5G技术在城市轨道交通信号系统中的应用研究

5G技术在城市轨道交通信号系统中的应用研究

王双英

(合肥职业技术学院安徽合肥238000)

摘要：近年来，随着WLAN技术的使用，暴露出了此技术的一些问题：易被干扰；传输带宽低；稳定性差等。因此必须要进一步探索出更加安全稳定的无线通信技术。本论文研究的是5G技术在城市轨道交通信号系统中的应用，是一种交通信号技术。使用5G技术实现数据的无线通信，该技术的应用能够在低时延、高速率的传输基础上，实现信号系统中的多种功能。并且具有高可靠性、高数据业务传输速率和低数据传输时延、良好的移动性能。5G技术较WLAN技术可以更好的满足城市轨道交通通信系统的需求。

关键字：5G技术；无线通信；网络传输；轨道交通信号系统

一国内外研究情况

城市轨道通信系统采用2.4GHz开放频段，所有使用2.4GHzWLAN技术的设备均为信号无线通信系统的干扰源，系统不可避免的会遭到民用通信产品（MiFi，WiFi，蓝牙等）的干扰，可能导致信号车－地无线通信传输系统无法工作，影响信号系统的可用性。而且随着将来无线智能城市的建设以及手机上网应用的普及，将会有更多的干扰源出现。近期发生的城市轨道交通信号系统车地通信受到民用3G和4G热点设备干扰，导致列车正常运行受到较为严重影响的情况已逐渐显现。若要从根本上解决无线通信中的干扰问题，保证信号系统可靠、稳定工作，只能通过采专用频段及更先进的无线通信技术解决。

5G技术主要是在4G时代的TD-LTE技术和FDD-LTE技术出现而发展起来的，在我国，5G技术已经被国家工业部批准成为一定的频段。这种通信技术采用扁平化组网方案，传输时延小，系统可靠性高；5G技术的数据业务速率和频谱利用率高；5G技术可支持高达500km/h的移动性能，而WLAN的移动性能只有100km/h，当城市轨道交通列车移动速度大于100km/h，会造成由于移动性而导致的数据传输性能下降，5G技术不会有这个问题。5G技术在轨道交通工程中的应用是未来发展的必然趋势[1]。

近些年来国内迎来了城市轨道交通建设的大潮，CBTC系统在快速创新和发展中出现了一些最新的技术发展趋势。随着通信技术的不断发展和我国5G技术开始试点商用，面向未来提供更高速率、更好用户体验的下一代无线通信技术（5G）已经成为了通信业界关注的重点领域[2]。综合国内轨道交通发展的现今状况，其主要发展趋势就是把5G技术应用在城市轨道交通通信系统中。

5G网络作为轨道交通移动通信系统的未来，其可靠性和高效性始终是需要重点关注的问题。国内外对5G切换的研究还不够完善，尤其是对高移动性的轨道交通系统中的切换策略和切换算法的研究还处于起步阶段，5G切换中断及切换问题导致的车地通信质量下降问题还未能很好的解决。

无论是蜂窝通信系统还是移动通信系统，切换控制对用户在移动过程中的通信体验有着重要影响。城市轨道交通系统的特殊性导致无线信道环境更加复杂，小区覆盖范围、列车移动速度等都会影响通信系统性能。在CBTC通信子系统中，通过简化网络结构，减少了信令过程，而采用OFDM技术可提高频谱利用率，但同时增大了小区间的相互干扰，小区边缘的通信质量更加恶劣。在跨小区运行时，小区边缘的信号最差，也最容易发生切换。因此综合考虑城市轨道交通的环境特征、5G网络覆盖特性、列车移动特点等因素，结合5G系列标准中提出的新技术，进行切换策略优化，改进影响切换性能的关键参数，改善目前CBTC通信子系统中＂硬切换＂所带来的通信中断、切换区信号较弱等问题[3]，能够提高切换性能，改善通信质量，提供更好的用户体验。

二总体思路

随着我国国民经济的快速发展，城市化进程不断加快，导致城市交通供需矛盾急剧上升。轨道交通的快速发展，对运营维护要求也不断增加，需要结合最新的技术来提高运营、管理能力，提高旅客服务质量。在城市轨道交通发展中，其舒适性和安全性受到社会普遍关注。一方面，处于信息化时代，Internet与人们的生活息息相关，人们对无线通信的需求不仅仅满足于窄带的语音业务，也希望在列车上同样能享受到流畅的宽带服务，对旅行中的通信需求提出了更高要求。同时，在列车上安装乘客多媒体信息系统不仅能提高旅途舒适性，也能实时提醒旅客列车运行到站时间、距目的地里程等基本信息，方便乘客规划出行。目前城市轨道交通系统主要采用基于IEEE802.11系列标准的无线局域网WLAN，WLAN作为一种宽带无线接入技术，其优势体现在网络化、宽带化方面。802.11工作在2.4G频段，使用OFDM调制技术，有效提高频谱利用率，传输速率能够达到54Ｍｂ/s。但WLAN存在一些局限性：一、移动支持性差；二、工作在开放频段，容易受到无线干扰；三、WLAN天线覆盖范围较小，在直线隧道中每间隔200m需要布置一个轨旁接入点AP，导致列车在运行中产生频繁的越区切换，从而影响通信质量[4]。因此需要寻找一个新的通信方式来解决目前轨道交通车地通信系统面临的问题。

另一方面，随着轨道交通建设的快速发展，线路、里程不断增加，车辆之间的调度、指挥更为复杂，为了方便管理，地铁列车需要增加足够的监控措施，来指挥行车，可视对讲能够使列车司机与中也值班员更好的沟通交流，保证列车安全运行。指挥中也需实时了解地铁运营的现场情况，一旦发生紧急状况，可通过视频监控进行应急指挥，提升地铁应急处理能力，因此车载视频信息的传输需要依靠高速率的无线网络。总之，轨道交通车地无线通信系统需要更大容量、更高速率、更稳定可靠的技术。

三研究拟解决的问题

第五代移动通信技术，就是我们所说的5G移动通信技术，它是4G移动通信技术的延伸，在4G的基础上实现更快速的网络传输。通过对于5G移动通信技术的发展，将实现更快速的网络传输，为未来的网络应用提供了技术支持，使我国的网络技术发展提升到一个新的层次.而将5G应用于城市轨道交通信号系统中解决了现有轨道交通通信系统的一些弊端：

1.解决WLAN数据传输数据量小的的问题，WLAN的数据传输最大54Mb/s,而5G可以达到数个GB/s的速度；

2.解决当今CBTS系统中通信不稳定问题，由于轨道交通列车是运行的，所以速度快慢会对通信的稳定新造成影响，WLAN的运动性能是100km/h，而列车很可能会大于这个速度运行，造成通信不稳定，5G的运动性能可以打到500KM/h，完全满足列车的运行状态，不会对通信造成影响。

3.抗干扰性能大大提高，WLAN的频段是2.4GHz，和4G频段很接近，由于通信设备的不稳定性，会造成穿串问题，影响通信的稳定，而5G工作在超高频段，一般在26GHz或者以上，不会存在串频干扰，抗干扰能力强。

四结论

本论文研究5G技术在轨道交通通信系统中的应用，不仅能够提高车地通信质量，也可以借鉴到蜂窝无线通信网络，从而提高网络用户的通信质量，发挥5G在宽带通信中的优势，对推动整个通信系统发展具有重要意义。

参考文献：

[1]许碧洲,路遥.关于5G移动网络新技术及核心网架构的几点思考[J].中国新通信,2017,19(18):8.

[2]刘超.浅谈5G移动通信的关键技术及发展趋势[J].电脑知识与技术，2016,12(22):257-258.

[3]康虹.浅谈5G移动通信系统若干关键技术[J].科技展望,2017(11).

[4]郭金栋.5G网络新技术及核心网架构探究[J].科技界,2016(16):283.