(shù)量，從而使得系統(tǒng)的復(fù)雜度大幅降低。同時(shí)，該構(gòu)想也對(duì)列車提出了一些新的要求：列車需要在行駛過(guò)程中將車輛信息通過(guò)車上裝載的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實(shí)時(shí)地傳遞到同一通信系統(tǒng)中的其他車輛，與此同時(shí)，其他車輛也可以在運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)時(shí)地利用車載網(wǎng)絡(luò)接受設(shè)備來(lái)從系統(tǒng)中獲取這些信息，并利用這些信息經(jīng)過(guò)車上搭載的計(jì)算系統(tǒng)來(lái)對(duì)自身的行駛速度進(jìn)行計(jì)算和處理，經(jīng)過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)達(dá)到移動(dòng)閉塞的效果，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)獲取列車信息、自動(dòng)調(diào)整列車間距的功能，車-車通信的通信簡(jiǎn)圖如圖1所示。該通信系統(tǒng)方案可以有效減少車-車之間信息傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，縮短傳輸距離，同時(shí)也讓城市軌道交通系統(tǒng)的通信技術(shù)面臨了更大的挑戰(zhàn)。

圖1 車-車通信簡(jiǎn)圖

2 5G通信與4G通信技術(shù)參數(shù)對(duì)比

目前4G通信技術(shù)較為成熟，在交通軌道通信方面有著非常好的應(yīng)用效果，但仍有不足之處，新興5G技術(shù)可以有效提高網(wǎng)絡(luò)通信能力。5G通信技術(shù)與4G通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)速率、帶寬以及可靠性、延時(shí)程度等方面的對(duì)比信息如表1所示。

表1 5G技術(shù)與4G技術(shù)參數(shù)對(duì)比

從表中可以得知相較于以往的4G技術(shù)而言，當(dāng)前更為先進(jìn)并趨于成熟的的5G技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

第一，網(wǎng)絡(luò)速度快。5G網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的信息傳輸速率是4G技術(shù)的百倍，并且高于4G四倍的超大的帶寬也為高速率傳輸提供了更加穩(wěn)定的基礎(chǔ)保障。

第二，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將時(shí)間延遲壓縮至1毫秒以內(nèi)，很大程度上提高了設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的速度，給用戶帶來(lái)了更好的體驗(yàn)感受。

第三，容量更大。由于城市的快速發(fā)展，城市人口密度逐年增大，在此種人口密度的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供10倍于4G網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)量，連接數(shù)量的大幅增加可以有效提高設(shè)備的通信服務(wù)質(zhì)量，為更多的人提供更好的服務(wù)及感受。

第四，資源利用率提高。5G通信技術(shù)應(yīng)用的全雙工方式可以及時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)變化對(duì)資源分配進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整，有效提高了的系統(tǒng)資源的利用率，減少資源閑置和不必要的損耗。

第五，抗干擾性強(qiáng)。5G網(wǎng)絡(luò)提高了信號(hào)的強(qiáng)度，有效減少了用戶間的干擾，在提升系統(tǒng)容量的同時(shí)保證了頻譜效率。

由上述分析可以得知，5G網(wǎng)絡(luò)全方位提升了網(wǎng)絡(luò)通信能力，在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)揮很好的作用。

3 5G通信系統(tǒng)在軌道交通車車通信中的應(yīng)用

3.1 城市軌道交通系統(tǒng)中的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前城市軌道交通主要由控制中心、車輛段、停車場(chǎng)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)組成，從實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，對(duì)城市軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其架構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

在城市軌道交通系統(tǒng)的控制中心來(lái)部署服務(wù)器和核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在車站和停車場(chǎng)等環(huán)節(jié)部署附屬應(yīng)用服務(wù)器和附屬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及無(wú)線反饋設(shè)備等，在列車上配備5G信號(hào)接入設(shè)備，至此，一套完整的覆蓋城市軌道交通系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的5G網(wǎng)絡(luò)就搭建完成，為城市軌道交通系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持。

3.2 關(guān)鍵問(wèn)題

將5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通系統(tǒng)中需要重點(diǎn)研究以下幾個(gè)方面：

（1）頻帶資源

頻帶資源問(wèn)題始終是城市軌道交通重點(diǎn)關(guān)注的部分。4G時(shí)代已有明文規(guī)定城市軌道交通系統(tǒng)可以使用的頻段在1785-1805MHz之間，利用該頻段來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，但在實(shí)際應(yīng)用中，各地區(qū)都需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際狀況來(lái)對(duì)城市軌道交通的建設(shè)可分配頻段進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，大多數(shù)地區(qū)無(wú)法將20MHz的帶寬全部分配給城市軌道交通系統(tǒng)，導(dǎo)致傳輸性能大大降低。因此，雖然國(guó)家出臺(tái)了明確規(guī)定，為5G網(wǎng)絡(luò)分配的頻段更廣，但在后續(xù)的工作過(guò)程中需要持續(xù)關(guān)注實(shí)際可以為城市軌道交通系統(tǒng)分配使用的頻段在什么樣的范圍內(nèi)。

（2）信號(hào)覆蓋

經(jīng)過(guò)分析，5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中主要是通過(guò)天線和同軸電纜相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行信號(hào)覆蓋，在各個(gè)環(huán)節(jié)利用天線的形式進(jìn)行信號(hào)覆蓋的計(jì)算模型可以參考下面這個(gè)公式，其中L是自由空間損耗度（dB），F(xiàn)是頻率（MHz），D是距離（km）：

L=32.4+20lg(F)+20lg(D)

在隧道中利用同軸電纜的形式進(jìn)行信號(hào)覆蓋，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)傳輸和耦合造成的損耗、車體對(duì)信號(hào)的屏蔽等諸多因素進(jìn)行綜合性的考慮，針對(duì)于高頻段信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)耐S電纜仍處于研發(fā)階段，后續(xù)需要對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)進(jìn)行跟蹤，以便及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

（3）區(qū)間信號(hào)切換

受以下兩個(gè)因素的影響：第一，列車以較快的運(yùn)行速度通過(guò)隧道；第二，5G無(wú)線信號(hào)覆蓋距離較短。導(dǎo)致在進(jìn)行5G通信系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)時(shí)必須著重考慮區(qū)間信號(hào)切換的問(wèn)題，需要對(duì)列車行駛速度以及信號(hào)切換耗時(shí)進(jìn)行綜合性考慮，盡可能地實(shí)現(xiàn)信號(hào)快速平滑切換，降低信號(hào)傳輸?shù)匮訒r(shí)和不連貫。

（4）應(yīng)用開(kāi)發(fā)

相較于4G時(shí)代，5G技術(shù)的無(wú)線傳輸速率有著明顯的提升，開(kāi)發(fā)適用于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以使5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到充分地應(yīng)用。目前，城市軌道交通系統(tǒng)中的各類應(yīng)用都是以當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案、音視頻數(shù)據(jù)質(zhì)量等都有可拓展的空間。

在5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用可以為城市軌道交通系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)而穩(wěn)定的技術(shù)支持，對(duì)5G通信技術(shù)的合理運(yùn)用，可以豐富系統(tǒng)功能、提升系統(tǒng)運(yùn)行效率、讓系統(tǒng)更加智能化。

4 5G通信系統(tǒng)應(yīng)用于車車通信的可行性

5G通信技術(shù)中的超密集型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以完成數(shù)據(jù)量大、延時(shí)低、可靠性高的信息傳輸任務(wù)，與此同時(shí)，還可以為列車提供連續(xù)、安全的網(wǎng)絡(luò)連接，再結(jié)合D2D的通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在車-車之間的直接傳輸，使得車-車通信成為可能，相較以往的車-地通信，很大程度上降低了通信成本，提高了通信效率。

為了使車-車直接通信成為現(xiàn)實(shí)，首先需要為通信系統(tǒng)提供足夠的頻段，來(lái)保證5G信號(hào)的傳輸；其次以采用數(shù)據(jù)加密等方式提高D2D的通信安全性；第三，5G技術(shù)需要與當(dāng)今的4G系統(tǒng)進(jìn)行銜接，避免在出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)系統(tǒng)崩潰，可以根據(jù)監(jiān)控結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)用于5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換的系統(tǒng)，來(lái)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

作為保障城市軌道交通系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分之一，無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定是城市軌道交通系統(tǒng)中各部門、各功能正常工作最重要的技術(shù)基礎(chǔ)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，受通信技術(shù)方面諸多客觀因素的限制，使得在設(shè)計(jì)城市軌道交通系統(tǒng)中無(wú)線通信部分的過(guò)程中沒(méi)有一個(gè)足夠強(qiáng)大、穩(wěn)定的技術(shù)支撐作為后盾，使得方案設(shè)計(jì)無(wú)法更好地滿足實(shí)際需要。

5G技術(shù)的出現(xiàn)使得上述問(wèn)題有望得到解決，5G通信技術(shù)有著帶寬大、延時(shí)低等優(yōu)勢(shì)，并且在高速移動(dòng)的情況下仍然有著極好的傳輸效果，這些特點(diǎn)使得各地區(qū)、各領(lǐng)域都對(duì)5G通信技術(shù)給予了很大的關(guān)注。隨著5G通信技術(shù)的成熟，將其應(yīng)用到城市軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)中是必然趨勢(shì)，可以有效解決當(dāng)前城市軌道交通系統(tǒng)受通信技術(shù)限制所面臨的問(wèn)題，相信在不久的未來(lái)，可以看到5G通信技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用成果，創(chuàng)造出一個(gè)更加舒適、便捷、快速、高效的城市軌道交通出行環(huán)境。