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5G通信技术在城市轨道交通中的应用探讨

随着5G通信技术深入研究和发展，可以总结出5G通信技术的一些技术优

势和特点，尝试通过分析和比较这些优势和特点，讨论应用5G技术可能解决城

市轨道交通系统中存在的一些瓶頸和潜在问题，这些问题的解决对城市轨道交通

系统发展有重要意义。

标签：城市轨道交通；信号系统；第5代移动通信技术；长期演进；端对

端

0引言

基于4G网络技术的城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M，地铁长期

演进系统），由于其移动性高（相对移动速度≥350km/h）、覆盖范围大、抗干扰

能力强、业务优先级调度算法先进，逐渐取代基于无线局域网（WLAN）的车地

通信系统。随着2016年中国城市轨道交通协会发布《城市轨道交通车地综合通

信系统（LTE-M）规范》，LTE-M系统成为新建城市轨道交通线路的首选车地通

信系统。同时，应用LTE通信网络在地上和地下城市轨道交通运营线的广泛覆

盖，也给乘客上网和视频通话提供了方便。但在实际应用和测试中发现，应用于

城市轨道交通的LTE-M带宽受频谱资源限制，综合承载能力有限；受LTE-M

延时影响，基于通信的列车控制（CBTC）系统性能受限。

目前各国正在积极推进第5代移动通信（5G）技术的研发和相关标准制定

工作。国务院在2016年11月印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》

中对5G技术已有明确方向：“大力推进第5代移动通信（5G）联合研发、试

验和预商用试点”，同时对轨道交通行业也提出了明确的要求：“强化轨道交通装

备领先地位。推进轨道交通装备产业智能化、绿色化、轻量化、系列化、标准化、

平台化发展，加快新技术、新工艺、新材料的应用”。地方企业、科研单位已开

始进行关于轨道交通信息化和高速移动下的5G研究。北京市科委表示，未来

地铁新建线将预留5G信号空间[1]。工信部表示，力争2020年启动5G商用

[2-3]。通信系统作为城市轨道交通重要的系统之一，5G新技术的推进为城市轨

道交通发展增加了新的动力。

15G技术概述

1.15G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[4]，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。

1.2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[5]，

如图1所示。

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[6]。

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。

2城市轨道交通5G应用

2.1高速通信

目前城市轨道交通LTE-M系统使用1785～1805MHz频段[7]，但受各地

方频率资源使用限制，一般只批准其中的10MHz带宽用于城市轨道交通。考

虑到信号系统安全可靠的需求，把10MHz带宽又分为A、B双网（5