5G在城市轨道交通行业的应用探讨

摘要：在当前时代背景下，无论是信息技术还是城市轨道建设，均处于良好发展状态，尤其是5G通信技术，能够满足日益增加的车地无线通信数据传输需求。基于此，为促进城市轨道交通行业更好发展，本文对5G相关内容及该行业的发展需求进行研究，重点探讨该通信技术的具体应用，尤其是高速通信、端到端通信、大规模天线列阵等方面的应用，并分析其应用前景，以供参考。

关键词：城市轨道交通行业  5G技术  高速率  宽带

Abstract： In the current era， both information technology and urban rail construction are in a good state of development. Especially for5G communication technology， it can meet the increasing demand for vehicle-local wireless communication data transmission. Based on this， in order to promote the better development of the urban rail transit industry， this article studies the 5G related content and the development needs of the industry， focusing on the specific application of the communication technology， especially the application of high-speed communication， end-to-end communication， large-scale antenna array， and analyzes its application prospects for reference.

Key Words： Urban rail transit industry; 5G technology; High speed; Broadband

以往城市轨道交通行业主要采用LTE-M技术进行车地无线通信数据的传输，但是在行业不断发展下，其承载宽带已经接近于极限。5G通信技术依托于其拓展性和高可靠性等特点，能够有效满足城市轨道交通行业在无线覆盖、频率及安全等方面的技术需求。因此，探讨5G在城市轨道交通行业中的具体应用及前景是必要的。

1.城市轨道交通行业发展需求

纵观该行业发展过程中对无线通信的需求，主要涵盖无线列车调度系统、列车控制、乘客信息系统及车辆监控系统，除了这些车地无线应用以外，车辆在途监测数据还需要借助无线车地传输通道。移动互联网技术、大数据技术等发展，这些都对城市轨道交通相关信息数据的采集和传输所需的无线通信带宽提出更高要求，这些应用需求存在差异性，比如低功耗等。所以，从当前城市轨道交通行业发展现状来看，需要使用一个适用性强、带宽差异化大以及具有较高安全性的车地传输网络。

2.探讨城市轨道交通行业中5G的具体应用

2.1高速通信方面的应用

LTE-M是以往城市轨道交通系统进行各项工作的基础，但是在该行业不断发展下，其承载宽带逐渐不足，在实际应用过程中还极易受到频段限制，所以其运作频段为1785～1805MHz，但是这一频段也无法实现百分之百的安全可靠保障，容易受到其他地区资源使用限制，因此，实际运营工作频率为10MHz[1]。此外，为给信息系统数据传播功能的稳定运作提供保障，实际运作时还会将宽带分为两种冗余方式，这样一来，上行通信和下行通信吞吐量平均分别为3.3和8.4，在单路高清视频小于4Mbit/s的情况下，这样容量的宽带无法满足工作需求[2-3]。以某一区域为例，同一小区内无论是通信传输还是图像传输，均是以多列的状态，多辆车辆一同开展，但是一个网络系统无法对多列车辆进行同时接收，且扩展空间有限，这给信息数据传输造成较大影响。从应用现状来看，相较于4G，5G下的频率效率提升至5～10倍，而且，5G可以同时传输多个数据，还可以添加HD录像带，这样一来，线路网络设计方式得到优化，为后期维护工作的展开提供有效支持。最后，在当前时代背景下，5G的应用率和普及率越来越高，城市轨道交通行业中5G的应用，一方面能够增强系统空间的拓展性，同时其相关设备占地空间较小，能够保证空间改造与施工，另一方面减少城市铁路周边工程量，增強建设效益。

2.2端到端通信方面的应用

为有效改善列车运行老化，降低其运行停止情况的发生概率，在CBTC（基于通信的列车控制）系统中，会将宽带分为两种冗余方式，这两种通信网络互相独立与通信。虽然能够满足系统控制使用要求，但是在线路网络设计与前期建设过程中，需要增加通信设备和工程费，同时增强后期维护难度，整条线路的拓展性较差，不利于旧线路的改造。而5G在城市轨道交通行业应用时，主要采取的方式是引进装备之间进行数据通信纵向间（D2D）通信技术[4-5]。所谓D2D通信技术，其主要为列车之间提供直接通信服务，尤其在出现网络故障的情况下，无需经过基站，列车之间可以很好地进行位置信息、运行情况的交互，有效保证了列车行车安全[3]。除此之外，5G应用下的D2D通信技术还能够将列车之间的通信等待时间缩短，增强通信可信度。此外，为更好满足城市轨道交通通信需求，可以将D2D通信技术为核心进行网络系统的组织，将终端作为通信中间媒介，以此保证网络运作效率，避免出现断连等情况下，提升通信网络稳定可靠性。

2.3大规模天线列阵方面的应用

所谓大规模天线列阵是以多用户波束成形原理为基础，通过进行多条天线的布置，并对目标接收机进行波束调制，在空间信号隔离的情况下，可以在统一频率资源上同时进行几十条信号的传输，有效提升了频带资源的利用率，实现网络容量大幅度提升。通过将大规模天线列阵应用于城市轨道交通中，主要是为了缓解大规模设备准入问题，尤其是铁路相关设备，同时通过光敏将列车干涉阻力增强，并利用波束赋形实现列车运行轨迹的动态跟踪，为相关监控、管理工作提供便利，增强列车运行的安全可靠性[6]。

2.4超密集组网方面的应用

在5G网络通信带日益扩大的背景下，该网络下能够进行更多流量的传送，并支持很多无线装置。在将海量用户超密集组网应用于城市轨道交通行业后，可以将地面有线和车辆有线连接的网络设备的一部分进行无线网络处理，从而降低整个网络设备体系中电线分散部署设备占有率，不仅增强网络设备和系统的灵活性，还有利于设备安装及后期维护等工作。此外，为进一步提高网络通信的可靠性和安全性，可以利用该组网的可拓展性增设防盗设备和智能传感器设备，并优化在线数据分析，利用车载设备数据和线路旁设备状态数据，及时分析潜在问题，获得准确、及时数据反馈，便于控制中心获得第一信息，进一步增强列车行驶安全性和可靠性。另外，通过5G技术对大容量的支持与适用性，还能够为系统提供符合装置特性的带宽，以及系统、人员的安全认证，极大地满足了城市轨道交通行业发展要求。

2.5绿色通信的应用

近几年，在我国社会发展水平、技术普及率不断提高的背景下，通信技术发展过程中难免出现资源浪费问题，城市轨道交通行业作为我国发展的主要产业，在其发展过程中应注重对周围环境、生态文明建设的积极影响。相较于其他通信网络，5G网络能够以持续化的状态优化交通网络系统，以此降低能源消耗，避免资源过多浪费。尤其是列车之间的绿色通信，通过在城市轨道交通中应用5G，能够对其网络结构进行优化，并对现有资源以及待投入资源进行合理调整与科学部署，依托于城市轨道交通系统运行效率的提升降低其资源、通信能量损耗，以此实现绿色通信，推动城市轨道交通健康、可持续发展。此外，在城市轨道交通系统还涵盖安全防护、监控及报警等子系统，通过应用5G，能够科学降低车辆发车间隔，极大地提高其载客量，满足人们日常出行需求的同时，提高运作效率。同时，为安全防护等子系统作用的发挥提供支持，如5G充足的网络带宽能够为网络问题处理提供便利，提升问题处理效率，并实时传达监控图像和视频，实现对列车紧急事件的快速处理[7-8]。

3.分析城市轨道交通行业中5G的应用前景

3.1技术应用发展趋势

从其无线通信发展趋势来看，主流无线技术是车地无线传输技术，生命周期较长，可靠性较高，以铁路这一交通形式为例，其最早的通信信道为450MHz模拟专用信道，采用的无线列调系统，在4G出现后主要应用LTE。从历史发展规律来看，5G通信技术的应用范围将会越来越大，城市轨道交通行业正向多业务整合的方向发展，从以往的CBTC、TETRA、IEEE 802.11、对讲机各自独立运作的模式，转变为LTE-M、无线局域网和TETRA整合的模式发展，且智能化水平和安全可靠性也越来越高。

从历史发展规律来看，5G通信技术的应用范围将会越来越大，城市轨道交通行业正向多业务整合的方向发展，从以往的CBTC、TETRA、IEEE 802.11、对讲机各自独立运作的模式，转变为LTE-M、无线局域网和TETRA整合的模式发展，且智能化水平和安全可靠性也越来越高。此外，5G的频点为毫米波段，这意味着城市轨道交通行业中需要引入大量的接入设备，并根据线路实际情况进行部署，因此，波导管技术因其良好传播特性成为微波频段主要使用的技术，便于后期管理与维护。

3.2基于行业需求分析发展趋势

无论是CBTC还是PIS，其数据都分为四大类，分别为安全、语音、非安全和图像信息数据。在社会发展水平提高、人们生活质量改善的情况下，人们日常出行对交通工具安全性和舒适性提出更高要求，这使得这几类信息的数据量增加，相应的，带宽需求上升。目前能够满足其日益增长的带宽需求的通信技术只能是5G，该通信技术不仅具有大容量带宽，还具有极强的可拓展性，不仅能够满足当前城市轨道交通行业发展需求，还能够满足未来一段时间内对带宽、数据传输效率等方面的要求。因此，虽然现有LTE-M是车地传输的主流技术，但在将来5G势必会取代LTE-M成为新的主流技术[9-10]。

3结语

综上所述，5G通信网络技术凭借其高速率、大连接和低时延的特点能够很好优化城市轨道交通的通信网络结构。因此，应深入研究5G技术在该行业中的应用，科学应对流量和信息数据量的爆炸式增长，缓解其带宽不足的问题，从而促进城市轨道交通行业更好发展。

参考文献

[1]魏英华.去蜂窝大规模多天线系统在城市轨道交通中的应用分析[J].科学与信息化，2021（8）：146-147.

[2] 李佳宁，蔡晓蕾，郑军.5G网络技术及其在城市軌道交通的无线覆盖[J].现代城市轨道交通，2020（8）：125-128.

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[4] 赵驰.基于5G技术的远程监控系统在城市轨道交通建设工程中的应用[J].城市轨道交通研究，2021，24（1）：169-174.

[5] 农兴中，史海欧，袁泉，等.城市轨道交通工程BIM技术综述[J].西南交通大学学报，2021，56（3）：451-460，封2.

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[7] 李福民，宗传苓，高龙.对城市轨道交通规划建设的思考[J].城市交通，2021，19（2）：1-6.

[8] 万丹，郭倩，邓良凯，等.城市轨道交通网络脆弱性对比研究[J].城市轨道交通研究，2021，24（1）：60-64.

[9] 刘福华，殷勇，陈锦渠.突发事件下的城市轨道交通网络弹性评估[J].都市快轨交通，2021，34（2）：146-151.

[10] 张博，余晓君，卫建芳，等.城市轨道交通5G虚拟专网建设方案研究[J].电子技术应用，2021，47（5）：19-24.

与系统内保持一致，是否为通信作者，是的话要补充邮箱

作者简介：聂冰花（1988—），女，硕士，知识产权师，研究方向为控制理论与控制工程。 [林1]

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