5G无线通信技术在城市轨道交通中的应用

5G无线通信技术在城市轨道交通中的应用

桂斌

四川益明电信工程总承包有限公司四川省成都市610000

摘要：随着5G通信技术和交通行业的快速发展与应用，5G定义的三大场景：eMBB（增强移动宽带）、mMTC（大规模物联网）和URLLC（超高可靠超低时延通信）可以满足轨道交通各种业务需求。5G的高速率、低时延、高可靠性和大带宽优势，为轨道交通场景应用提供了技术支持，能够满足轨道交通通信系统实时、大业务量数据传输的需求，使得轨道交通与5G技术的结合成为了必然结果，轨道交通5G技术使城市出行与管理更加智能化和高效化，在轨道交通中可更好地发挥5G通信技术的价值与作用。

关键词：5G通信技术；轨道交通；专网建设

引言

当前，国家5G频率全部授权给公网运营商，中国移动拥有两段共260 MHz频段，中国电信、中国联通及广电各拥有100 MHz频段，资源丰富。同时，5G网络拥有灵活高效的切片技术、边缘计算技术等，能够保证运营商为城市轨道交通提供安全高效的定制化网络服务；因此，城轨可根据自身需求，结合公网资源及5G先进技术量身订制，搭建高带宽、高安全性、高传输质量的公专融合的5G混合专网。

1.5G无线通信技术应用特点及优势

5G无线通信技术强调了用户体验，因此减少了传输时延、网络平均吞吐速率，同时结合3D技术、虚拟现实技术发展新型移动业务，这些都在极大程度上提高了无线通信技术的应用性能。5G无线通信技术能够在无线通信中应用高频段频谱资源，但由于高频段无线电波的限制，5G技术需要连同光载无线组网及其他技术应用。5G无线通信技术对于“软”配置的要求在不断增多，表示运营商需要将业务流量变化作为网络资源应用和配置的调整依据，从而减少企业的运营发展成本。相比较4G无线通信技术，5G无线通信技术的应用优势主要展现在如下几个方面。在峰值速度方面，4G技术能够达到100Mbit/s，5G技术能够达到几十Gbit/s。在连接2数密度方面，4G技术能够达到100000/km，5G技术能够达2-1000000/km。在网络延迟方面，4G技术为20-40ms，5G技术≤1ms。在网络频段方面，4G技术支持1.8GHz、2.1GHz、2.6GHz等频段，5G技术支持700MHz、2.6GHz、3.5GHz、4.8GHz、26GHz等多个频段。

2.轨道交通5G应用

2.1收费站的应用

收费站内的设备可通过5G通信系统与收费中心相连接，进行数据的上传与下发。收费中心计算机系统由超融合服务器、分布式存储服务器、远程控制服务器、管理计算机(车道监视及收费管理工作站、财务工作站、CPC卡管理工作站、交接班管理工作站)、激光、喷墨、以太网交换机等设备构成。它们通过5G网络直接连到收费中心以太网交换机上。收费中心与收费站通过5G通信系统提供的数据传输通道，进行数据通信。收费中心计算机系统通过通信系统提供的数据传输通道，进行数据通信。所有收费站的设备可基于5G网络进行数据传输，提高了收费广场的建设速度，简化后期维护，设备仅需供电即可使用，具有设备安装便捷、可扩展性强等优点，随时可以基于技术要求与未来发展趋势，便捷新增各种设备。在试验初期可基于原来的收费、通信网络架构，搭建传统的通信系统，并在部分收费站设立5G试点，后期可通过电信现有5G通信网络，或者建设交通运输专属的5G切片专用通信网络。

2.2IMS视频监控应用

IMS视频监控是指将列车的视频图像通过无线方式实时传输到控制中心进行集中监控。借助5G的毫米波通信技术，在较高的频率使其受干扰很少，因此能提供稳定的传输信道，实现超高速数据传输。PIS视频业务是指由地面将视频信息通过广播传输到车厢内实时播放，利用5G的大规模MIMO技术，配备更多的天线，同时发送和接收多个数据信号，使数据速率和链路可靠性得到加强，改善通信质量。

2.3车辆通信技术

5G无线通信技术增强和优化NR的蜂窝车联网通信，形成了更加完善的技术体系。通常情况下，终端与终端需要以基站为载体实现通信，城市轨道交通车辆与车辆之间的通信同样如此，但是由于车辆处于高速运行环境下，对于传输时延和传输可靠性的要求较高，表示车辆通信难度较大。如果能够实现车辆与车辆之间的直接通信，或者是以道路周边设备为载体实现通信，便能够满足城市轨道交通通信对于传输时延和可靠性的需求。蜂窝车联网通信技术便能够实现城市轨道交通车辆与车辆之间的直接通信，但是与汽车不同的是，只有相邻的城市轨道交通车辆才能够实现直接通信，表示技术人员需要结合城市交通轨道的具体无线通信需求展开针对性设计。可见蜂窝车联网通信的应用场景需要视城市轨道交通业务及实际通信需求而定。

2.4使用运营商5G网络，自建UPF及MEC网元

城轨共享运营商的无线网和核心网，同时在本地布署城轨专用核心网用户面设备。UPF下沉至本地，信令等控制面业务（Control PlaneFunction，CPF）由运营商核心网完成。在运营商5G无线网BBU处部署边缘计算结点MEC服务器，使城轨用户面业务应用能够实现本地化布署，降低任务时延、减少公网回传带宽需求。该方案城轨用户信息仍需存储在运营商核心网，存在一定数据安全和隐私保护风险。

2.5 5G通信系统应用于车车通信的可行性

5G通信技术中的超密集型异构网络结构可以完成数据量大、延时低、可靠性高的信息传输任务，与此同时，还可以为列车提供连续、安全的网络连接，再结合D2D的通信模式实现数据在车-车之间的直接传输，使得车-车通信成为可能，相较以往的车-地通信，很大程度上降低了通信成本，提高了通信效率。为了使车-车直接通信成为现实，首先需要为通信系统提供足够的频段，来保证5G信号的传输；其次以采用数据加密等方式提高D2D的通信安全性；最后，5G技术需要与当今的4G系统进行衔接，避免在出现突发状况时系统崩溃，可以根据监控结果来设计一个用于5G网络出现问题时进行网络切换的系统，来保障系统的稳定运行。

2.6结合5G与北斗高精度定位技术的设施状态监测系统

城市轨道交通基础机电设施是采集交通信息、监控交通状态、发布交通信息的前沿阵地，是与道路使用者直接交互的存在，其数字化程度直接决定了城市轨道交通的运营质量和服务水平。但是当前城市轨道交通基础机电设施数字化程度不高，主要体现在以下几方面:(1)通信系统通过光纤形成闭环网络，具有较强的安全性和独立性，但在覆盖率、成本控制、传输速率以及灵活性上能力不足。(2)现有的外场终端设备通信协议不统一，导致数据格式混乱，容易形成信息孤岛，海量的数据管理及治理成本高，不利于数据的挖掘及应用。(3)随着道路长度和电子设备数量的增加，对于三大系统的维护难度也随之增大，且部分电子设备损坏时无外观变化，在一定程度上也增加了维护的难度。随着物联网的发展及人们思维的转变，充分利用这些优点可以建设全新的城市轨道交通基础机电设施通信体系。

结语

随着5G通信技术的成熟，将其应用到城市轨道交通系统的建设中是必然趋势，可以有效解决当前城市轨道交通系统受通信技术限制所面临的问题，相信在不久的未来，可以看到5G通信技术在城市轨道交通领域的应用成果，创造出一个更加舒适、便捷、快速、高效的城市轨道交通出行环境。

参考文献

[1]杨斌山.5G通信技术在城市轨道交通中的运用[J].电子测试,2021(01):10-14．

[2]李想.城市轨道交通中5G通信技术的运用[J].科学技术创新,2020(24):1-7．