5G在城市軌道交通中的應用前景分析

鄒勁柏 張科博 洪 翔 張海娟

(1. 上海應用技術大學軌道交通學院，201418，上海；2. 上海申通地鐵集團有限公司技術中心，201103，上海//第一作者，教授級高級工程師)

5G指的是第5代移動通信技術。自4G逐漸普及之后，5G已經成為通信行業的熱點話題。目前我國已經劃撥了位于3.5 GHz頻段的200 MHz頻譜給5G試驗，預計2020年左右商用。無論是從標準還是從頻點規劃角度，5G試驗對整個通信行業都將起到非常積極的作用，試驗有望推動5G標準的制定和整個產業鏈的成熟。

5G將成為重要的移動通信系統，在頻譜利用率和資源利用率等方面，體現了更高的水平。5G移動通信具有能耗低、通信性能良好和頻譜利用率高等特點，目前正在不斷向智能化和自動化等方向發展。

5G無疑具有較好的發展前景。但4G技術剛開始在城市軌道交通行業內推廣應用，因此5G技術的應用發展是一個需要業內思考和認識的問題。

1 5G的特點及優勢

1. 1 5G的特點

5G已成為我國通信領域的一大重要研究課題，其發展呈現出新的特點。

1) 5G研究更傾向于在增強用戶體驗的同時推進其技術不斷變革,網絡平均吞吐速率、傳輸時延，以及對虛擬現實、3D、交互式游戲等新興移動業務的支撐能力等將成為衡量5G性能的關鍵指標。

2) 與傳統的移動通信系統理念不同,5G將不僅僅把點到點的物理層傳輸與信道編譯碼等經典技術作為核心目標,而是從更為廣泛的多點、多用戶、多天線、多小區協作組網作為突破重點,力求在體系構架上尋求系統性能的大幅度提高。

3) 高頻段頻譜資源將更多地應用于5G,但由于受到高頻段無線電波穿透能力的限制,無線與有線的融合及光載無線組網等技術將被更為普遍地應用。

4) 可“軟”配置的 5G 無線網絡將成為未來重要的研究方向,運營商可根據業務流量的動態變化實時調整網絡資源,有效地降低網絡運營的成本和能源的消耗。

1. 2 4G和5G的技術性能對比分析

4G和5G技術性能對比分析如表1所示。

表1 4G與5G對比表

2 城市軌道交通無線通信的發展和需求

2. 1 發展歷程

2. 1. 1 無線列車調度系統

列車調度是城市軌道交通領域最早采用無線通信技術的場合。20世紀60年代北京地鐵的150 MHz列車調度系統，采用的是模擬無線通信技術，該技術一直發展到2000年前后。上海地鐵引進的BOSCH無線系統以及出口伊朗德黑蘭的國產450 MHz列車調度系統，采用的都是該技術。2000年后，廣州地鐵率先采用800 MHz TETRA(陸上集群無線電)系統組網建設，該技術相當于2G水平，較為成熟可靠。目前，4G在國內地鐵行業內已逐步得到運用，廣州、溫州、烏魯木齊、寧波等城市的地鐵，采用了基于LTE(長期演進)承載集群語音調度通信的B-TRUNC標準。

2. 1. 2 列車控制

目前,國內地鐵CBTC(基于通信的列車控制)基本上都采用2.4 GHz頻段，并基于WLAN(無線局域網)技術建設車地無線網絡。由于CBTC車地無線通信系統承載的是列車控制信息，涉及行車安全性能，對系統的安全性及可靠性要求較高，因此該系統需具備獨立輸出傳輸通道及可靠冗余的通信信道。

近年來，如武漢、上海、蘇州、寧波等城市的地鐵已開始采用LTE技術承載CBTC系統。考慮安全性等因素，列車控制系統的車地傳輸普遍采用了物理上獨立的獨享LTE網絡。

2. 1. 3 乘客信息系統

乘客信息系統(PIS)的車地無線傳輸技術，主要包括數字電視廣播及基于IEEE 802.11的WLAN、LTE-M和EUHT(超高速移動通信)等無線寬帶技術。

2. 1. 4 車輛監控系統

通過車地無線網絡傳遞車輛視頻監控信息至地面控制中心,主要通過WLAN傳輸。

2. 2 需求分析

除了上述的CBTC、列車調度、PIS、CCTV(閉路電視)等車地無線應用之外，車輛在途的監測數據也需要借助無線車地傳輸通道。隨著移動互聯網技術的發展、無人駕駛模式的推廣、智慧地鐵的建設、大數據的應用及地鐵管理水平的提高，地鐵移動辦公、車輛大數據采集及軌旁監測數據采集亦對無線通信的帶寬提出了更大的需求。這些應用對無線通道的需求各不相同，有些要求高可靠，有些要求高帶寬，而有些則要求低功耗，總體而言需要一個適應業務種類多、安全要求高及帶寬差異化大的車地傳輸網絡。

根據中國城市軌道交通協會相關指導文件要求、城市軌道交通車地數據傳輸需求，以及未來需要承載的業務，對主要帶寬的要求如表2所示。

城市軌道交通對車地傳輸帶寬的需求逐年增加，但技術從誕生到穩定，需結合城市軌道交通自身的特點，綜合考慮包括技術先進性、適用性、可靠性及產業鏈的成熟度等諸多因素不斷進行創新和完善。

3 5G應用前景分析

3. 1 5G的關鍵技術

5G的關鍵技術主要是大規模多天線傳輸技術(Massive MIMO)，該技術具有較高的傳輸頻率，且擁有密集的網絡技術和新型的網絡架構。

表2 城市軌道交通無線通信需求分析表

3. 1. 1 更高的無線頻段

5G技術未來須向高頻率階段方向擴展，特別是毫米波頻段，這個頻段范圍擁有大量的頻譜資源，而且有較大的連續帶寬。

3. 1. 2 5G網絡的安全性

5G網絡的一大特征是垂直行業與移動網絡的深度融合，為了適應多種應用場景中不同類型的終端設備、多種接入方式及多種時延要求等，提供了統一的認證框架，以支持多種接入方式和接入憑證；提供按需的安全保護，滿足多種應用場景中的生命周期要求和業務的時延要求；提供隱私保護，以滿足用戶隱私保護及相關法規的要求。

3. 1. 3 多天線傳輸技術

大規模天線陣列技術可以在同一時頻資源上同時服務多個用戶。為承載更多的小區容量和擔負更快的數據下載速率，對MIMO天線的許多功能進行了增強性改進。

3. 1. 4 密集網絡技術

密集網絡技術即為更加密集化的小區網絡部署，該技術是一種有效提升5G技術中網絡總容量的方法，可以提高無線網絡通信信號的抗干擾能力，重點是對邊緣用戶網絡性能的提高。在密集網絡技術的支持下，未來的5G網絡將會成為“宏蜂窩+長期微蜂窩+臨時微蜂窩”的網絡架構，大大增強了5G的靈活性。

3. 2 5G在城市軌道交通的應用發展趨勢分析

3. 2. 1 技術發展趨勢分析

車地無線傳輸通信是城市軌道交通信息化和智能化的關鍵技術，直接影響到城市軌道交通的正常運營、效率提升及服務品質。通信技術發展的主要驅動力，是不斷增長的帶寬需求及核心技術的突破。根據目前主流的移動通信技術發展趨勢，從2G、3G、4G到即將推出的5G，大約每5年更新一代，且隨著移動互聯網和物聯網的蓬勃發展，對帶寬的需要還存在較大的增長空間。

城市軌道交通無線通信是以滿足運營維護需求為目的，在帶寬的需求方面亦呈不斷增長的態勢。但城市軌道交通自身建設周期長，對系統設備的可靠性和可用性要求較高，一般使用壽命為15年左右，其更新節奏滯后于主流技術。

從城市軌道交通無線通信的發展趨勢來看，車地無線傳輸一般基于主流無線技術，同時體現行業特點，滿足高可靠性和長生命周期等實際需求。鐵路及城市軌道交通從最初的450 MHz模擬專用信道的無線列調系統，直接升級到2G水平的GSM-R和TETRA技術，之后4G水平的LTE逐步進入應用階段，其間模擬集群和3G技術并行推廣。城市軌道交通無線通信的發展主要是滿足行業應用，而不是緊隨最先進的技術。因此從歷史發展規律來看，5G在城市軌道交通行業的大規模推廣將會受到很多方面的影響。圖1為無線通信技術多業務應用示意圖。

3. 2. 2 需求分析

從需求的角度可以看出，無論是CBTC、無線列調、PIS,還是列車在途數據，一般都包括安全數據、非安全數據、語音、圖像等4大類信息。每種信息的傳輸對高可靠、高優先級的數據量的需求均不算大，但非安全數據和圖像等信息則需要較大的帶寬。因此需充分利用現有LTE-M的可用帶寬，以適當的服務質量和安全策略，通過無線電收斂的模式滿足多業務的需求。

圖1 多業務整合模型示意圖

3. 2. 3 技術特點分析

5G雖然采用了一些新技術可以提高帶寬，但具體到城市軌道交通的應用場景則很難發揮作用。大規模MIMO技術需要采用大量的、甚至多達上百個天線陣子單元，這就需要有較大的天線安裝空間，但無論對于列車還是隧道而言，安裝大尺寸的天線均存在較大難度。

CBTC一直采用物理上獨立的車地傳輸方式，為了盡可能地保證列車控制的安全性，與其他車地傳輸網絡相隔離。5G是面向垂直行業和運營商深度融合的網絡，在安全性方面主要采用非物理隔離的虛擬隔離技術措施來保證安全性和不同的服務等級要求，但是否能夠滿足CBTC的要求還需進一步研究。

關于5G的頻點，國際上并沒有相關標準，但普遍認為毫米波段較為合理。而該頻段的無線信號傳播通常采用低功耗設備，隧道內通信距離一般為100～200 m，這就需要部署更多的接入設備，而如此密集地部署接入設備，對軌道交通通信系統的維護和管理也帶來了一定的壓力。波導管技術可以提供微波頻段的良好傳播特性，但在設計、成本及維護等方面還存在諸多問題。

3. 2. 4 產業發展趨勢分析

無線通信系統具有技術難度大、前期投入大、研發周期長及產業鏈龐大等特點。基于4G的LTE專網技術自2011年在神華鐵路線開展試驗，歷時5年多，才在軌道交通行業逐步推廣，如果追溯到民用4G技術的起步時間，周期則要更長。因此，缺少標準支撐和較雄厚產業基礎的技術，即便先進也未必適合軌道交通的大規模使用。一些非主流的通信技術，如Wi-max、HRC、DVB-T等，雖技術較為先進，而且具有一定特點，但終究很難形成規模。所以，目前以LTE和Wi-Fi技術作為地鐵車地傳輸的主流技術是符合客觀現實的。

4 結語

通過對5G的發展趨勢、技術特點及行業需求等進行多角度分析，可知5G技術在城市軌道交通行業應用的充分性、必要性及可實施性還有待研究；尤其是安全性、無線頻譜帶寬及隧道傳播特性等方面須開展深入研究。相較5G而言，LTE制式的無線通信系統則更具技術優勢，更適合當前城市軌道交通的行業應用。若將已有的TETRA和Wi-Fi等無線通道進行整合，并進行統一規劃、綜合承載及合理分配，則可充分利用城市軌道交通的各種無線資源，這是符合實際情況、亦較為先進的城市軌道交通車地傳輸技術。