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业务量十分巨大，相应的施工难度也较大，在后期运营中，如果有其他需求而容量不足，对其进行扩容也是困难重重。因此，前期有必要对运营商的需求和频段划分进行全面分析9，最终确定合适方案。运营商频段划分见表1。由表1可以看出，中国移动在5G的使用频率范围是2 5152 675 MHz和4 8004 900 MHz。进一步调研分析其不同频段的应用分配情况可知：2 5152 675 MHz 频段主要用于部署 TD-LTE 和5G 网络，是 4G 网络和 5G 网络的主要覆盖频段；4 8004 900 MHz频段是5G的热点补充频段，以及行业专网频段，由于现在5G用户数量仍有限，2 5152 675 MHz频段已经足够承载，因此暂未在现网大规模部署使用。中国电信在5G使用的频率范围为 3 4003 500 MHz，中国联通则为 3 500表1运营商频段划分运营商中国电信中国移动中国联通系统名称CDMA800LTE 1.8GLTE 2.1G5G-3.5GGSM900GSM1800TD-LTE(F频段)TD-LTE(A频段)TD-LTE(E频段)TD-LTE(D频段)5G-2.6G5G-4.9GGSM900DCS&FDD-LTE1800WCDMA&FDD-LTE2100TDD-LTE23005G-3.5G频段/MHz上行8208351 7651 7851 9201 9403 4003 5008899091 7101 7351 8851 9152 0102 0252 3202 3702 5752 6352 5152 6754 8004 9009059151 7351 7651 9401 9802 3002 3203 5003 600下行8658801 8601 8802 1102 1309349541 8051 8309509601 8301 8602 1302 17055铁道通信信号 2023年第59卷第9期3 600 MHz。进一步调研分析其不同频段的应用分配情况可知：2019年9月，联通与电信签署了5G网络共建共享框架合作协议书10，正式宣布5G频段共建。电信、联通可在 3 4003 600 MHz（3.5 GHz频段）频率范围进行5G组网。中国电信和中国联通在继5G共建共享取得切实成效之后，加快 4G 一张网推进。2022 年 9 月1日，中国电信和中国联通5G共建共享工作组编制了中国电信与中国联通4G一张网规划编制指引11：1.8 GHz频段，电信和联通通过共建，双方 共 享 1 7351 785/1 8301 880 MHz，总 计50 MHz带宽；2.1 GHz频段，电信和联通通过共建，双方共享 1 9201 980/2 1102 170 MHz，总计60 MHz带宽。电信/联通共享1.8 GHz/2.1 GHz频段，升级为 4G/5G 动态频谱共享，室外基站、DAS室分系统、隧道漏缆都可以通过升级同时支持4G/5G。综上所述，电信/联通 1.8 GHz、2.1 GHz、3.5 GHz 频段均可进行地铁相关场景的 5G 应用，新线一般采用3.5 GHz频段进行5G组网。既有线根据线路实际情况可适当选择上述 3 个频段进行5G组网。4.1.2无线网络覆盖1）站厅站台根据业务量区分为公共区和设备区。公共区：地铁站厅、站台公共区人员密集，通信业务需求大，无线覆盖可采用有源室分和无源室分方式；虽然无源室分造价较低，但实际无线覆盖效果稍差，因此在重要场所，例如站厅站台公共区乘客主要聚集处，建议采用有源室分系统进行覆盖，重点满足大容量数据吞吐量需求。设备区：地铁站厅、站台设备区机房集中，每个房间进行无线覆盖较困难，成本较高，且工作人员较少，对无线通信的需求量不高；为充分考虑建设和运营维护需求，推荐采用无源分布系统实现无线覆盖，重点满足无线信号覆盖需求。2）隧道覆盖。在区间隧道里进行无线网络覆盖时，由于其地点具有特殊性，不仅要求设备尺寸要尽量小，同时也要保证设备的供电和安全性都要满足地下空间的使用要求。以往地铁区间无线覆盖主要是采用漏缆，可以较好地解决上述问题，所以5G公网的覆盖同样考虑采用漏缆，建议选用5/4漏缆12，通过对各城市隧道区间的安装空间进行考察，建议采用4缆或双缆部署。其中，4缆部署是指采用4根5/4漏缆覆盖，若中国移动要求采用13/8漏缆进行5G覆盖，采用2根5/4漏缆、2根13/8漏缆覆盖；双缆部署是指采用 2根 5/4漏缆覆盖，所有频段均接入2根漏缆中。4.1.3电源配套运营商根据自身设备的数量及用电需求，配置相应的开关电源和交直流配电屏。通过对线缆路径的长度和压降进行计算，选定相关电源线线径，地铁提供接地条件。4.1.4光缆布置及设备配置建议每站机房至无线设备点位各布放 1 条光缆，每车站引出1条光缆，站与站间每侧隧道各布放1条联络光缆，换乘站间单线布放1条联络光缆。根据工程需求配置光缆芯数。无线传输设备采用最新设备型号，支持5G关键特性。4.2地铁既有线改造5G公网建设思路对于已运营的地铁线路要进行 5G 公网改造13，只能在运营结束后进行施工，且地下资源较难协调，需要针对具体情况，确定合适的改造方案，以减少改造工程量。4.2.1站厅站台区域在站厅站台区域，主要解决运营商站厅站台公共区的5G公网覆盖。建议更换既有有源设备并新增 E 站，新增 E 站用于在地铁站厅站台美化安装5G微站，实现通信设施与环境的完美融合。在地铁E站综合机柜内，上柜可放置微站远端设备，下柜放置射频拉远单元集线器，上下柜连接处可放置移动充电宝，供后续开展移动充电宝业务。外表面提供广告灯箱，可以进行平面广告投放。通过在站厅、站台公共区两侧放置2个E站，实现站厅（除出入口）、站台公共区的5G公网覆盖。原点位更换对既有车站破坏性小，对站厅站台的美观性影响较小，可以快速进行5G公网改造，改造工程量适中。4.2.2隧道区间区域在隧道区间区域，需要根据地铁公司是否同意开放新的漏缆安装空间及原漏缆断点间距大小等情况，选择不同的方案。1）在地铁公司同意开放新的漏缆安装空间，并允许进场实施的情况下，建议新增2根5/4高频漏缆，漏缆间距不小于 300 mm，接入 5G 频段；5/4高频漏缆兼顾8003 700 MHz频段，根据表1对电信、联通5G频段的分析，采用3.5 GHz频段56Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 2023能够快速实现电信/联通5G公网覆盖，对原有分布系统影响小。2）在地铁公司不同意新增漏缆的情况下，由于既有线路区间一般采用13/8漏缆，仅支持8002 700 MHz 频 段，无 法 实 现 电 信/联 通 3 4003 600 MHz（3.5 GHz频段）的5G网络覆盖。建议将原POI替换为满足移动2.6 GHz全频段、联通或电信1.8/2.1 GHz全频段的POI。在2.6 GHz频段上支持移动5G，在1.8/2.1 GHz频段上支持联通/电信5G，能够快速实现5G公网覆盖，仅需要改造POI，对原分布系统影响小，改造工程量小，可实施性较高。5实际应用地铁运营管理主要由面向乘客服务和面向运营维护2部分组成。面向乘客服务以“提升人性化服务水平、为乘客创造优质环境”为目标；面向运营维护以“关爱、关心运维人员，营造舒适、温馨的工作环境，优化统一运营生产设备管理”为目标。5G技术在各城市地铁中的应用情况见表2。5.1面向乘客服务的5G通信应用1）地铁全线 5G 通信技术的应用。目前地铁全线实现的5G应用主要是为乘客提供高速的网络环境。由表2可以看出，郑州地铁、京港地铁、杭州地铁在部分线路全线实现了 5G 网络的无线覆盖，使得站厅、站台的网络下载速率得到了大幅度提高，为乘客提供了更加便利的乘车环境。2）地铁新线试点站 5G 通信技术的应用。长春地铁2号线文化广场站采用5G技术，在5G互动体验区内实现5G高清视频直播、5G无人机VR直播，以及 5G低延迟机械臂，充分展现了 5G网络的超低时延、超高速率的特点。成都地铁、大连地铁在新线试点站，实现了5G网络的无线覆盖，使站厅站台的网络下载速率得到了大幅度提高，为乘客提供了更加便利的乘车环境。5.2面向运营维护的5G通信应用表2中深圳地铁11号线采用的5G车载数据快速传输技术14，是5G技术在车载信息系统方面的应用。该方案通过一种工作在60 GHz毫米波频点的点对点数据传输设备，利用地铁列车进站停靠的时间完成列车前一行程段中产生的车载监控视频数据向地面设备的高速传输，实现了列车停靠时的5G车载数据快速传输，但列车运行时车载数据的高速传输还有待研究。可以看出，5G技术在面向运营维护的实际应用方面还不够完善，且应用点也比较少，未来需进行更多的探索和尝试。6结论1）目前虽然各城市已陆续开展 5G 技术在地铁中的应用，但主要还是在5G公网的基础上开展部分应用，且面向乘客服务的应用较多，针对运营维护管理的应用较少。今后，建议地铁公司与运营商对5G建设的模式做进一步的沟通，在面向乘客服务和面向运营管理上探索更加广泛的合作可能。鉴于此，未来地铁5G通信技术的应用，不仅要在面向乘客的5G通信应用上继续深挖，尽量为乘客提供更高效、科技感更强的乘车环境，例如5G智慧出行、5G智慧乘车15，依托5G技术低时延、高可靠等特点，通过面部识别、智能分析等技术，基于5G网络实现乘客无感通行、智慧过闸等功能；更应该在面向运营的5G通信应用上扩展思维，在更多的运营场景中使用5G技术，为运营工作人员提供更加高效安全的运营手段。例如：智慧巡检，在地铁建设期间，通过5G网络将地铁工地高清视频回传，基于大数据分析对工地进行智能化、可视化全景管控和分析，对危险行为实时告表25G技术在地铁中的应用情况地铁线路成都地铁10号线太平园站大连地铁1号线大连北站长春地铁2号线文化广场站杭州地铁16号线郑州5号线京港地铁16号线北段深圳地铁11号线覆盖区域站厅站厅站厅5G互动体验区全线全线全线全线说明基于5G网络的Wi-Fi热点,下载峰值超过600 Mbit/s基于5G网络的Wi-Fi热点,下载峰值超过600 Mbit/s基于5G网络的Wi-Fi热点,下载峰值超过900 Mbit/s基于5G网络的Wi-Fi热点,下载峰值超过700 Mbit/s基于5G网络的Wi-Fi热点,下载峰值超过700 Mbit/s基于5G网络的Wi-Fi热点,下载峰值超过900 Mbit/s5G技术实现车载数据快速传输,下载峰值超过1 500 Mbit/s57铁道通信信号 2023年第59卷第9期警，并支持时间跟踪和回溯；5G智慧运维16，依托 5G的海量机器通信（mMTC），通过前端物联网传感器可将轨旁设备检测、电梯检测、电源/线缆检测、环境检测、温度检测等信息通过5G网络实时回传至智能运维监控平台，通过大数据分析处理后进行检测告警推送，实现地铁智能运维。2）5G技术广泛应用带来的网络安全问题也应得到高度重视。地铁是面向大众的交通工具，如何确保地铁5G通信应用的网络安全至关重要，需进行更加全面和深入的研究。参考文献1 陶潇然.5G技术在地铁无线专网中的应用探讨J.现代城市轨道交通,2021(12):91-95.TAO Xiaoran.Application of 5G Technology-based Wireless Private Network in MetroJ.Modern Urban Transit,2021(12):91-95.2 黄霁.5G无线通信技术在城市轨道交通中的应用探讨J.都市快轨交通,2019(5):33-37.HUANG Ji.Application of the Fifth-generation(5G)Wireless Communications Technology in Urban Rail TransitJ.Urban Rapid Rail Transit,2019(5):33-37.3 沈华.高铁隧道5G公网覆盖方案研究J.铁道通信信号,2021(9):42-47.SHEN Hua.Research on Coverage Scheme of 5G Public Network in High-speed Railway TunnelJ.Railway Signalling&Communication,2021(9):42-47.4 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