試談5G通信在城市軌道交通的應(yīng)用

余佳峻

摘? 要：隨著5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用的不斷推進(jìn)，這說(shuō)明5G時(shí)代已正式來(lái)臨。圍繞城市軌道交通通信系統(tǒng)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)線通信系統(tǒng)屬于其重要組成部分，而通過(guò)引進(jìn)5G通信，該部分存在的延時(shí)較長(zhǎng)、傳輸速率較低等局限性即可較好化解?；诖耍恼聦⒑?jiǎn)單分析城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀，并深入探討5G通信在城市軌道交通的應(yīng)用，希望研究?jī)?nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：5G通信;無(wú)線通信;城市軌道交通

中圖分類號(hào)：U285? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0193-02

Abstract： With the continuous development of large-scale commercial use of 5G network， this shows that the 5G era has officially come. Based on the analysis of the urban rail transit communication system， it can be found that the wireless communication system is an important part of it， and the limitations of this part， such as long delay and low transmission rate， can be better resolved by introducing 5G communication. Based on this， this paper will briefly analyze the current situation of urban rail transit wireless communication system， and in-depth discussion of the application of 5G communication in urban rail transit， in hope that the research content can give inspiration to relevant practitioners.

Keywords： 5G communication; wireless communication; urban rail transit

前言

基于毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延、10Gb/s的傳輸速率、500km/h高速移動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性，5G無(wú)線通信技術(shù)可較好用于城市軌道交通領(lǐng)域，這源于其先天性技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為最大化發(fā)揮5G通信的先天性技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展，正是本文圍繞5G通信在城市軌道交通的應(yīng)用開(kāi)展具體研究的原因所在。

1 城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 基本構(gòu)成

作為城市軌道交通通信系統(tǒng)的重要組成部分，無(wú)線通信系統(tǒng)能夠?yàn)槌丝蜔o(wú)線通信需求、運(yùn)營(yíng)及生產(chǎn)提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支持，具體可分為乘客無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、公安無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。乘客無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由乘客WIFI、運(yùn)營(yíng)商無(wú)線組成，通常由運(yùn)營(yíng)商自建，常用制式包括WLAN、3G、4G、2G;運(yùn)營(yíng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由辦公網(wǎng)WIFI組成;生產(chǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由生產(chǎn)無(wú)線網(wǎng)、軌道監(jiān)控、列車監(jiān)控、PIS車地?zé)o線系統(tǒng)、專用無(wú)線系統(tǒng)、CBTC組成，常用制式包括LTE、WLAN、EUHT;公安無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由公安無(wú)線組成，常用制式包括PDT、TETRA[1]。

1.2 現(xiàn)狀需求

隨著城市軌道交通通信系統(tǒng)智能化程度的不斷提升，以及各地城市全自動(dòng)運(yùn)行線路探索的不斷開(kāi)展，無(wú)線信息傳輸在城市軌道交通中的重要性正不斷提升，如智能客服、軌道監(jiān)控等無(wú)需無(wú)線通信的傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)也開(kāi)始出現(xiàn)無(wú)線信息傳輸需求。隨著系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、高清視頻等技術(shù)的快速發(fā)展，急劇增長(zhǎng)的無(wú)線傳輸信息量使得無(wú)線系統(tǒng)必須設(shè)法滿足各系統(tǒng)不斷提升的傳輸帶寬要求，特別是全自動(dòng)運(yùn)行線路，為全面監(jiān)測(cè)軌道、列車數(shù)據(jù)，更清晰、無(wú)死角的車廂內(nèi)部視頻監(jiān)控將占用大量傳輸帶寬。同時(shí)，高速移動(dòng)下乘客的無(wú)線通信需求近年來(lái)也在不斷提升，越來(lái)越多乘客希望在車廂內(nèi)獲取音樂(lè)、視頻、新聞、圖片等信息的過(guò)程做到無(wú)“卡頓”。結(jié)合上述變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前各制式無(wú)線通信技術(shù)無(wú)法較好滿足上述無(wú)線通信需求，雖然WLAN、LTE、EUHT等通信技術(shù)在理論上可基于較高的移動(dòng)傳輸性能與無(wú)線傳輸速率在一定程度上滿足相關(guān)需求，但受到列車運(yùn)行速度、頻帶資源等因素的影響，這類技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中的移動(dòng)傳輸性能及傳輸速率仍較為有限，無(wú)法滿足城市軌道交通的發(fā)展需要[2]。

2 5G通信在城市軌道交通中的應(yīng)用

2.1 綜合承載

結(jié)合上文內(nèi)容可以了解到，地鐵無(wú)線通信系統(tǒng)由4大類組成，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商等第三方單位一般負(fù)責(zé)乘客無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承建，地面公安無(wú)線通信制式直接影響公安無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方案選擇，滿足日常運(yùn)營(yíng)辦公的運(yùn)營(yíng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一般獨(dú)立設(shè)置。因此，城市軌道交通中5G通信的應(yīng)用主要體現(xiàn)在生產(chǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，以此綜合承載各類業(yè)務(wù)，即可保證5G通信更好服務(wù)于城市軌道交通發(fā)展。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

城市軌道交通包含的節(jié)點(diǎn)一般有車站、控制中心、車輛段/停車場(chǎng)，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景需求，即可組成城市軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。5G核心網(wǎng)設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)器集群、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、網(wǎng)管部署于控制中心，其中應(yīng)用服務(wù)器集群包括列車監(jiān)控、信號(hào)CBTC、PIS車地?zé)o線系統(tǒng)、專用無(wú)線系統(tǒng)、軌道監(jiān)控及其他;邊緣核心網(wǎng)設(shè)備、邊緣應(yīng)用服務(wù)器、無(wú)線天饋設(shè)備、AU接入單元、CU云單元部署于車站、車輛段/停車場(chǎng)，天饋設(shè)備及AU接入單元部署于隧道區(qū)間，車載5G接入設(shè)備部署于列車上，由此即可構(gòu)建一套5G生產(chǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道區(qū)間、列車、車站、車輛段/停車場(chǎng)、控制中心的全覆蓋，滿足各類型業(yè)務(wù)綜合承載需要，為城市軌道交通發(fā)展提供支持。

2.3 基本應(yīng)用

城市軌道交通中的5G通信基本應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，包括高速通信、端到端通信、綠色通信。高速通信中的應(yīng)用需關(guān)注5G通信的高頻段、高速率特性，由此簡(jiǎn)化新線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式、基于單網(wǎng)綜合承載多種業(yè)務(wù)，5G通信的效用即可更好發(fā)揮;端到端通信中的應(yīng)用需基于5G通信具備的先進(jìn)端到端通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這一冗余通信方式，直接連接與通信可在類車間實(shí)現(xiàn)，5G通信可由此更好保障列車安全運(yùn)行，列車運(yùn)行效率也能夠同時(shí)提升;綠色通信中的應(yīng)用需關(guān)注能量損耗問(wèn)題，以此基于5G通信不斷優(yōu)化城市軌道交通中的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，即可有效降低能量損耗，充分發(fā)揮5G通信優(yōu)勢(shì)，具體可從提升系統(tǒng)運(yùn)行效率、優(yōu)化資源調(diào)度、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署等方面入手，城市軌道交通系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行可由此得到更好保障，城市健康發(fā)展也能夠獲得5G通信應(yīng)用提供的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)支持。

2.4 需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

對(duì)于5G通信在城市軌道交通中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，必須解決四方面關(guān)鍵問(wèn)題，包括頻帶資源問(wèn)題、信號(hào)覆蓋問(wèn)題、區(qū)間信號(hào)切換問(wèn)題、應(yīng)用開(kāi)發(fā)問(wèn)題。基于頻帶資源問(wèn)題進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通領(lǐng)域向來(lái)較為關(guān)注頻帶資源，早在4G時(shí)代便存在相關(guān)文件要求，城市軌道交通LTE系統(tǒng)可基于1785～1805MHz頻段建設(shè)使用，但通過(guò)對(duì)各地的實(shí)際頻段分配情況進(jìn)行分析可以確定，城市軌道交通建設(shè)大多無(wú)法將20MHz帶寬全部分配，城市軌道交通LTE系統(tǒng)的傳輸性能因此受到嚴(yán)重負(fù)面影響。結(jié)合5G系統(tǒng)的工作頻段劃分，3300～3400MHz頻段主要用于室內(nèi)使用，3400～3600MHz頻段和4800～5000MHz頻段同樣屬于5G系統(tǒng)的工作頻段，可見(jiàn)5G時(shí)代可使用頻帶資源將更為豐富。但由于現(xiàn)階段我國(guó)尚未明確城市軌道交通的5G系統(tǒng)工作頻段分配，業(yè)界必須加強(qiáng)對(duì)相關(guān)內(nèi)容的關(guān)注;基于信號(hào)覆蓋問(wèn)題，應(yīng)圍繞城市軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性分析，5G無(wú)線天饋系統(tǒng)的線信號(hào)覆蓋需采用“漏泄同軸電纜+天線”結(jié)合的方式，具體的無(wú)線信號(hào)覆蓋涉及室外、車輛段/停車場(chǎng)室內(nèi)、車站，覆蓋模型可參照式（1）進(jìn)行計(jì)算，式中的L、D、F分別為自由空間損耗、距離、頻率。

L=32.4+201g（F）+201g（D） （1）

隧道區(qū)間無(wú)線信號(hào)覆蓋基于漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)，這一過(guò)程需考慮漏纜耦合損耗、傳輸損耗、其他附加耦合損耗、車體屏蔽等因素影響，以此開(kāi)展針對(duì)性的區(qū)間覆蓋方案設(shè)計(jì)。近年來(lái)漏泄同軸電纜產(chǎn)品正積極開(kāi)展3GHz以上的高頻段研發(fā)，為開(kāi)展更為科學(xué)、合適的隧道區(qū)間覆蓋方案設(shè)計(jì)，必須了解相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)動(dòng)態(tài)和上市時(shí)間。相較于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)擁有更高的頻點(diǎn)和更大的無(wú)線部署密度，因此每段漏纜在隧道區(qū)間的覆蓋距離也將因此更短;基于區(qū)間信號(hào)切換問(wèn)題進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，隧道區(qū)間中列車的運(yùn)行速度較快，5G無(wú)線信號(hào)基于每段漏纜也存在更短的覆蓋距離，這種情況下5G時(shí)代區(qū)間天饋方案設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)切換問(wèn)題。在信號(hào)切換方案的應(yīng)對(duì)中，5G時(shí)代區(qū)間天饋方案設(shè)計(jì)必須考慮系統(tǒng)對(duì)切換時(shí)間的要求及列車運(yùn)行速度催生的要求，以此提供足夠的重疊區(qū)覆蓋距離滿足越區(qū)切換地帶需要，信號(hào)的平滑切換也需要盡可能實(shí)現(xiàn);基于應(yīng)用開(kāi)發(fā)問(wèn)題，需重點(diǎn)關(guān)注顯著提升的5G時(shí)代無(wú)線傳輸性能，以此保證應(yīng)用開(kāi)發(fā)能夠與性能提升做到匹配，以此充分利用豐富的傳輸帶寬，更好服務(wù)于城市軌道交通發(fā)展?；凇靶挕睙o(wú)線傳輸開(kāi)展的城市軌道交通各系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與定制屬于業(yè)界普遍現(xiàn)象，如基于當(dāng)前通信傳輸速率設(shè)計(jì)的列車視頻清晰度、調(diào)看路數(shù)、錄像存儲(chǔ)方案，這方面內(nèi)容均存在較大提升空間。隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，與之相關(guān)的NFV、SDN、云計(jì)算等新型技術(shù)將被大量引入城市軌道交通各系統(tǒng)，而在對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行綜合承載后，各系統(tǒng)應(yīng)基于先進(jìn)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及豐富的帶寬資源針對(duì)性開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用，以此有效提升各系統(tǒng)功能的智能化、豐富性程度，充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，更好為城市軌道交通發(fā)展保駕護(hù)航。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，5G通信在城市軌道交通的應(yīng)用具備較為廣闊的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的現(xiàn)狀需求、綜合承載、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題等內(nèi)容，則提供了可行性較高的城市軌道交通5G通信發(fā)展方向。為保證5G通信更好服務(wù)于城市軌道交通發(fā)展，5G通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)必須得到充分利用，同時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注其在保障列車運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性方面的作用發(fā)揮。

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