摘要：现如今，无线通信系统逐渐广泛应用于人们的生产生活中，虽然无线通信系统现阶段已得到广泛应用，但受诸多因素的影响，其在城市轨道交通中的应用仍受到相应的限制。基于此，本文就城市轨道交通中通信技术的应用做出了简单地阐述，以供参考。
关键词：5G通信技术；城市轨道交通；应用
一、5G技术概述
1.5G 介绍
随着移动通信需求的不断增长，新一代移动通信系统——5G 将在未来几年内逐渐商用。届时，5G 依据以往发展的规律会在多个方面的性能有所突破，特别是频谱利用率和能效将有较大提升，使得在传输速率和资源利用率方面会提高 1个数量级甚至更高。另外，5G 将在传输延时、可靠性、安全性、覆盖能力等方面获得较大的性能提升。5G 移动通信系统的应用领域也将进一步扩展，将增加端对端（D2D，Device-to-Device）通信功能，同时增强对海量传感设备及机器对机器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支撑能力，从而促进未来万物互联目标的实现。5G 不仅让用户的体验更好，而且能够满足更多行业、不同应用领域的特定需求。
2.技术优势
根据目前的研究进展，5G 将采用多种新技术和新方法改善网络性能、扩展网络功能，如高频段数据通信、大规模阵列天线、新型多址技术、新型多载波技术、全双工、D2D 通信、密集网络、新型网络构架等技术。通过这些技术实现 4G 网络到 5G 网络的飞跃。相比较 4G 网络，5G 网络系统在以下几个方面的性能将得到显著提升，如图 1 所示。
图1 4G和5G网络性能对比
5G 还增加了 D2D 通信功能，是一种设备到设备的直接通信技术，可以减轻基站负担、减小通信时延，与蜂窝通信相比，D2D 通信仅占一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用 D2D 通信可以减少传输功率、节约能耗。另外，5G 在安全性、可靠性等方面也提出了更高的要求。以上 5G 这些主要性能改善有助于提高城市轨道交通通信系统性能。
二、5G通信关键技术
5G网络能够适应五大应用场景：（1）超高速的场景，如高速移动的列车需要传输自身的状态信息至控制中心以保证自身的运行正常（2）支持大规模的人群，在人口密集的地铁中，上万人同时参与的事件中，也能够流畅地进行对外通信；（3）随时随地的最佳体验，在鲜有人居住的环境中也能够使用网络交流；（4）超可靠的实时连接，即使移动到覆盖面边缘的地方也能连接到网络；（5）无处不在的物物通信，能够实现物品与物品之间的相互通信，即实现大规模的物联网。
大规模MIMO技术是MIMO技术的扩展和延伸，其基本特征是在基站侧配置的大规模天线阵列，其中基站天线的数量比每个信令资源的设备数量大得多，利用空分多址原理，同时服务多个用户，可以显著提高频谱效率和能量效率。绿色通信则是在达到上述技术的条件下所要努力追求的最高目标。统计结果表明，信息和通信技术产业占全球能源消耗的10%，而在无线网络中，基站的能源消耗占网络全部能耗的50%以上，因此节约能耗的绿色通信也是5G的重要研究方向。
三、5G通信技术在城市轨道交通中的应用
1.低延时，高可靠
追踪间隔保证列车以一定的时间间隔在线路上互不干扰地运行，不仅是衡量列车运行控制系统性能的关键指标之一，也是保证运营效率的重要参考。无线通信是CBTC系统实现较小追踪间隔的基础，而通信延迟是无线通信过程中普遍存在的问题，会造成车载和地面设备对信息使用不同步，可靠性降低，对列车追踪间隔、运行安全和效率产生影响 按照《城市轨道交通装备技术规范》，要求通信系统单路单向传输时延不超过 150 ms 的概率不小98%，不超过 2 s 的概率不小于 99.92%。实际测得新建线路基于 LTE-M 网络模拟单路 CBTC 业务在 5M 带宽下端到端时延情况如表 1 所示。
表1 LTE-M网络端到端时延
根据不同通信时延下列车追踪间隔和最优速度值可知，在没有通信延时的理想情况下，列车追踪间隔为 33.06 s，当延时为 200 ms 时，列车追踪间隔为38.27 s。应用 5G 技术，可将端到端的延时降低至 1 ms 以内，这将使运行间隔进一步缩短，使得虚拟联挂、编组运行成为可能。另外，通信延时减小，可增加系统的可靠性，提高运行安全。
2.端到端通信
5G通信引入了端到端（D2D）通信技术，设备之间数据通信不需要基站的中转。D2D通信技术可作为另一种冗余通信方式，在轨旁网络故障情况下，可以使列车与列车之间直接通信，相互汇报各自的位置信息及运行状态信息，从而在保证安全的前提下，不降级继续安全运营。D2D通信技术使列车与列车之间通信时延可以进一步降低，从而进一步减少列车运行间隔，在提高运行效率的同时，也增加了通信的可靠性。
D2D通信技术将支持自组织网络及多跳技术，即终端接入设备可以作为网络中继，为其他设备提供通信链路，使得整个网络不会因为个别位置信号弱或受到干扰，或者基站故障而导致无法通信，从而使整个网络更加健壮。此技术能够进一步提升通信网络的可靠性。
3.高速通信
5G一方面采用多种技术增加了频谱效率，在原有的带宽下提供更高的通信速率，另一方面采用更高的频段能够缓解频谱资源紧张的现况，实现极高速、短距离通信。综合多种技术改进，5G网络将频谱效率较4G网络提高了5～10倍，按照现有测试的速率，可以将目前上行平均通信速率提高到18.5～37 Mbit/s，下行通信速率提高到42～84 Mbit/s。这样不仅单网可以综合承载现有的所有业务，还可以增加多路高清视频，以及满足更多业务的需求，既简化了新线网络设计的复杂度，同时也降低了维护的难度。
4.绿色通信
随着通信技术的发展，用于通信的能量损耗问题日趋严重，国内外在通信节能减排方面都设立了不同的指标要求。城市轨道交通领域响应国家政策，积极优化网络，降低能量损耗。
5G 通过从网络架构、网络部署、资源调度、链路级技术等方面进行优化，提高系统运行效率，减少传输中的能量损耗，达到提高能量效率和成本效率目标，为实现节能减排、绿色通信提供了技术基础，对于城市轨道交通未来建设和运营具有一定的吸引力。
参考文献：
[1]曾剑秋.5G 移动通信技术发展与应用趋势[J].电信工程技术与标准化，2017（2）
[2]张海乾.5G技术在轨道交通内的应用探讨[J].基层建设，2018（6）
论文作者:蔡楚金
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/5
标签：通信论文; 网络论文; 列车论文; 技术论文; 通信技术论文; 间隔论文; 轨道交通论文; 《基层建设》2019年第11期论文;