5G通信技术在城市轨道交通的应用

李智勇

（中铁电气化局集团有限公司基础设施投资分公司，北京100043）

1 5G 通信技术概述

1.1 优势

相较于4G 技术，5G 技术在信息处理方面具有更为显著的优势，能在完成多元信息传输的同时，建立多点无线信息传送管理，并保证信号传输的速率和稳定性。

在应用5G 技术的过程中，正是基于其较为合理的通信传输控制模式，能更好地满足用户的个性化需求，提高用户的使用体验，真正意义上实现交互式信息管理和传递模拟。另外，在5G 技术实现多点传输的过程中，无需依靠单一的物理层，只需打造多天线、多区域组网的应用控制结构，加之其技术架构更加具有创新性，既能实现灵活性和稳定性兼具的应用目标，提高网络资源的利用率，也为通信项目成本监督管理创设良好的技术应用平台，维持可控化较好的通信应用环境[1]。

1.2 关键技术

第一，毫米波技术。能大幅度缩减通信信息传输的距离，并且基于技术应用要求能提高覆盖效果，实现可控化管理的目标。

第二，微基站。相较于4G 技术，5G 基站应用模式能有效降低基站占比，并且减少其功率损耗。

第三，多天线技术。借助技术处理方案，就能实现多根天线同时完成发送处理的模式，并建立实时性匹配的接收处理模式。

第四，D2D 技术。在实际应用控制模式中，数据无需通过基站就可以直接传输到手机中，实现统筹控制管理。

第五，波束赋形技术。依据5G 通信技术应用要求和信息数据处理规范，在建立初级技术处理模式的同时，打造全向信号覆盖应用控制机制。

2 5G 通信技术在城市轨道交通的应用方案

2.1 应用方向

2.1.1 自动车辆段控制

自动车辆段主要包括过渡轨列车交接项目、段内调车进路控制项目、车组现车和驾驶员管理项目、调度排班计划等，要结合实际应用要求，匹配5G 通信技术模块，打造更加规范的指导方案，并及时收集相关反馈信息数据，以便制定更加科学合理的调度决策[2]。

2.1.2 自动机电设备控制

5G 通信技术还被应用在设备实时性控制管理工作中，配合低时延处理应用方案，建立相应的控制模块。同时，针对电梯照明控制、空调通风控制、给排水控制等，打造完整的实时性控制体系，不仅能保证数据汇总和分析的有效性，也能最大程度上维持城市轨道交通细节管理水平。

2.1.3 自动列车控制

基于5G 移动通信技术建立的地面进路控制模块、列车自动驾驶模块、列车运行调度计划模块及运行速度防护模块等，配合先进的技术方案，建立更加及时且科学的信息交互平台，不仅能保证指令下达和执行效果的最优化，也能维持城市轨道交通运行安全性和稳定性。

2.1.4 通信系统

利用5G 通信技术实现广播系统、闭路电视系统、无线电系统及乘客信息显示系统的多元管理，配合管控要求完成实时性数据分析和汇总，保证应用效能的最优化。

2.2 应用具体内容

2.2.1 绿色通信

第一，将城市整体建设、发展环节融合在一起，工程形成协同管理的应用体系，有效确保相关工作的开展和落实能从城市轨道交通绿色环保化管理的角度出发，在控制能源损耗的基础上，有效维持资源保护和环保保护的平衡。利用5G 移动通信技术，就能建立覆盖性较为全面的应用网络模式，提高通信质量效果[3]。第二，要从城市长远发展的角度予以评估，保证通信系统的稳定性和运行灵活性都能在可控范围内，在维持整体运行效率的基础上，建立满足资源调度要求的控制结构。

2.2.2 高效通信

第一，要在设置具体工作模式前完成基础调研分析工作，有效了解单路高清视频数据信息等，并且将其作为后续开展相应作业的基础依据，还要在联系实践的同时综合分析承载设计内容，提高整体应用效果[4]。第二，要整合具体的资源结构，保证资源配比和资源应用工作都能落实到位。比如，小区内几辆车同时行驶，并都在进行通信传输。若是仅依靠单网承运相应的操作无法完全满足对应列车的通信传输需求，这就使得列车的业务拓展受到限制。此时，若利用5G 技术实现信息传递通道的广覆盖，就能形成完整的频谱效率控制模式，从而依据实践应用管控提升处理效果。第三，在应用5G 技术的过程中，匹配技术要点就能更好地满足频谱资源管控标准，积极实现短距离、高速通信的通信目标。在经过对比和调查分析后可知，相较于4G 技术，5G 技术能更好地承载业务工作目标，配合多路高清视频应用模式，全面维持新型网络应用环境的创新性，并更好地简化具体信息传播路径，确保轨道交通建设工作能在规范应用环境中有序开展[5]。

2.2.3 端对端通信

第一，要从通信应用控制的角度出发，践行全过程质量管理机制，保证相应的管理模块和应用控制手段最优化，并且要合理优化列车的实际控制系统，从而维持完整的运行应用结构。结合相关实践研究可知，在通信网络设置的过程中，要结合5G 移动通信技术标准实现设计和建设并行的控制模式，从而保证通信网络互为冗余处理模块，以满足通信应用的基本需求。第二，利用5G 技术实现轨道交通实时性管理不仅能提升应用效能，还能针对列车线路存在的问题予以可控管理。首先，为了满足通信需求，在新线路设计和应用过程中会在目标轨道的两侧设置对应的通信设施。因此，要想保证设施安装的规范性和科学性，施工方就要额外支付相应的建设资金，这难免会产生经济成本。而若在应用5G 通信技术进行实时性处理的过程中，配合多元化基站处理，尤其是选用智慧灯杆基站设定的方式，就能大大减少设施施工造成的经济损失。其次，配合城市轨道交通整体布局和规范要求，在落实5G 移动通信技术处理方案的同时，就能顺利展开实时性维护和监督管理工作。第三，合理应用5G 通信技术还能解决实践应用中存在的矛盾。一方面，在建立端对端通信技术体系的基础上，配合技术工作要求，就能对目标设备和设施的互通处理予以控制，确保基站作为信息和数据的中转站，打造高效、科学的数据应用约束平台，维持控制管理的基本水平[6]。另一方面，一旦轨道两侧网络出现故障现象，5G 通信技术依旧能支持列车与列车间的常规化通信。列车驾驶人员能借助对应的感知模块，着重了解车辆自身、对向车辆的运行状态和位置信息，从而以此作为后续决策制定的基本依据，为列车稳定运行和安全管理提供保障。

2.2.4 大规模天线列阵

第一，要系统分析天线空分特征数据，建立基于同一时频状态下的优质服务模式，维持应用控制的规范性，并在最大程度上提高服务效率，整合服务应用体系的规范效果。第二，要对数据传输有效性和安全性予以监督，维持较好的频谱应用效率，在合理应用5G 通信技术推动城市轨道交通发展进程的同时，保证建设工作都能落实到位。第三，在列车运行环境中，整合技术应用过程，并在波束赋形处理技术支持下，依据波束能建立具有针对性和方向性的传播管理模式。驾驶人员能借助对应的数据和信息支持，顺利将车辆驾驶到指定地点，配合数据跟踪完成列车轨迹分析的基本任务，为列车在平稳状态下行驶提供保障，实现安全可靠的数据监督控制目标[7]。

3 案例

以北京城市轨道交通“新机场线”5G 移动通信技术应用方案为例，对具体的布设应用和控制标准进行分析。依据北京市关于5G 产业和应用发展重点任务要求的具体标准，在建设工作开展过程中要践行全过程质量监督控制机制。

3.1 项目背景

基于北京交通委监督管理控制要求和标准，北京轨道交通建设管理公司联合设计院、三大运营商、主系统厂家等落实相应设计工作，参与设计项目的具体讨论和敲定，践行质量和应用效率并行的控制原则，对具体方案的相关内容予以统筹评估。该项目主要涉及轨道交通无线设备选型工作、撤站无线覆盖方案、区间漏缆和软波导应用方案等[8]。

3.2 具体要求

在具体设计方案中，北京轨道交通新机场线设定在南部三环以外，主要连接、中心城区和新机场。此城市轨道交通的基础定位是“高速、快捷、直达”，充分秉持高质量应用要求，以确保能落实城市轨道交通管理的相关标准。相关情况见表1。

表1 新机场线具体情况

第一，要在整体线路的不同子车站站点设置对应的5G 移动通信应用控制设备室，并在室内由运营商增设机柜，以便能有效安装相应的BBU 设备。第二，车站内5G 基站集线器在实际处理环节中，要采取墙挂的应用模式，并在设备区弱电间内安装响应设备，以保证控制模式和处理效果的最优化，维持北京新机场线5G 通信技术的规范水平。第三，针对同频组网和邻区实际用户50%网络资源占比的预设分析，确保无线网络总体覆盖率满足-105dBm 且SINR≥-3dB 的要求，且对应的概率要在90%以上。小区的边缘吞吐量也要满足应用控制的基础要求，帧结构采取D80%、U20%的配比模式，小区边缘用户吞吐量能达到上行5Mbps、下行30Mbps 的要求。

3.3 方案必选

依据实际应用规范和标准，初步提出两个方案。

方案一，利用与4G 覆盖模式较为类似的处理机制，借助分布式宏基站配合漏缆覆盖处理机制，有效形成对应的覆盖应用体系，且对应的RRU 间隔控制在250m。该方案中，漏缆和软波导管处理是非常关键的内容。结合厂家提供的漏缆传输性能可知，要在满足区间覆盖的基础上实现大规模生产处理，但是相应的技术手段和水平有限。所以，最终确定的是漏缆处理配合隧道覆盖技术方案，要在完成吞吐量测试的基础上评估漏缆的实际损耗，从而综合处理相应的技术应用流程。

方案二，主要是采取和车站较为类似的皮基站应用控制模式。

结合民用通信基础设备供电量仅仅满足传统无线覆盖使用的情况，若是增设5G 无线通信技术体系，全线车站和区间供电节点供电增容需求也会随之增多。所以，在综合评估相应经济效益和供电需求后选取方案一。

3.4 应用扩展

第一，要积极维护维修图像实时性回传环节，确保信息数据能在5G 移动通信技术支持下实现统筹管理，在完成信息数据收集汇总工作后，就能建构完整的应用统筹管理模式，保证信息共享体系下相关内容都能落实到位[9]。

第二，利用小型探伤设备、检测设备、轨检车、沉降检测设备等进行集中的城市轨道交通常规化检查，并联动5G 通信技术，实现数据的富集和整理，及时完成数据的实时性传输和控制，以保证城市轨道交通管理部门能结合数据情况落实相应工作，及时解决存在的隐患问题，实现城市轨道交通可持续健康发展的目标。

第三，匹配5G 通信技术进行实时性视频对讲和远程专家评估等技术，了解故障问题的发生情况和原因，以便能及时开展相应的控制工作，从而减少故障处理时间，维持应用管控的整体水平。

第四，要配合区间巡逻、巡检机器人等进行视频信息、数据信息的回传，充分满足智能运维的管理需求，保证城市轨道交通管理能在5G 技术支持下全面优化，维持统筹控制工作的规范性。

3.5 展望

随着5G 通信技术的不断升级和优化，5G 技术融合在城市轨道交通的形式和应用效果也将向着更加多元的方向发展。第一，5G 通信技术将推动万物互联的推广，配合城市轨道交通的应用要求和标准，推进无感知过闸、安检、智能导乘、智能运维等工作，从而形成更加科学、合理的技术应用控制平台。第二，强化带宽应用效能，打造低时延、超可靠的信息交互管理模式。尤其是城市轨道交通高清视频的处理工作，实现多元信息管理，维持视频等基础信息交互效率的最优化。

4 结语

总而言之，在城市轨道交通应用管理控制工作中，融合5G 通信技术能在提升管理水平的同时，为交通安全性、稳定性的优化予以支持，建立信息交互及时、数据分析到位、故障评估准确的管控体系，为城市轨道交通可持续发展奠定坚实基础。