5G通信技术在城市轨道交通中的应用研究.pdf

2023 年 9 月第 59 卷 第 9 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationSeptember 2023Vol.59 No.95G通信技术在城市轨道交通中的应用研究王琰摘 要：5G技术是构建智慧地铁的重要基础，在地铁运营管理中具有丰富的应用场景。重点对5G技术在地铁中的建设、应用和未来发展进行探讨。首先，简要阐述5G通信技术发展的关键历程及在地铁中的主要应用情况；其次，提出5G公网建设的需求，重点从地铁既有设备对5G频段的支持、传播的损耗、电源的要求、设计标准的统一、既有线路5G改造难度和施工工作量等6个方面，研究5G公网建设的难点；然后，从地铁新线和既有线改造2个方面，提出5G公网建设的整体思路；最后，对5G技术在面向乘客服务和面向运营维护2个方面的实际应用情况进行说明，提出5G通信技术在未来城市轨道交通中的应用，不仅要在面向乘客服务上继续深挖，更应在面向运营维护上拓展思维，为进一步探索5G通信技术在城市轨道交通中的应用提供参考。关键词：城市轨道交通；智慧地铁；5G技术；无线通信；乘客服务；运营维护中图分类号：TN929.5 文献标识码：A Research on Application of 5G Communication Technology in Urban Rail TransitWANG YanAbstract：5G technology is an important foundation for building smart subways and has broad application scenarios in subway operation and management.The construction,application and future development of 5G communication technology in subway are focused on exploration.Firstly,the key process of the development of 5G communication technology and its main application in the subway are briefly expounded.Secondly,the requirements for 5G public network construction are put forward and the difficulties of 5G public network construction are studied including six aspects:the support of existing subway equipment for 5G frequency bands,transmission loss,power supply requirements,unification of design standards,construction difficulty and workload of 5G transformation of existing lines.Then,from the two aspects of new subway lines and existing line renovation,the overall thinking of 5G public network construction is proposed.Finally,the practical DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-09.23059城轨交通扫码浏览下载王 琰：广州地铁设计研究院股份有限公司 高级工程师 510000 广州收稿日期：2023-03-01引用格式：王琰.5G通信技术在城市轨道交通中的应用研究J.铁道通信信号,2023,59(9):53-58.Citation：WANG Yan.Research on Application of 5G Communication Technology in Urban Rail TransitJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(9):53-58.53铁道通信信号 2023年第59卷第9期application of 5G technology in both aspects including passenger service oriented and operation maintenance oriented is explained,and it is proposed that the application of 5G communication technology in future urban rail transit should not only continue to deepen the application of 5G technology in passenger service,but also expand thinking on the application of 5G technology in operation and maintenance,providing reference for further exploration of the application of 5G communication technology in urban rail transit.Key words：Urban rail transit；Smart subway；5G technology；Wireless communication；Passengers service；Operation maintenance5G通信作为新一代移动通信技术，在国内外已有广泛应用，也为实现城市轨道交通智慧地铁无线通信提供了技术支持。陶潇然1对 5G 关键技术进行研究，分析 5G 技术在地铁无线通信中应用的优势。5G技术具有更高的数据传输速率和更大的带宽，单点设备接入数量更多，为智慧车站、智慧地铁、未来物联网设备接入等新增业务提供无线传输通道。黄霁2对 5G 技术的典型应用场景和网络架构进行研究，结合城市轨道交通无线通信系统的特点，提出利用 5G 相关设备，形成一套覆盖控制中心、车站、车辆段、停车场、隧道区间、列车的 5G 生产无线网络，对城市轨道交通各类型业务进行综合承载，是前景可期的应用方向。以上文献多基于理论研究，鉴于此，本文从实际应用角度考虑，对地铁 5G 公网（由电信运营商建设的 5G 网络统称“5G 公网”）建设的难点，地铁新线和既有线 5G 公网建设的思路进行深入研究，通过列举 5G 技术在地铁中应用的实际案例，提出 5G 技术在地铁中应用时要在面向乘客服务和面向运营维护 2 个方面进行更多的探索研究。15G通信技术发展及在地铁中的应用情况5G，即第五代移动通信技术，是4G的延伸，主要特点是速率高、时延低及大连接3。移动通信历经5代的发展，1G时代，主要采用模拟技术，仅实现语音通话；2G时代，实现模拟到数字通信的进化，主要有语音业务和数据业务；3G时代，在2G的基础上，数据业务速率有了提升，移动互联网也逐渐开始应用；4G时代，移动互联网业务数据速率达到100 Mbit/s，在高速移动的情况下，最大支持350 km/h的移动通信；5G时代，技术全面提升，业务数据速率达到10 Gbit/s以上，移动互联网达到千兆级别用户体验，最大支持500 km/h的超高速通信速率，同时支持超低时延和超大连接4。在国家十三五规划5中，已经多次提到加强5G技术的发展，各城市也纷纷做出响应，积极研究 5G技术，加快 5G商用的步伐。目前国内没有针对垂直行业的新增5G频谱分配计划6，如果在地铁应用中引入5G技术，须与运营商合作，使用运营商的 5G频率资源。在国家正式分配 5G行业专用频段的前提下，地铁可自主建设5G专网，与运营商建设的5G公网相互独立。目前5G通信技术在地铁中的应用情况，主要是由5G公网为乘客提供更加高速的网络环境；地铁公司在 5G公网的基础上，延伸发展出 5G高清视频直播、5G无人机VR直播、5G低延迟机械臂、5G巡检机器人等新技术的应用。2地铁5G公网建设需求截至 2022 年 12 月 31 日，全国共有 53 个城市开通运营城市轨道交通线路 290 条，运营里程为9 584 km，车站5 609座7。地铁运营的主要特点是人流密度较大，相关业务需求巨大，且部分业务低时延要求高，而5G技术具有的高速率、低时延、大连接等特点与地铁应用场景非常契合。1）高速率需求：相比于4G网络，5G网络的数据传输速率成倍提高。通过5G网络，乘客在站厅站台公共区和隧道区间车厢中，可体验更加快速的网络服务。运营工作人员也可快速下载相关工作文件，更加高效地完成工作。2）低时延需求：地铁无人驾驶等业务需要高可靠连接，且时延要求达到毫秒级，5G低时延特性满足此需求。3）大连接需求：5G 技术支持大量设备低功耗接入网络，可以为地铁智能运维系统提供数据基础。通过对5G技术在地铁中的应用需求分析可以看出，5G技术与地铁部分业务契合度较高，可以为地铁运营维护提供较强的技术支持。54Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 20233地铁5G公网建设难点2019年5G牌照正式发放，5G公网建设由此拉开序幕，地铁如何快速实现5G公网建设，急需在行业内尽快得到解决。地铁5G公网建设的难点如下。1）既有设备不支持 5G 频段：已建线路无线网络覆盖的漏缆和器件等既有设备不支持 3.43.6 GHz频段。2）传播损耗大：4G 主要工作频段在 1.82.6 GHz，损耗约 5 dB/100 m，5G 主要工作频段为 2.6 GHz（中国移动）和 3.43.6 GHz（中国联通/中国电信），其中3.43.6 GHz频段的传播损耗约 11 dB/100 m，相比 4G 频段的传播损耗增加幅度较大，大大缩小了无线网络的覆盖范围。3）电源要求高：采用 4G 网络的线路区间无线覆盖设备间隔可达600 m，由于5G传播损耗大，为满足使用需求，采用5G网络的区间无线覆盖设备最大间隔约450 m，相较于4G网络，新建或改造线路的区间设备和机房设备都需增加，5G建设用电量是以往4G网络的35倍，造成建设和运营维护成本的大幅度增加。4）设计标准不统一：对于 5G 技术在地铁中的应用场景，仍未有统一的建设标准，后续有待实践验证，形成统一的设计标准。5）既有线路调研难度大：前期既有线路 5G公网建设归属权各个城市不尽相同8，运营商或地铁公司都有参与，后续由铁塔公司统一建设，总体调研难度较大。6）既有线路改造工作量大：由于早期地铁室分系统多采用传统室分建设模式，轨道运行区采用13/8漏泄电缆覆盖，地铁内安装的无源器件，例如天线、功分器、耦合器、多系统合路平台（POI）、漏泄电缆等，以 7002 700 MHz 频段为主，难以支持电信和联通 5G 的 3.43.6 GHz 频段，故原分布系统设备针对5G网络兼容性较差，改造既有线路实现5G无线网络覆盖，需对既有分布系统设备进行替换，改造量大，施工窗口期小，5G新增需求资源协调也有一定困难。4地铁5G公网建设思路4.1地铁新线5G公网建设思路在地铁新线建设初期，应与运营商充分沟通相关需求，了解运营商后续的接入系统和频段规划，充分考虑5G公网建设需预留的相关条件。地铁新线5G公网建设主要涉及5个方面：系统与频段需求、无线网络覆盖、电源配套、光缆布置和设备配置。4.1.1系统与频段需求在地铁建设中，由于土建施工后具有不可逆性，在前期应考虑各系统功能的扩展，预留一定的升级条件。5G通信相关应用场景不仅