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浅析5G通信技术在城市轨道交通中的应用

date:2020-04-25 source: times: 198

城市轨道交通通信质量,直接影响城市轨道交通运行的稳定与安全,加强城市轨道交通通信系统建设,已经成为城市轨道交通事业现代化建设与发展关注的重点。基于此结合5G通信技术的特征,就其在城市轨道交通中应用的可行性与优势进行简要分析。

1.对"5G通信技术"的基本认识

"5G"是对第五代移动通信技术(Fifth generation mobile com­munication technology)的简称,又被称之为“第五代移动电话行动通信标准”,是基于4G(第四代移动通信技术)上延伸的移动通信技术。

移动通讯技术发展历程

作为新一代移动通信技术,5G通信具备了更高的要求,实现了众多先进技术的整合应用。例如,5G通信技术应用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用技术)实现通信信号的叠加传输,为不同用户间的多路传输奠定良好基础,促进5G通信系统接入能力的提高;5G通过引入可拓展OFDM间隔参数配置,通过构建超密集组网,提升通信容量,实现多种部署模式下不同信道宽度的支持,在不增加控制系统复杂性的基础上,满足5G网络大规模设备连接要求;5G通过应用大规模天线阵列技术、全频谱接入技术,实现系统频谱效率提升,增强对各频谱资源处理能力,以满足5G网络大规模、高速率通信需求;5G系统引入绿色通信技术,实现信息与通信技术产业耗能的降低,满足社会与市场对绿色发展的需求。

在先进技术结合应用下,5G网络在以下场景中具备较高应用价值与应用前景:

(1)超高速、高可靠、低时延场景,实现网络内部实时通信,如满足高速列车控制系统通信需求,实现状态信息的高效传输,提升高速列车运行稳定性与安全性;

(2)大规模物联网业务场景,可满足大规模通信设备连接需求,使众多人参与到通信事件中,进行同步交流,构建物与物、人与物、人与人相互沟通的“万物物联“网络体系;

(3)高体验性场景,即在满足信息无障碍传输的基础上,实现更自由、开放网络的构建,增强网络应用安全性、便利性、高效性、互动性。

5G应用场景

2. 5G通信技术在城市轨道交通中的应用

首先,在城市轨道交通中,由于列车运行速度较快,且穿行于低下或高大建筑物之间。因此,传统卫星通信系统已经无法满足实际通信需求,存在通信不稳定、通信安全水平低下等问题。随着无线通信技术的创新与应用,基于4G通信技术下的LTE车地无线通信系统得以构建并应用。

车地通讯系统

但从现阶段应用的LTE-M系统实际运行情况来看,其使用的频段主要为1785-1805MHz频段,且受地方频率资源应用限制,城市轨道交通通信网络带宽仅为10MHz,同时为保证通信安全、可靠,10MHz带宽以半双工方式进行通信,其上行通信最大吞吐量约为3.7Mbit/s,最小吞吐量约为2.9Mbit/s;下行通信最大吞吐量约为8.6Mbit/s,最小吞吐量约为6.0Mbit/s。但由《城市轨道交通装备技术规范》相关要求可知,城市轨道交通通信系统系承载多项业务通信需求,包括列车运行控制业务、PIS(Passenger lnfonnation System,乘客信息系统)视频业务、列车运行状况监测业务、共舞电话业务、时钟通信业务、紧急文件发布业务、专用电话通信业务等,且不同自动运行等级,业务传输速率要求也不同。例如,GOA(Grade of Automation自动运行等级)1/2的列车运行控制业务上行速率与下行速率需达到0.256Mbit/s、运行状态监测业务的上行速率需达到0.024Mbit/s;而GOA 3/4的列车运行控制业务上行速率与下行速率需达到0.512Mbit/s,运行状态监测业务的上行速率需达到0.1Mbit/s。而当前应用的LTE-M系统则无法满足各业务综合通信需求,影响城市轨道交通通信服务质量与效率。应用5G通信技术,通信网络频谱效率得到大幅度提升,可将上行平均通信速率提升至18.4Mbit/s-37Mbit/s,上行平均通信速率提升至41Mbit/s-84Mbit/s,从而满足城市轨道交通多业务并行通信需求,提升通信质量与效率。

其次,城市轨道交通中,为保证列车能够在特定时间间隔内进行规范、有效、不干扰运行,一方面需保证列车运行控制质量,另一方面需保证列车运行效率。在此过程中,需依托无线通信进行最小追踪间隔确定。在此过程中,一旦出现通信延迟问题,将降低追踪时间确定的准确性,对列车运行可靠性、安全性产生不利影响。由《城市轨道交通装备技术规范》可知,城市轨道交通通信系统单路单项传输时延需控制在2s以为,98%的时延不应超过1.5s。而基于4G通信技术应用下的通信系统,在5M带宽下的单路CBTC业务中,端到端单漏缆最小时延为11.5ms,最大时延为67ms,平均时延为16.5ms。而应用5G通信技术,能够将端到端缩短至1ms之内,从而大幅度提升系统运行的稳定性与可靠性,提高列车运行安全水平。

2/3/4/5G网络和WiFi的端到端时延对比

此外,相对于4G通信而言,5G网络下D2D(Device-to-Device,也称之为终端直通)通信技术的应用,简化了系统结构,能够在不经过基站中转的前提下,实现列车与列车之间通信,使相关工作人员能够实时掌握列车所处位置、运行情况。

D2D通信技术

与此同时,D2D通信技术可经一部缩短列车运行过程中的通信间隔,从而实现列车运行间隔的缩短,以提升列车控制质量与控制效率。另外,D2D通信技术与自组织网络技术、SON(software-defined networking,软件定义网络)/NFV(network function virtualization,网络功能虚拟化)、新型多址技术等的整合应用,能够对系统基础设施进行简化,实现网络集约控制,并在大数据分析下及时掌握设备运行存在的问题,为设备运行维护提供信息支持,提升维护效率,降低维护成本的同时,保证城市轨道交通通信的安全与稳定。

3.结论

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更加自动化、智能化、标注化、系统化、规范化、绿色化发展的关键技术。能够有效增强城市轨道交通通信的灵活性、时效性、全面性。对此,在实施创新驱动发展战略背景下,认知5G通信技术,了解其在城市轨道交通中应用的可行性,并在不断研发与实践下,促进其在交通通信系统中的应用,具有一定的重要性与必要性。

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