李丽萍　冯晓芳　张文超

【摘要】    5G互联网技术的科研和应用对快速发展的城市轨道交通基础设施具有一定的积极作用。5G互联网技术可以提高系统效率，降低能量损耗，进一步降低部分成本。完成了我国倡导的节能降耗、绿色通信。对后续城市轨道交通的设计、基础设施和运营都有非常重要的指导意义。

【关键字】    5G    城市轨道交通

一、5G技术简述

1.1 5G详细介绍

随着移动通信技术要求的不断提高，新一代移动通信技术体系——5G将在未来两年内逐渐商用。届时，按照以往发展的规律，5G将在几个层面的特性上取得进步，特别是频段利用率和能耗水平将大幅提升，促使传输速度和资源利用率出现一个数量级的提升。此外，5G在传输时延、稳定性、安全系数、覆盖能力等方面都会有很大的提升。5G移动通信技术体系的主要用途也将进一步扩大，将增强端到端（D2D，Device-to-Device）通信的作用，同时提高对大量数据以及机器对机器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支持能力，进而推动未来物联网总体目标的完成。5G不仅让用户体验更好，而且可以满足大量领域和不同用途的特殊要求。

1.2技术优势

根据目前的研究成果，5G将通过多种新技术、新方法来改善互联网的特性，扩大互联网的作用，如高频数据通信、大规模阵列天线、新型接入技术、新型多载波通信技术、双工、D2D通信、聚合互联网、新型互联网架构等技术特征。根据这个技术性，完成从4G互联网到5G互联网的飞跃。5G还增强了D2D通信的作用。它是一种设备到设备的直接通信技术，可以缓解通信基站的压力，减少通信延迟。与蜂窝通信相比，D2D通信仅占用一半的频段资源。此外，对于距离较近的用户，使用D2D通信可以降低传输输出功率，节约能源消耗。

此外，5G在安全系数和稳定性方面也明确提出了更高的规定。5G的关键特性提升有利于提升城市轨道交通通信系统的特性。

二、城市轨道交通通信

2.1通讯网络

传输系统是轨道交通通信系统中的骨干系统。各种信息通过传输系统传输，如：各种生产调度电话、国家公务、部门、站间电话的视频和语音信息监控中心的视频和语音信息;从监控中心到各地铁站的自动检票（AFC）、办公系统（OA）等;视频和语音，运行信息，从监控中心到各地铁站的电视监控视频信息，以及其他一些操作信息。传输系统选用以光纤通信系统为主的传输材料。一般每个地铁站、地下停车场、车站、监控中心都设置一套传输连接点和连接设备，并根據两侧的光缆形成一个完整的光纤环网。如果部分信息被终止，就会影响列车的运行，甚至威胁到安全驾驶。在基于无线通信的CBTC系统中，监控中心与区域控制板（ZC）之间的通信是基于标准化的、对外开放的通信网络系统，通过802.3有线网络连接。

2.2无线通讯

在城市轨道交通通信系统中，除数据和信息的传输基于有线电视传输媒体外，其他子系统均基于无线通信。无线网络集群通信系统在城市轨道交通通信系统中发挥了非常重要的作用。它是生产调度和驱动程序之间可靠的通信方式。同时，它也完成与移动中的工人和救援人员的沟通。该系统在保障行车安全、解决突发和意外安全事故方面具有不可替代的作用。

在实际应用中，基于通信的列控系统（CBTC）早已成为城市轨道交通列车数据信号控制系统的关键控制系统。其中，列车拦截设备必须将列车自主测得的即时速度信息传送到轨旁设备，并??发送至调度系统。调度系统是根据前车与车辆的距离和前后、左右列车的速度信息进行调度。并将计算出的列车速度曲线图传回列车。为此，列车运行是为了确保列车的安全。

2.2.1车地通信

基于4g的TD-LTE移动通信技术的技术性质上，在20MHz频段网络带宽下，上下行100Mbit/s可以给予最大50Mbit/s管道速度的前提下，CBTC系统是每列选择安装上/下组控制信息和业务流程宽带网络要求均为0.5Cbit/s。现在使用的4g暂时可以满足列车的要求，但是随着城市轨道交通CBTC系统自动驾驶技术的发展和应用，每列列车都安装了数据信号系统，用于上下班组控制信息业务流程网络带宽要求会达到1Mbit/s，甚至更多。这样一来，就必须减少同一互联网上的列车总数或提高互联网的覆盖水平。

2.2.2车对车通信

随着无线通信的发展，已有的一些学者明确提出了一种基于车对车通信的新型CBTC系统。与传统的CBTC相比，车对车通信减少了轨旁子系统，减少了系统中的socket总数。这降低了系统的多样性，但这需要列车根据Wi-Fi网络或互联网连接点（AP）实时向同一个网络通信提交自己的行车信息（一个可存储为路线上的火车行驶信息的数据库）。其他列车可以即时从网上下载这些信息，然后利用这些信息来区分自己在拦截设备上应该以何种速度行驶，从而移动和拦截，并自动调整列车之间的距离。通讯方案可以减少信息传输的距离，但也明确提出了更多的网络通讯枢纽要求。

三、5G在城市轨道交通中的应用

3.1无线数据传输

现阶段城市轨道交通LTE-M系统应用的频率范围为1785～1805MHz，但受限于各地区频率资源的应用，一般只允许其中的10MHz网络用于城市轨道交通。充分考虑数据信号系统的可靠要求，将10MHz的网络带宽划分为A、B双网（5CHZ）进行通信。根据该标准，测量单一网络应用和单一泄漏电缆条件下的数据信息传输。

一方面，5G利用多种技术提高频段的效率，在原有网络带宽下提供更高的通信速度。另一方面，使用更高的频段可以减少频段资源焦虑的现状，完成极快、极短的Route通信。全面多样的技术改进，5G互联网与4G互联网相比，频段效率提升了5-10倍。根据当前检测速度，当前上下行平均通信速度可以提高到18.5～37Mbit/s，通信速度可以降低。增加到42～84Mbit/s。

这样，不仅单个网络能够全面安装当前所有的业务流程，还可以提升多路超清视频，满足海量业务流程的需求，不仅简化了业务流程的复杂性。新的线路网络设计方案，也降低了维护难度系数提高。

随着5G网络综合承载能力的提高，轨旁设备的工程建设和安装逐渐减少，有利于满足建设周期短、相对有限的长线项目的改造需求。

3.2低延迟、高可靠性

跟踪距离确保列车以一定的间隔在路线上相互交互。它不仅是考虑列车运行控制系统特性的重要指标值之一，也是保证高运行效率的关键参考。无线通信是CBTC系统完成小距离跟踪的基础，通信延迟时间是整个无线通信过程中普遍存在的不足，会导致车辆拦截和道路设备信息应用不同，稳定性降低，并跟踪列车之间的距离，操作安全和高效率造成影响。

根据不同的通信延迟，已知以下列车跟踪间隔和最佳速度值。在无通信延迟的理想条件下，列车跟踪间隔为33.06s。当延迟为200ms时，列车跟踪间隔为38.27s。

使用5G技术，可以将端到端时延降低到1ms以内，这将进一步缩短操作间隔，使虚连接和编队操作成为可能。此外，减少了通信延迟，可以提高系统的稳定性，提高操作安全性。

3.3端到端通信

现阶段，根据CBTC的列控系统，为了更好地避免因轨旁计算机设备常见故障导致列车降级或停止运行，列车运行路线设计方案A和B与对方的列车独立网络通信。但是，大量的通信设备必须安装在轨道旁，增加了基建成本，增加了施工周期，也增加了中后期运维难度系数，不利于长期航线的更新改造。

此外，D2D通信技术将生态系统理论和多跳技术应用到互联网上，即与机器设备相连的终端设备可以作为互联网的无线中继，为其他机器设备提供通信链路，使整个互联网由于某些部分的数据信号较弱或受到影响，或通信基站的常见故障导致无法通信，从而使整个互联网变得更加健壮。这种技术性可以进一步提高网络通信的稳定性。

D2D通信技术为列车头尾通信提供了一种新的方式。过去，列车的前后截断控制板必须铺设直通线才能进行通信，增加了旧线路更新改造的难度系数。D2D技术使前后端车辆拦截控制板基于无线网络方式即时通信，无需通过车地互联网，无需铺设首尾直通线路进行通信。同时，减少了工程建设更新改造的周期时间。也方便了汽车中后期的保养。D2D通信技术为地铁车站设计、基础建设、运营维护提供了更加便捷的通信方式。

3.4海量用户超聚合组网

随着5G通信网络带宽的显著增加，5G互联网可以安装大量的业务流程，同时允许许多无线网络设备联网和通信。目前，部分用于汽车拦截、道路有线电视连接组网的设备可以改为无线网络组网方式，从而减少大量布线，同时设备可以灵活放置在各处，从而减少需要一个大的空间。放置设备的要求也有利于设备的安装和维护。

为了更好的提高系统的安全系数和稳定性，可以适当改进传感网设备和监管设备，根据无线网络，实时采集车辆拦截设备和轨旁设备，在线数据分析，及时处理常见设备故障和潜在问题，并及时反馈给监控中心及相关工作人员，第一时间获取准确信息内容，对出现的问题进行精准定位，保障列车安全高效运行。

以上这种业务流程会遇到很多终端设备接入困难。

3.5大规模无线天线阵列

大规模无线天线阵列有望用于5G互联网。根据无线天线的空分特性，相同的时频资源可以同时服务多个用户，不仅可以提高频段的效率，还可以提高传输的稳定性。由于光束赋性使光束扩散具有一定的特异性，因此还可以利用该特征间接获取列车的大致位置，辅助区分旅客列车的位置，跟踪列车的运动轨迹及地面段等空间开阔的场景应用。

3.6绿色通讯

随着通信技术的发展，通信的能耗问题越来越严重。世界各国对通信节能降耗水平制定了不同的指标值规定。城市轨道交通行业响应当前国家政策，积极优化网络，降低能耗。

5G基于网络结构、互联网部署、资源生产调度、链路级技术等的改进提高系统运行效率，减少传输中的能量损失，达到提高能效和成本效益的总体目标。为完成节能降耗，绿色通信提供了技术基础，对未来城市轨道交通的基礎建设和运营具有一定的吸引力。

四、结束语

5G通信技术在城市轨道交通中的应用，是推动城市轨道交通以更加自动化技术、智能化系统、标准化、专业化、标准化、绿色发展的核心技术，可以合理提高城市轨道交通通信的协调能力、时效性和完整性。

对此，在实施创新驱动发展战略中，结合5G通信技术的认知能力，对其在城市轨道交通中应用的可行性分析，以及不断的产品开发和实践，推动其在交通通信领域的应用具有一定的必要性和重要性。