姬玉生 王志 李凯
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000
摘要：随着信息技术的不断发展，4G技术已经不能满足轨道交通领域的需求。5G作为一种新型尖端技术，具有高容量、高传输速率和低延迟的优点，可以广泛的应用到中国轨道交通运营和生产方面，本文通过与4G技术的对比，介绍了5G技术的优缺点，并通过车载5G系统、基于5G的车车通讯全自动驾驶列车、5G火车站、5G通信技术的大容量数据转储系统和中国中车高速列车数字化工厂等介绍了5G技术在轨道交通中的应用。
关键词：5G；轨道交通；应用
1、研究背景
随着网络的全面普及和信息技术的不断发展，4G技术在轨道交通领域暴露出传输速率慢，延迟高的缺点， 5G 技术不仅可以高速率传输数据，减少延迟，还具有节约能源、提高系统容量和大规模设备连接的优势。我国拥有“八纵八横”最长里程的高速铁路网，截止2020年7月底，中国高速铁路总运营里程已达3.6万公里，高铁已经成为人们中远距离出行的首选交通工具，越来越受到人们的青睐[1]，5G技术无论是在高铁的制造还是运营方面都有广阔的发展前景。
随着城市轨道交通节奏加快，智慧城轨系统逐渐成为主流趋势，十三五规划明确提出了全面建设“数字中国”和“智慧社会”的目标，轨道交通行业已经开始向数字化方向转型。2020年中共中央政治局会议强调要加快5G网络、数据中心等新型基础设施的建设进度，并提出了“5G引领”的国家战略。5G技术已成为衡量一个国家科技发展水平的重要指标[2]。中国中车、中国中铁以及中国铁建等轨道交通企业响应国家的号召，追随5G技术的发展脚步，纷纷建设智慧城轨系统，这意味着5G技术将在轨道交通行业中进行长足的发展[3]。
2、5G技术
5G技术是第五代移动通信技术（5th generation mobile networks），也是最新一代蜂窝移动通信技术，在蜂窝中所有的5G无线设备通过发射机和接收机进行通信，传输速率最高可达10Gbit/s，网络延迟低于1毫秒，超大网络容量，支持千亿设备同时连接，频谱效率比LTE高出10倍，流量密度和连接数密度大幅提升，用户体验速率达100Mbit/s[4]。
5G基站是专门提供5G网络服务的公用移动通信基站。信号从基站到接收端的传输过程中会存在损耗，信号传输损耗如式（1）所示：
（1）
其中，Ws （单位dB）为信号在传输过程中的损耗；F（单位MHz）为基站发射电磁波频率；D（单位km）为基站与接收端的距离。
可以看出，信号在传输过程中的损耗主要受信号的频率和距离的影响，距离越远，频率越大，损耗就越高。
对比4G和5G的覆盖范围假设4G频率为F4，5G频率为4G频率的1.5倍，也就是F5=1.5 F4，在损耗Ws相同的情况下，4G信号的传输距离为D4，5G信号的传输距离为D5，则可以计算两者距离的比值：
（2）
通过公式（2）可以计算出=1.5，也就是说在损耗相同的情况下，4G信号的传输距离是5G信号的1.5倍，假设覆盖范围是以基站为中心的圆，4G信号覆盖范围的半径为R4，则5G信号覆盖范围的半径为R5=R4/1.5，得出4G信号的覆盖范围是5G信号的2.25倍，也就是说，同样的覆盖面积，5G基站数量是4G的两倍多。
实际上，2G基站的覆盖半径约为5-10公里；3G基站的覆盖半径约为2-5公里；4G基站的覆盖半径约为1-3公里；5G由于频点太高，信号穿透力差，基站的覆盖半径一般约为100-300米。显然，仅在基站建设方面5G就需要庞大的成本，但这依然无法阻止甚至是减缓5G的普及，由于5G极快的传输速度和极短延迟的优势，5G技术在轨道交通方面有了全新的应用。
3、5G在中国轨道交通中的应用
自2019年7月起，中国移动、华为等企业开始开展高铁与5G融合组网建设研究工作，在现有车载4G网络系统的基础上，搭建车载5G系统，实现了5G与车载网络系统融合组网，降低了铁路沿线5G网络基站部署门槛，解决了高铁列车车体损耗5G信号的难题。
今年1月7日，中车四方股份、中车成都公司、成都轨道交通集团联合研制出了全自动列车，该列车是全国速度最高的市域A型列车，此款车在全自动驾驶技术软件系统方面也有所突破。在无人驾驶系统中，此列车是全国首列基于5G车车通讯的全自动驾驶，5G可以使得系统反应够快，及时调度列车，同时车车通讯使得前车与后车之间能够实时准确测出相应安全距离，最大限度保证无人驾驶的安全性。
上海虹桥火车站5G网络建设启动，2019年2月18日，5G火车站启动建设暨华为5G DIS室内数字系统首发仪式在上海虹桥火车站举行。通过5G网络，一方面可以解决火车站大客流场景下旅客的高速上网、高清视频通话等生活需求，另一方面可以提升火车站、铁路系统的管理效率，提升火车站运行和服务品质。
中车株洲所旗下时代电气公司自主研发的基于5G通信技术的大容量数据转储系统在成都机务段成功应用，实现了车载数据的高速下载。列车在运行过程中，将产生大量的监测数据，这些数据在车辆回机务段时，需要进行转移存储，以供机务段进行车辆运维研究分析。随着列车长交路、轮乘制的推行，车载数据特别是车载视频数据激增，为实现车载视频数据的自动无线高速下载，中车株洲所与华为公司合作开发出了面向轨道交通应用场景的5G转储系统，该系统已在成都机务段进行装车应用。应用结果表明，该系统可在10分钟完成55GB的车载数据快速落地，在目前标准无线网相同的工况条件下，传输速度提高了100多倍。这有效解决了目前人工操作存在的数据缺失与异常问题，为机车运用分析提供了丰富数据支撑，有效保障了机车运用安全。
中车集团信息化管理部部长王顺强在《中国中车高速列车数字化工厂的探索与实践》演讲中指出中车正在进行数字化转型，开始建立工业云平台（CIRIX）。未来，中车将以数字技术驱动，探索建立工业企业共享应用商业模式，提供“业务+数据+网络+平台”四位一体的智能轨道交通系统解决方案，打造世界智能轨道交通生态圈。
4、结论
5G技术是中国轨道交通的迅速发展的催化剂，轨道交通无论是在运营方面还是制造方面都离不开网络的构建，而5G在技术实现上提供了不可替代的网络支持，有了5G技术的支持，中国轨道交通将会不断获得长足的发展。
5、引用
[1]董兴芝, 阎志远, 王忠峰. 高速铁路动车组Wi-Fi与5G融合组网应用研究[J]. 铁道标准设计. 2020, 65(6): 1-6.
[2] 张萌. 5G 在智慧交通系统构建中的应用研究[J]. 科技和产业, 2020, 20(03): 162-165
[3] 艾渤, 马国玉, 钟章队. 轨道交通场景5G关键技术[J]. 都市快轨交通，2019，32(5):38-43.
[4] 张强, 王卫斌, 陆光辉. 工业互联网场景下5G TSN关键技术研究[J].中兴通讯技术. 2020: 1-11.
[5] 董帝烺, 杜丕加, 许绍松. 高铁场景的5G无线网络规划及优化[J]. 移动通信, 2019, 43(6):36-41.