Toepassing van 5G in stedelijk spoorvervoer

I. 5G Overzicht

( I ) 5G-sleuteltechnologie Ten eerste: grootschalige antenne-arraytechnologie-. Door een groot aantal antennes te plaatsen, kunnen antenne-arrays op grote-schaal ruimtelijke multiplexing met hoge-dichtheid realiseren en de spectrale efficiëntie en capaciteit van het systeem verbeteren. Hierdoor kan 5G hoge-snelle, stabiele verbindingen bieden voor een groot aantal gebruikers en voldoen aan hun groeiende communicatiebehoeften. Ten tweede, millimetergolftechnologie. Millimetergolven verwijzen naar elektromagnetische golven met een frequentie van 30-300 GHz, die een hogere transmissiesnelheid en een kortere transmissieafstand hebben.. 5G-toepassing van millimetergolftechnologie kan hogere transmissiesnelheden en lagere vertragingen bereiken, waardoor gebruikers snellere gegevenstransmissiesnelheden en een betere service-ervaring krijgen. Ten derde: een ultra-dicht netwerk. Terwijl traditionele mobiele communicatienetwerken voornamelijk gebruikmaken van de dekking van macrobasisstations, gebruikt 5G meer microbasisstations en kleine basisstations om een ​​ultra-dicht netwerk te vormen. Dit soort netwerk kan een hoger hergebruik van spectrum en betere dekkingsprestaties realiseren, waardoor een betere servicekwaliteit en gebruikerservaring wordt geboden. Ten vierde, netwerk-slicing-technologie. Network slicing verwijst naar de verdeling van netwerkbronnen in meerdere onafhankelijke virtuele netwerken, die elk optimaal kunnen worden geconfigureerd op basis van verschillende applicatievereisten. Deze technologie kan gepersonaliseerde diensten en aangepaste netwerkervaring bieden voor verschillende toepassingsscenario's, afhankelijk van de specifieke behoeften van de toepassingsscenario's. (ii) 5G-netwerkarchitectuur Vergeleken met 4G vertoont 5G een aantal significante verschillen. Ten eerste maakt 5G gebruik van een innovatieve gedistribueerde kernnetwerkarchitectuur, waardoor de kernnetwerkfuncties dicht bij de eindapparaten worden ondergebracht. Deze wijziging helpt de communicatielatentie te verminderen en biedt betere ondersteuning voor realtime-applicaties. Ten tweede introduceert 5G mobile edge computing (MEC), waarbij de functies van applicatieservers naar de centrale hostruimte worden overgebracht. Dit ontwerp maakt real-verwerking van enorme hoeveelheden gegevens mogelijk, wat de efficiëntie van de gegevensverwerking verbetert en de netwerkbelasting vermindert.. 5G herdefinieert ook de functies van de basisbandeenheid (BBU) van het gebouw en de externe radio-eenheid (RRU). Door de fysieke laagchip te scheiden van de BBU en deze in de RRU te plaatsen, wordt de pre-transmissiecapaciteit verminderd en worden de kosten verlaagd, waardoor de netwerkindeling flexibeler en efficiënter wordt.. 5G past ook netwerkfunctiesvirtualisatie (NFV)-technologie toe om de hardware- en softwarefuncties van speciale telecomapparatuur over te dragen naar een virtuele machine, wat de flexibiliteit en schaalbaarheid van het netwerk verder verbetert. Dit verbetert de flexibiliteit en schaalbaarheid van het netwerk verder. Ten slotte brengt 5G een verbinding tot stand tussen de core-cloud en de edge-cloud, waarbij virtuele machines in de edge- en core-clouds in kaart worden gebracht via een software-gedefinieerde netwerk (SDN)-controller. Dit ontwerp maakt gecentraliseerde controle van netwerk-slicing mogelijk, waardoor de intelligentie van het netwerk verder wordt verbeterd. Op basis van NFV/SDN-technologie verdeelt 5G het fysieke netwerk in meerdere virtuele netwerken (netwerkplakken), die elk zijn gericht op verschillende toepassingsscenario's. Dit ontwerp realiseert logische onafhankelijkheid, wederzijdse niet-interferentie en gecentraliseerd beheer door SDN-controllers, waardoor het netwerk efficiënter wordt.

II. 5G Toepassingspaden in stedelijk spoorvervoer

(a) Treincontrole- en dispatchingsysteem Bij stedelijk spoorwegvervoer vormt het treincontrole- en dispatchingsysteem het kernonderdeel, dat rechtstreeks van invloed is op de veiligheid en efficiëntie van het treinverkeer. Het treincontrole- en dispatchingsysteem is voornamelijk afhankelijk van traditionele communicatieapparatuur zoals railcircuit, lekkende kabel en draadloos gespreid spectrum, dat de tekortkomingen heeft van lage transmissiesnelheid, hoge vertraging, enz., en het is moeilijk om aan de behoeften van modern stedelijk spoorvervoer te voldoen, en de toepassing van 5G kan revolutionaire veranderingen in het treincontrole- en dispatchingsysteem teweegbrengen. Met 5G kunnen treinen in realtime besturingssignalen ontvangen en verzenden, waardoor nauwkeurige controle wordt gerealiseerd. Door gebruik te maken van de lage-latency-eigenschappen van 5G kunnen treinen tijdige feedback geven over hun bedrijfsstatus en commando's ontvangen, waardoor het dispatchingscentrum real-informatie kan verzamelen, zoals de positie en snelheid van de trein, en zo de dispatching nauwkeuriger kan uitvoeren. Tegelijkertijd ondersteunt 5G ook high-definition videotransmissie, waardoor betrouwbaardere gegevensondersteuning wordt geboden voor treinmonitoring en veiligheidswaarschuwingen. (II) Passagiersinformatieservicesysteem Het passagiersinformatieservicesysteem is een belangrijk servicesysteem dat rechtstreeks gericht is op passagiers in het stadsvervoer per spoor. Het systeem voor passagiersinformatiediensten is voornamelijk afhankelijk van traditionele media zoals metro-tv, radio, enz., die een sterke unidirectionele informatieoverdracht en een beperkte informatie-inhoud hebben, terwijl de toepassing van 5G passagiers rijkere, realtime informatiediensten kan bieden. Ten eerste kan de metro door de toepassing van 5G high-definition video, audio en andere multimedia-informatie in realtime ontvangen en verzenden, waardoor passagiers rijkere informatiediensten krijgen. Passagiers kunnen de aankomsttijd van de trein, stationinformatie, weersvoorspelling en andere informatie in realtime kennen via het beeldscherm in de metro, mobiele telefoons en andere eindapparaten. Ten tweede kunnen er, door gebruik te maken van de kenmerken van de brede dekking van 5G, meerdere informatieverzamelpunten langs de metro worden opgezet, zodat in realtime informatie over de omgeving kan worden verzameld en verzonden, commerciële advertenties, enz., om passagiers meer gepersonaliseerde informatiediensten te kunnen bieden. Wanneer de trein zich bijvoorbeeld dicht bij het commerciële gebied bevindt, kunnen commerciële advertenties en voorkeursinformatie naar passagiers worden gestuurd om onafhankelijk verbruik te vergemakkelijken. (III) Systeem voor veiligheidsmonitoring en respons op noodsituaties Het systeem voor veiligheidsmonitoring en respons op noodsituaties is een onmisbaar onderdeel van het stadsvervoer per spoor. Het veiligheidsmonitoring- en noodresponssysteem is voornamelijk afhankelijk van traditionele middelen zoals videomonitoring en systeemalarmen, die tekortkomingen hebben zoals een lage transmissiesnelheid en een trage reactiesnelheid, terwijl de toepassing van 5G de gegevensoverdracht en verwerkingscapaciteit van het veiligheidsmonitoring- en noodresponssysteem kan verbeteren. Door 5G toe te passen kan het monitoringsysteem video-, audio- en andere gegevens met hoge resolutie in realtime naar het monitoringcentrum verzenden, waardoor een betrouwbaardere videobron voor beveiligingsmonitoring ontstaat. Het bewakingscentrum kan veiligheidswaarschuwingen en detectie van afwijkingen uitvoeren op basis van het realtime bewakingsscherm, zodat veiligheidsproblemen tijdig kunnen worden ontdekt en aangepakt. In geval van een noodsituatie kan de metrotrein, met behulp van de lage latentie-eigenschappen van 5G, snel het noodhulpsysteem activeren, noodsignalen naar de meldkamer sturen en om ondersteuning en begeleiding vragen. De meldkamer kan een oordeel vellen en snel een dispatching uitvoeren op basis van de real-situatie, en het relevante noodplan starten om de levens van passagiers te beschermen. (vier) auto-grondcommunicatiesysteem auto-grondcommunicatiesysteem is het belangrijkste onderdeel van de metro en grondapparatuur, faciliteiten voor gegevensinteractie. Het voertuig-grondcommunicatiesysteem is voornamelijk afhankelijk van lekkende kabels, Wi-Fi en andere traditionele communicatieapparatuur. Er zijn signaalpenetratieproblemen, lage transmissiesnelheid en andere tekortkomingen, en de toepassing van 5G kan een betrouwbaarder en efficiënter datatransmissiekanaal bieden voor het voertuig-grondcommunicatiesysteem. Door 5G toe te passen kunnen metrotreinen in realtime communiceren met grondapparatuur en faciliteiten, waardoor voertuig-grondgeïntegreerde informatieoverdracht en -verwerking wordt gerealiseerd. De metro kan bijvoorbeeld verzoeksignalen naar de intelligente verkeerslichten langs de lijn sturen, met het verzoek de signaallengte aan te passen aan de behoeften van het treinverkeer. Grondapparatuur kan ook besturingsinstructies en statusinformatie naar de trein sturen, waardoor coöperatieve werking van voertuigen op de grond wordt gerealiseerd. Met behulp van de lage-vermogenskenmerken van 5G kan voedingsapparatuur met een langere continue voedingstijd worden ontworpen of kan de voedingsmethode van de apparatuur worden geoptimaliseerd om de bedrijfstijd van de apparatuur te verlengen en de stabiliteit van de voertuigcommunicatie op de grond te verbeteren.

III. Belangrijkste problemen en oplossingen voor 5G-toepassing in stedelijk spoorvervoer

(I) Probleem met signaaldekking Vanwege de complexe omgeving van het stedelijke spoorvervoer hebben speciale omgevingen zoals tunnels en metrostations hogere eisen gesteld aan de signaaldekking.. 5G-signalen kunnen in deze speciale omgevingen ernstige signaalverzwakking ervaren, wat resulteert in het onvermogen om het signaal continu te dekken, wat op zijn beurt de stabiliteit van de communicatie beïnvloedt. Om het signaaldekkingsprobleem op te lossen, moeten 5G-signalen worden verbeterd en moet het signaaldekkingsbereik worden uitgebreid door het aantal basisstations te vergroten en de antenne-indeling te optimaliseren. In speciale omgevingen wordt signaalverbeteringstechnologie gebruikt, zoals lekkende kabels, lekkende kabels gecombineerd met macrobasisstations, enz., om het signaal te compenseren en te verbeteren. Optimaliseer voor verschillende scenario's en houd rekening met factoren zoals frequentieband, antennetype en zendvermogen om het beste signaaldekkingseffect te bereiken. Antennes kunnen worden gebruikt voor 5G-signaaldekking in depots, stations, parkeerterreinen en binnen- en buitenscenario's van stedelijke spoorvoertuigen. Het verlies aan vrije ruimte is: L=32.4+20lg(F)+20lg(D) Waarbij: L het verlies aan vrije ruimte is, dB; F is frequentie, MHz; D is afstand, km. Bij het ontwerpen van een draadloze signaaldekkingsoplossing voor stedelijke spoortunnelsecties moeten meerdere factoren uitvoerig in overweging worden genomen. Ten eerste moet, om de kwaliteit en stabiliteit van de signaaloverdracht te garanderen, rekening worden gehouden met het transmissieverlies door lekkage via de kabel. Bij het ontwerp van de sectiedekkingsoplossing moeten coaxkabels met een lager verlies aan lekkabeltransmissie worden geselecteerd om de signaalverzwakking te verminderen. Ten tweede moet er rekening worden gehouden met koppelingsverlies. Koppelingsverlies verwijst naar de signaalverzwakking veroorzaakt door onderlinge interferentie tussen coaxkabels. In de ontwerpoplossing moeten coaxkabels met een lager koppelverlies worden geselecteerd om signaalinterferentie te verminderen. Ten derde moeten voertuigafschermingen en andere extra koppelingsverliezen in overweging worden genomen. Voertuigafscherming verwijst naar het afschermende effect van grondvoertuigen in de tunnel op draadloze signalen, wat signaalverzwakking kan veroorzaken. In de ontwerpoplossing moet geschikte signaalversterkingsapparatuur worden geselecteerd om het verlies veroorzaakt door voertuigafscherming te compenseren. Tegelijkertijd moet ook rekening worden gehouden met andere mogelijke extra koppelingsverliezen, zoals interferentie van tunnelconstructies en materialen op signalen. (II) Probleem met het schakelen van sectiesignalen In het stedelijke spoorwegvervoersysteem zullen treinen door verschillende secties rijden, en de signaaldekking en interferentieomstandigheden van elke sectie zijn ook verschillend. Daarom is seinomschakeling vereist wanneer een trein van de ene sectie naar de andere rijdt. In het stedelijke spoorwegvervoersysteem dat 5G gebruikt, moet bij het schakelen tussen seinen aandacht worden besteed aan de volgende twee belangrijke kwesties. Ten eerste: naadloze signaalwisseling. Tijdens het reizen van de trein zijn de seinomstandigheden in elke sectie anders, waardoor de trein van sein moet wisselen. Dit vereist dat het seinwisselproces zo naadloos mogelijk verloopt zonder dat dit gevolgen heeft voor de communicatiediensten in de trein. Naadloos schakelen vereist het oplossen van het vertragingsprobleem in het schakelproces om nauwkeurige gegevensoverdracht tijdens het schakelproces te garanderen. Ten tweede: optimalisatie van sectieschakeling. In stedelijke spoorvervoersystemen passeren voertuigen gewoonlijk meerdere secties, en de signaalomstandigheden en netwerkkwaliteit van elke sectie kunnen verschillend zijn. Daarom is het noodzakelijk om de beste sectie te selecteren voor het schakelen tussen intelligente algoritmen of optimalisatie-algoritmen om de communicatiekwaliteit en efficiëntie te verbeteren. Dit vereist dat het systeem tijdens het schakelproces de signaalcondities en kwaliteit van elke sectie in realtime kan bewaken en evalueren, en op basis van deze informatie schakelbeslissingen kan nemen. (III) Problemen met bandbronnen Bij stedelijk spoorvervoer zijn de bandbronnen van het communicatiesysteem beperkt. Vergeleken met 4G heeft 5G een hogere datatransmissiesnelheid, een lagere latentie en meer verbindingen, waardoor er bredere bandbronnen nodig zijn. De bestaande bandbreedtebronnen zijn echter beperkt en het is moeilijk om te voldoen aan de grootschalige toepassing van 5G in het stedelijk spoorvervoer. Bij stedelijk spoorvervoer stellen verschillende diensten verschillende eisen aan bandbronnen. Het redelijkerwijs toewijzen en beheren van frequentiebandbronnen, het vermijden van conflicten en interferentie en het garanderen van de normale werking van verschillende diensten zijn de belangrijkste problemen waarmee de toepassing van 5G in het stedelijk spoorvervoer te maken krijgt. Om het probleem van de frequentiebandbronnen op te lossen, moeten de overeenkomstige frequentiebandbronnen redelijkerwijs worden toegewezen in overeenstemming met de behoeften en kenmerken van verschillende diensten. Voor treincontrole- en veiligheidsdiensten moet bijvoorbeeld eerst de stabiliteit van hun frequentiebandbronnen worden gegarandeerd. Bovendien moeten de optimalisatie en het beheer van de frequentiebandbronnen worden versterkt en moeten intelligente plannings- en beheersystemen worden toegepast om de frequentiebandbronnen dynamisch toe te wijzen en te beheren. Tegelijkertijd kunnen enkele nieuwe technologieën voor frequentiebandbronnen, zoals hoogfrequente banden en millimetergolven, worden toegepast om de gebruiksefficiëntie van frequentiebandbronnen te verbeteren. (IV) Compatibiliteitsproblemen met apparatuur Vergeleken met 4G kent 5G grote verschillen in spectrum, modulatiemodus, netwerkarchitectuur, enz., waardoor het voor veel bestaande 4G-apparaten moeilijk wordt om rechtstreeks naar 5G te upgraden. Daarom moet er een groot aantal 5G-specifieke apparatuur worden aangeschaft, wat de kosten van de transformatie verhoogt. Er zijn veel soorten communicatieapparatuur in het stadsvervoer per spoor, zoals treincontrolesystemen, signaalsystemen, veiligheidsbewakingssystemen, enz., En elk systeem heeft zijn eigen communicatieprotocollen en standaarden. Bij de introductie van 5G is het een kwestie die de aandacht verdient hoe de compatibiliteit van deze systemen met 5G-apparatuur kan worden gegarandeerd. Als er compatibiliteitsproblemen zijn met de apparatuur, kan dit leiden tot geblokkeerde signaaloverdracht, fouten bij de gegevensuitwisseling, enz., waardoor de stipte werking van treinen wordt beïnvloed. Er zijn de volgende maatregelen om het probleem van de compatibiliteit van apparatuur op te lossen. Ten eerste moeten de compatibiliteitstests en -verificaties van 5G-apparatuur met bestaande systemen worden versterkt, waaronder de evaluatie van de compatibiliteit van apparatuur en systemen van verschillende fabrikanten, en de formulering van uniforme communicatieprotocollen en -standaarden om stabiele communicatie tussen de twee te garanderen en interoperabiliteit te bereiken. Ten tweede moet de toepassing van 5G in het stedelijk spoorvervoer actief worden gepromoot, en moeten fabrikanten van apparatuur en wetenschappelijke onderzoeksinstellingen worden aangemoedigd om samen te werken om gezamenlijk apparatuur en systemen te ontwikkelen met een hogere compatibiliteit. Ten slotte moet bij de aanschaf en selectie van apparatuur volledig rekening worden gehouden met de compatibiliteit van apparatuur met 5G om verschillende problemen te voorkomen die worden veroorzaakt door latere transformatie en vervanging.

Uit -diepgaand onderzoek naar de toepassing van 5G in het stedelijk spoorvervoer blijkt dat 5G ongekende mogelijkheden heeft gebracht voor het stedelijk spoorvervoer, waardoor het communicatiesysteem efficiënter, veiliger en betrouwbaarder is geworden. Er zijn echter nog steeds enkele problemen bij de toepassing van 5G in het stadsvervoer per spoor, zoals signaaldekking, intervalsignaalschakeling, frequentiebandbronnen en compatibiliteit van apparatuur. Bij praktische toepassingen is het noodzakelijk om deze factoren volledig in overweging te nemen, technologisch onderzoek, ontwikkeling en innovatie te versterken en redelijke oplossingen te formuleren.