魏登锋1同朝辉1孙阳阳2田宏坤2
1中国铁塔股份有限公司咸阳市分公司 陕西省咸阳市 712000
2广东省电信规划设计院有限公司 广东省广州市 510630
摘要：轨道交通作为城市动脉和大众化的交通工具，是国家关键基础设施和重要基础产业，对我国经济社会发展、民生改善和城市安全起着不可替代的作用。《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》指出，要利用云计算、大数据、5G等技术，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国式智慧型城市轨道交通。随着对移动通信需求的持续增长，5G频谱利用和能源效率将大大提高，在传输延迟、可靠性、安全性和覆盖范围方面实现更大的性能改进，并在城市轨道交通车地通信、运行监测、网络覆盖、大数据分析等复杂场景数字化应用将不断深入，成为实现城市轨道交通智能化的重要支撑。
关键词：5G通信;轨道交通;应用场景
引言
目前，中国城市轨道交通大多采用基于通信的列车运行控制系统(CBTC系统)，其重要特点之一是通过车地之间大容量、双向的数据通信系统来传输列车位置信息和控制信息。高可靠的通信网不仅是城市轨道交通安全运营的基础，也是提高城市轨道交通列车工作效率和自动化程度的有效前提。现首先介绍城市轨道交通车地通信系统的概况，然后分析最新的5G移动通信技术及其在城市轨道交通车地通信中的适用性，最后研究在城市轨道交通车地通信环境中5G面临的问题，并提出初步技术方案。
15G通信技术简介
5G通信技术就是第5代移动通信技术，属于新兴蜂窝移动通信技术，是继2G、3G、4G之后诞生的一项移动通信技术。5G通信技术可以满足当前的通信要求，有效提高频谱利用率，比之4G通信技术，其资源利用率和传输效率更高，系统安全性、无线容量、传输时延也得到了明显提升。将5G移动通信与其他智能化网络结合，能够构建出全新的移动通信网络平台，为互联网行业提供高速数据容量支持。同时，5G技术具有强大的网络感知力和灵活的自适应能力，可以满足移动信息智能化发展要求。5G技术具有以下几个突出特点：第一，大容量：利用新型多址接入技术与大规模天线，有效提升了频谱效率，上网速度可以达到上行10Gbps、下行20Gbps，传输能力强，为云技术、高清视频、虚拟现实的应用提供了大带宽支持；同时，5G技术实现了对频谱的高效利用，要将5G技术应用在城市轨道交通通信中，必须要关注频谱分配与使用问题，在5G场景中，有高密度组网，通过FD、D2D通信，有效提升了频谱利用率，其中，D2D通信很好地补充了蜂窝通信的不足，可以提高网络吞吐量、缓解基站压力、提升频谱利用率。第二，大连接：5G通信技术有效提高了热点流量和传输速率，为工业控制、环境监测等提供了低能耗、低成本的连接。第三，高可靠性与低时延：5G技术的空口时延仅有1ms，为自动驾驶、辅助驾驶以及智能制造业提供了有力支持；同时，5G技术有着超高频率，通信频率越高，波速就会越大，5G通信应用的是毫米波，频率范围可以达到24.55～52.6GHz，具有更小延迟、更高带宽、更高速率的特点，其最大带宽高达400MHz，远远优于4G蜂窝系统，因此，比起3G与4G、5G的通信质量有了突破性提升。
2城市轨道交通中5G通信技术的应用
2.1无线高速通信
轨道交通车地无线通信作为保障安全运营的重要环节，承载了以下生产业务：基于通信的列车运行控制系统，完成对车辆安全行驶的控制功能；列车运行状态监测系统，用于保障车辆运行期间关键设备系统的安全运转；车载视频监控系统，用于列车内视频图像实时上传；乘客信息系统，用于线网异常情况下的乘客通知及运营服务信息发布。
石家庄地铁LTE-M车地无线通信系统使用1.8GHz频段，10MHz频谱带宽；经测试上下行数据吞吐量约为2-8M，按照需求分析，在综合承载下列车运行控制业务、列车运行状态监测业务、视频监控业务、乘客信息系统业务等所需约40-70M平均带宽，石家庄地铁5G创新应用分析如表1所示。在最小单位单网运行下，5MHz的LTE-M通信速率难以满足多种业务的综合承载需求。例如列车运行状态监测应用方面，在4G网络下，通过在车上部署数据采集处理与发送设备，可实现列车原始数据的分布式收集、本地存储等功能，但数据量大小和数据速率受限，只能应用于小数据传输；大数据传输（如走行部记录文件等）方面需要依靠人工方式实现。引入5G后，可以提高数据量和数据传输速率，实现大数据文件实时传输，实现对系统及关键部件状态监视、故障预警及健康评估等功能，为列车运行提供远程诊断与专家技术支持。此外，车载视频图像实时回传到控制中心，5G技术可在原有带宽下提供更高的通信速率，在满足综合承载带宽应用的同时，逐步向可视化语音通信、大数据传输、超高清视频流等方面不断迈进。
2.2基于MEC的网络部署与数据分流方案
轨道交通5G虚拟专网建议直接采用运营商大区核心网，通过切片保证业务需求和安全性。核心网UDM、SMF、PCF、AMF等控制面网元共享，为多个切片提供服务；媒体面UPF网元基于各个切片对时延、带宽、安全等的不同需求，下沉到地铁OCC机房的MEC中，每个切片独立部署。5G无线网络通过N3接口将数据流量传输到MEC部署的UPF中。PCF与AF协同通过UPF进行流量卸载，实现地铁内部数据不出地铁，而将非本地流量通过N9接口上传到运营商大区核心网。
2.3车车通信
在5G新发布的R16版本中，对NR的蜂窝车联网通信(C-V2X)进行了优化和增强，即发展了NR-V技术。一般来说，终端和终端之间进行通信需要经过基站，两辆车之间的通信也是如此。但与道路相关的应用对可靠性和时延的要求极高，如果车辆之间能够直接通信，或者通过路侧基础设施来实现直接通信的话，可以进一步提升可靠性、降低时延，从而保障道路安全。C-V2X增加了终端与终端之间的直通性，也就是车车通信，从而提高了通信链路的可靠性。但是，汽车的车联网技术与轨道交通追踪的两列车的外部环境有很大的区别，轨道交通是相邻的两列车之间才需要车车通信，因此需要针对城市轨道交通的运行环境进行相应的设计。5GNR-V定义的应用场景与道路交通的具体业务、实际状况密切相关，要在城市轨道交通环境中应用NR-V技术，需要针对城市轨道交通应用做相应的设计。
2.4物联通信提升体验
乘客智能出行是发展趋势，5G技术发展和应用将拉近乘客距离，乘客可实现轨道交通网络购票，实时查寻列车到、发站信息、车站拥挤情况，定位商业网点等，为乘客出行提供参考，提高地铁服务水平和舒适度。地铁运营也可通过大数据统计，实时发布和接收地铁、公交信息等，实现站内分区疏散、站外潜在乘客引导换乘，提升乘客感受。此外5G高速网络可使更多的视频影像、广告等实时精准下发，视频播放更加清晰，以实现地铁商业精准营销，提升客户观感体验，提升溢价能力。
结语
随着通信技术的发展和5G通信技术的出现已经引发了新一轮的科学技术革命，它不再是由传统产业驱动，而是由高科技产业驱动。5G技术定义了三个技术场景，即增强型移动互联网、海量机器类通信、高可靠低时延通信。在城市交通中使用5G通信技术是一种有效促进城市轨道交通系统更加自动化和系统化的手段。在城市轨道交通中推行5G移动通信技术，让信息传递更加精准、高效，速度更快，这是下一阶段城市轨道交通行业发展应用的主流技术。在城市轨道交通运营规模的不断扩大下，对于信息的处理速度和覆盖范围要求也更高，未来还需要继续加强技术研发，优化现有的应用环节，充分发挥出5G通信技术的作用和价值，解决城市轨道交通运行中存在的问题。
参考文献
[1]张哲.城市轨道交通中5G通信技术的应用探讨[J].建材与装饰，2020（15）：263-266.
[2]祁经，段罡，丁国平.城市轨道交通中5G通信技术的运用探讨[J].电子世界，2020（8）：162-163.
[3]黄霁.5G无线通信技术在城市轨道交通中的应用探讨[J].都市快轨交通，2019（5）：33-37.