毛磊　翟浩杰　尹尚國(guó)

【摘? 要】5G時(shí)代來(lái)臨，各種行業(yè)的無(wú)線通信需求必將得到極大的釋放和滿足。分析了軌道交通行業(yè)的無(wú)線通信業(yè)務(wù)的特點(diǎn)及其對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)的需求，面對(duì)以地下隧道為主、行車速度較快、通信終端集中移動(dòng)等特點(diǎn)的軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜性，提出了5G技術(shù)在軌交環(huán)境下的應(yīng)用方式和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)，還針對(duì)5G在軌交行業(yè)的組網(wǎng)應(yīng)用模式進(jìn)行了分析和研究，分析了自建專網(wǎng)與運(yùn)營(yíng)商合作方式兩種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)、存在的主要問(wèn)題和限制，給出了組網(wǎng)建議。

【關(guān)鍵詞】軌道交通;LTE-M;5G;網(wǎng)絡(luò)共享;邊緣計(jì)算

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.012? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）01-0063-08

引用格式：毛磊，翟浩杰，尹尚國(guó). 5G在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用探討[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（1）： 63-70.

0? ? 引言

近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通（簡(jiǎn)稱軌交）進(jìn)入建設(shè)高潮，軌道交通在城市出行的比重越來(lái)越高，軌道線路的大量開通運(yùn)營(yíng)也驅(qū)動(dòng)了軌交相關(guān)專業(yè)的技術(shù)發(fā)展。隨著軌交運(yùn)營(yíng)智能化升級(jí)、全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)和信息需要通過(guò)引入先進(jìn)的無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)更高效快速傳輸。

目前應(yīng)用于軌交行業(yè)的無(wú)線技術(shù)有以下幾種（此處不考慮警用通信，按技術(shù)出現(xiàn)的先后順序排列）：

（1）Tetra（Terrestrial Trunked Radio，陸地集群無(wú)線電）數(shù)字集群通信系統(tǒng)由ETSI（歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）制訂標(biāo)準(zhǔn)，于1988年開始投入。Tetra屬于窄帶集群技術(shù)，常用于承載軌交無(wú)線語(yǔ)音集群調(diào)度業(yè)務(wù)，有逐步被LTE-M替代的趨勢(shì)。

（2）WLAN（Wireless Local Area Networks，無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)），基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，使用非授權(quán)的ISM頻段中的2.4 GHz或5.8 GHz頻段進(jìn)行無(wú)線通信。早期列控信號(hào)也采用WLAN技術(shù)承載，由于非授權(quán)頻段上的干擾問(wèn)題，易造成無(wú)線通信質(zhì)量下降，影響行車安全。目前有部分地鐵線路采用WLAN技術(shù)承載大帶寬的視頻類業(yè)務(wù)。

（3）LTE-M（Long Term Evolution-Metro，地鐵長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)），由中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)組織制定標(biāo)準(zhǔn)，以LTE（公網(wǎng)4G）標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，針對(duì)軌交無(wú)線業(yè)務(wù)需求進(jìn)行增強(qiáng)，適用于城市軌道交通的寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)，支持寬帶集群調(diào)度功能（包括語(yǔ)音集群和視頻集群業(yè)務(wù)）。LTE-M廣泛應(yīng)用于地鐵車地?zé)o線通信，優(yōu)先承載列控信號(hào)和集群調(diào)度業(yè)務(wù)，亦可綜合承載視頻類業(yè)務(wù)（取決于頻率帶寬）。

（4）EUHT（Enhanced Ultra High Throughput，超高速移動(dòng)通信技術(shù)），由新岸線公司設(shè)計(jì)開發(fā)，應(yīng)用于5.8 G非授權(quán)頻段，融合了LTE和WLAN的技術(shù)特點(diǎn)，利用非授權(quán)頻段的大帶寬，通過(guò)載波聚合提升數(shù)據(jù)傳輸能力。目前有部分地鐵線路采用EUHT技術(shù)承載大帶寬的視頻類業(yè)務(wù)。

（5）LTE-U（Long Term Evolution-Unlicense，基于非授權(quán)頻段的LTE），應(yīng)用于5.8 G非授權(quán)頻段，采用LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議，利用非授權(quán)頻段的大帶寬，通過(guò)載波聚合提升數(shù)據(jù)傳輸能力。目前有部分地鐵線路采用LTE-U技術(shù)承載大帶寬的視頻類業(yè)務(wù)。

上述幾種傳統(tǒng)技術(shù)各有特點(diǎn)，在不同的條件下均有應(yīng)用，但并沒有一種技術(shù)能同時(shí)滿足所有軌交無(wú)線業(yè)務(wù)的需求。

第五代通信技術(shù)（5G）已經(jīng)在我國(guó)運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)商用，5G可支持高數(shù)據(jù)速率、低延遲、高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。5G技術(shù)在軌交行業(yè)的應(yīng)用和實(shí)施目前還屬于起步階段，有些城市地鐵開通了5G服務(wù)，但5G覆蓋僅限于站臺(tái)站廳區(qū)域，目前還沒有正式開通5G覆蓋地鐵隧道的項(xiàng)目。

本文分析了軌交無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求（包括未來(lái)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)）、5G技術(shù)在軌交環(huán)境下的應(yīng)用限制、5G在軌道交通的組網(wǎng)模式等，給出5G在軌交行業(yè)應(yīng)用和解決方案建議，希望為后續(xù)推廣軌交5G應(yīng)用起到參考作用。

1? ? 軌交無(wú)線業(yè)務(wù)需求

傳統(tǒng)軌交無(wú)線業(yè)務(wù)包括：CBTC（Communication Based

Train Control System，列控信號(hào)）、集群列調(diào)、緊急文本、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息、CCTV（Closed Circuit Television，視頻監(jiān)控）、PIS（Passenger Information System，乘客信息系統(tǒng)）等[1]。

圖1為目前普遍應(yīng)用的LTE-M軌交無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要由核心網(wǎng)、BBU、RRU和車載終端構(gòu)成。軌交無(wú)線通信主要服務(wù)于列車，需要沿軌道進(jìn)行無(wú)線覆蓋，漏纜比較適合這種線狀的覆蓋場(chǎng)景。由于列控CBTC業(yè)務(wù)影響行車安全，其可靠性要求非常高，因此軌交無(wú)線系統(tǒng)采用A/B雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，一般A網(wǎng)承載綜合業(yè)務(wù)（包括列控信號(hào)、集群列調(diào)、緊急文本、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息、視頻監(jiān)控、PIS等）、B網(wǎng)單獨(dú)承載列控業(yè)務(wù)。列控信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)在A網(wǎng)和B網(wǎng)中傳輸，保證列控信號(hào)數(shù)據(jù)的高可靠要求。

現(xiàn)階段軌交業(yè)務(wù)需求匯總?cè)绫?所示（業(yè)務(wù)需求參照LTE-M規(guī)范定義，以一列車為對(duì)象說(shuō)明）。

在軌道場(chǎng)景下，LTE-M系統(tǒng)的站間距可達(dá)到1.2km，LTE-M規(guī)范要求一個(gè)小區(qū)內(nèi)支持最多6列車的通信，綜合承載多種業(yè)務(wù)時(shí)，單個(gè)小區(qū)需要傳輸?shù)淖钚∩舷滦袠I(yè)務(wù)量約為14 Mbit·s-1/4 Mbit··s-1。

LTE-M采用1.8 GHz專網(wǎng)頻段（1 785—1 805MHz），該頻段為多個(gè)行業(yè)共用，通常地鐵只能分到10MHz帶寬。

表2是LTE-M系統(tǒng)在不同帶寬、不同時(shí)隙配比、支持MIMO等條件下單小區(qū)上下行理論峰值速率。該數(shù)據(jù)是在無(wú)線條件非常好、終端能力非常強(qiáng)、不考慮相鄰小區(qū)干擾的情況下計(jì)算得出的。

對(duì)照表2，在采用雙漏纜覆蓋、時(shí)隙配比0（1DL：3UL）、

5 MHz頻率組網(wǎng)等條件下，單小區(qū)的理論峰值速率為下行12.75 Mbit··s-1、上行8.12 Mbit··s-1。實(shí)際無(wú)線環(huán)境下LTE系統(tǒng)傳輸速率只能達(dá)到理論值的40%左右，即下行約為5.1 Mbit··s-1、上行約為3.25 Mbit··s-1。

因此現(xiàn)有頻率條件下，LTE-M系統(tǒng)的傳輸能力已經(jīng)無(wú)法滿足同時(shí)承載全部上述業(yè)務(wù)。

隨著軌交行業(yè)信息技術(shù)和控制技術(shù)不斷更新，上述傳統(tǒng)軌交無(wú)線業(yè)務(wù)也在不斷發(fā)展和升級(jí)，具體需求會(huì)有以下變化。

（1）列控信號(hào)業(yè)務(wù)：無(wú)人駕駛技術(shù)已經(jīng)開始規(guī)模應(yīng)用，下一代列控技術(shù)（俗稱車車通信）正在研發(fā)，列控?cái)?shù)據(jù)速率將更大（Mbit· ·s-1級(jí)別）、端到端業(yè)務(wù)時(shí)延將更小（50 ms級(jí)）。

（2）集群業(yè)務(wù)：集群語(yǔ)音業(yè)務(wù)自Tetra應(yīng)用以來(lái)業(yè)務(wù)需求比較穩(wěn)定，將來(lái)也不會(huì)有太大變化。隨著寬帶集群的應(yīng)用，視頻組呼應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，其對(duì)無(wú)線傳送通道的帶寬需求較大。

（3）列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)：在全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)模式下，列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)量會(huì)增多，上報(bào)周期更短。

（4）視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)：每列車約有攝像頭30個(gè)，高清格式時(shí)每路速率約為2 Mbit/s，全自動(dòng)駕駛時(shí)要求所有攝像頭的圖像均能實(shí)時(shí)上傳，這將是最大的上行業(yè)務(wù)需求。

（5）PIS業(yè)務(wù)：PIS業(yè)務(wù)采用組播方式傳輸，目前一條線路只有一套PIS視頻，在帶寬允許的條件下可以同時(shí)發(fā)送多套PIS視頻，同一車廂的不同顯示屏上播放不同內(nèi)容。

除了上述傳統(tǒng)軌交業(yè)務(wù)外，還會(huì)有大量新業(yè)務(wù)涌現(xiàn)，可具體劃分為面向列車運(yùn)行、面向運(yùn)營(yíng)維護(hù)、面向乘客出行、面向應(yīng)急防災(zāi)等幾大類[2-3]。

（1）面向列車運(yùn)行

1）寬帶視頻呼叫：實(shí)現(xiàn)列車與地面之間的視頻調(diào)度通信。比如車內(nèi)乘客通過(guò)緊急呼叫功能與調(diào)度員通話，調(diào)度員可看到乘客畫面。

2）下一代列控?cái)?shù)據(jù)：主要是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、列車控制管理數(shù)據(jù)及緊急文本數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)時(shí)延要求高，并且需要優(yōu)先保障數(shù)據(jù)帶寬，用于保障列車的安全運(yùn)行。

3）超高清視頻流：列車CCTV視頻監(jiān)控及PIS視頻播放，要求清晰度更高。

4）3D可視化行車環(huán)境：通過(guò)VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行軌道的可視和可控。

（2）面向運(yùn)營(yíng)維護(hù)

軌道交通內(nèi)需要維護(hù)的設(shè)施多、分布點(diǎn)多面廣、維護(hù)工作量巨大，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集各系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、工務(wù)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)上傳給專業(yè)維護(hù)平臺(tái)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的隱患，由被動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)為智能監(jiān)管，提高整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的維護(hù)效率和系統(tǒng)安全性。

（3）面向乘客出行

通過(guò)高速無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地鐵網(wǎng)絡(luò)購(gòu)票，實(shí)時(shí)查尋車輛到/發(fā)站信息、車站擁擠情況，定位軌道交通內(nèi)商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)等，為乘客出行提供參考，提高軌道交通的服務(wù)水平和舒適度。

（4）面向應(yīng)急防災(zāi)

城市軌道交通列車發(fā)車密度高、客流量大，隧道環(huán)境復(fù)雜，一旦出現(xiàn)緊急情況，需要能及時(shí)反應(yīng)，可以通過(guò)高速無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)情況直播和應(yīng)急調(diào)度，提高應(yīng)急處理效率。

2? ? 軌交無(wú)線業(yè)務(wù)的承載方式建議

根據(jù)上節(jié)需求分析，軌交無(wú)線業(yè)務(wù)類型越來(lái)越豐富、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率需求（尤其是上行速率）也在成倍增加，僅采用LTE-M無(wú)線系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足所有業(yè)務(wù)需求。

對(duì)于是否可以通過(guò)5G系統(tǒng)來(lái)承載全部軌交無(wú)線業(yè)務(wù)，而不用建設(shè)4G LTE-M系統(tǒng)這個(gè)問(wèn)題，答案是否定的，理由如下：

（1）5G技術(shù)還未完全成熟，完整的5G版本標(biāo)準(zhǔn)（R16）將于2020年上半年發(fā)布;針對(duì)軌交應(yīng)用場(chǎng)景，還有很多技術(shù)和工程問(wèn)題需要優(yōu)化，如隧道環(huán)境下的無(wú)線覆蓋方式等。

（2）目前未分配5G行業(yè)專用頻段，必須與運(yùn)營(yíng)商共用網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于特別重要的安全類業(yè)務(wù)，地鐵業(yè)主希望能夠自己管控。

（3）如果采用5G系統(tǒng)承載列控，需要AB網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，需要建設(shè)重疊覆蓋的2張5G網(wǎng)絡(luò)，目前5G設(shè)備的成本非常高。

（4）現(xiàn)階段的5G標(biāo)準(zhǔn)還不支持集群功能，R17版本將引入集群，預(yù)計(jì)2021年底發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。

所以雖然公網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入5G時(shí)代，但在軌交行業(yè)中5G還不能馬上替代其他傳統(tǒng)技術(shù)，例如LTE-M仍會(huì)長(zhǎng)期服務(wù)于軌交行業(yè)，用于承載速率較小、可靠性要求高的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。建議以是否影響行車安全來(lái)區(qū)分業(yè)務(wù)類別，安全類業(yè)務(wù)（列控、列調(diào)）采用LTE-M網(wǎng)絡(luò)承載，其他業(yè)務(wù)可以通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)承載。列控、列調(diào)（語(yǔ)音）承載于1.8 G LTE-M專網(wǎng)，專用頻段、技術(shù)成熟、設(shè)備穩(wěn)定，可保證列車運(yùn)行的安全性，滿足10年內(nèi)的列車控制應(yīng)用要求。CCTV、PIS等大帶寬視頻業(yè)務(wù)適合采用5G網(wǎng)絡(luò)承載，還可進(jìn)一步挖掘5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠性能力，拓展面向運(yùn)營(yíng)維護(hù)、乘客出行和應(yīng)急防災(zāi)等方向的新應(yīng)用。

3? ? 5G技術(shù)在軌交環(huán)境下的應(yīng)用分析

本節(jié)分析5G主要增強(qiáng)技術(shù)[4]（參照公網(wǎng)部署方式）的適用條件，然后從軌道交通無(wú)線環(huán)境（包括高鐵）和部署條件、應(yīng)用場(chǎng)景等角度分析這些增強(qiáng)技術(shù)在軌交環(huán)境下的應(yīng)用限制和效果，試圖從技術(shù)角度給軌交5G無(wú)線系統(tǒng)做一些定性的分析。

（1）Massive MIMO

Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規(guī)模多入多出天線）[5]，通過(guò)大規(guī)模天線，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的高增益窄細(xì)波束，能夠提供更靈活的空間復(fù)用能力，改善接收信號(hào)強(qiáng)度并更好地抑制用戶間干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜效率。

在軌交環(huán)境下，需要沿軌道進(jìn)行無(wú)線信號(hào)覆蓋，場(chǎng)景以隧道和高架為主。列車數(shù)量不多，但每列車的傳輸數(shù)據(jù)量大（尤其是上行）。如果考慮乘客上網(wǎng)，則整列車上有幾百上千的終端，密集位于車廂中，幾乎同時(shí)進(jìn)行頻繁的切換過(guò)程。

軌交一般采用漏纜覆蓋，并且漏纜部署的數(shù)量有限（2根或4根），單根漏纜中的無(wú)線信號(hào)在終端看來(lái)就是基站的一個(gè)端口發(fā)送的信號(hào)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)超過(guò)4個(gè)端口的信號(hào)收發(fā)。如果采用天線覆蓋，隧道環(huán)境狹小、拐彎和上下坡度等條件將影響天線的覆蓋，特別是5G采用更高的頻段。

另外，列車車廂中用戶非常集中，多用戶MIMO所要求的用戶分布在不同角度的條件無(wú)法滿足。

基于以上分析，多天線技術(shù)這個(gè)5G最重要的增強(qiáng)技術(shù)在軌道交通場(chǎng)景下性能很難發(fā)揮。

（2）大帶寬設(shè)計(jì)

5G以超大帶寬為特征，三大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)分配的公網(wǎng)5G頻率帶寬為100 MHz（中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通）/160 MHz（中國(guó)移動(dòng)），大系統(tǒng)帶寬不限應(yīng)用場(chǎng)景，在軌交應(yīng)用場(chǎng)景下，大帶寬可以提供更高的系統(tǒng)傳輸能力。

（3）超密集組網(wǎng)

在公網(wǎng)地面覆蓋場(chǎng)景，由于5G頻段普遍較高，無(wú)線信號(hào)空間傳播衰減大，需要更加密集的部署基站，尤其針對(duì)高頻段，站間距可能在數(shù)十米量級(jí)，因此5G的超密集組網(wǎng)是公網(wǎng)的主要特征之一。而軌交場(chǎng)景以線狀覆蓋為主，如果基站部署太密集，則列車在運(yùn)行中會(huì)頻繁切換，而且車廂中大量乘客集中切換，還帶來(lái)復(fù)雜的移動(dòng)性問(wèn)題。基于以上原因，在軌交應(yīng)用場(chǎng)景中建議采用低頻段實(shí)現(xiàn)軌道的無(wú)線覆蓋，不宜采用超密集組網(wǎng)。在車輛段、停車場(chǎng)、大的車站可以采用超密集組網(wǎng)模式，提升系統(tǒng)容量。

（4）Mini-slot微小子幀調(diào)度/免調(diào)度傳輸

Mini-slot微子幀調(diào)度和免調(diào)度適用于URLLC場(chǎng)景[6]，可以與eMBB共享無(wú)線資源，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)度能力提出了很高的要求。常規(guī)地鐵項(xiàng)目目前還沒有時(shí)延要求特別高的業(yè)務(wù)。在高速磁浮列車（600 km/h）系統(tǒng)中定位數(shù)據(jù)要求端到端單向時(shí)延小于5 ms。在應(yīng)用Mini-slot微小子幀調(diào)度時(shí)5G無(wú)線側(cè)可以支持小于1 ms的空口時(shí)延，但針對(duì)高速磁浮PWR業(yè)務(wù)的時(shí)延要求，還需結(jié)合有線組網(wǎng)和邊緣計(jì)算等技術(shù)綜合設(shè)計(jì)方案。

（5）半靜態(tài)上下行時(shí)隙配比

目前公網(wǎng)主要使用2.5 ms雙周期、2.5 ms單周期、2ms單周期等配置，上行資源最多30%[7]，滿足公網(wǎng)用戶下載數(shù)據(jù)大于上傳數(shù)據(jù)的要求。而軌交無(wú)線數(shù)據(jù)的上下行比例取決于承載的業(yè)務(wù)類型，初期以承載PIS和CCTV為主，上行視頻回傳業(yè)務(wù)量非常大，需要使用上行比例更大的時(shí)隙配比。綜合考慮公網(wǎng)用戶和軌交專用用戶的業(yè)務(wù)上下行比例，可能在不同時(shí)段內(nèi)還會(huì)有較大波動(dòng)，因此半靜態(tài)的上下行時(shí)隙配比調(diào)整可提高系統(tǒng)總的傳輸能力。

（6）下行控制信道波束賦型

在公網(wǎng)中為了提高小區(qū)覆蓋，采用波束賦型、波束掃描的方式來(lái)發(fā)送下行控制信道[8]，達(dá)到增大小區(qū)覆蓋半徑的效果。在軌交應(yīng)用場(chǎng)景中也希望能擴(kuò)大小區(qū)覆蓋，在隧道采用漏纜覆蓋時(shí)，波束賦型基本沒有作用，無(wú)法體現(xiàn)效果。在天線覆蓋區(qū)域，要求波束跟蹤列車運(yùn)行軌跡，不能按常規(guī)方式掃描，需要特別優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（7）上行覆蓋增強(qiáng)

在較高頻段（3.5 GHz頻段）部署宏網(wǎng)無(wú)縫覆蓋的5G系統(tǒng)時(shí)，可能存在上行傳輸覆蓋受限和數(shù)據(jù)速率受限問(wèn)題，可以采用全上行載波（SUL）方案或者載波聚合方式解決該問(wèn)題。

在軌交應(yīng)用場(chǎng)景中，漏纜環(huán)境下，就單一頻段做鏈路預(yù)算分析，受限的信道如果是上行業(yè)務(wù)信道，可以采用此技術(shù)。在天線覆蓋區(qū)域，一般都是上行業(yè)務(wù)信道受限，也可以采用此技術(shù)。需要同時(shí)使用低頻段上行覆蓋軌道周邊。

（8）靈活的系統(tǒng)參數(shù)、參考信號(hào)設(shè)計(jì)

5G標(biāo)準(zhǔn)支持靈活配置系統(tǒng)參數(shù)（如時(shí)隙結(jié)構(gòu)）和參考信號(hào)，可以針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景、業(yè)務(wù)比例、用戶位置等，進(jìn)行優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)效率。軌交應(yīng)用場(chǎng)景比較特殊，需要在運(yùn)行一段時(shí)間后優(yōu)化出一套適用于特點(diǎn)軌交線路的參數(shù)配置。

（9）信道反饋增強(qiáng)

為了提高信道估計(jì)準(zhǔn)確性，提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率，5G中對(duì)信道反饋進(jìn)展進(jìn)行了很多增強(qiáng)。該技術(shù)取決于信道環(huán)境，軌交以列車為整體移動(dòng)，信道條件變化快，用戶間干擾大，可能較難實(shí)現(xiàn)好的效果。

（10）非正交傳輸

采用非正交傳輸技術(shù)，可以在信道環(huán)境較穩(wěn)定的條件下提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量。該技術(shù)取決于信道環(huán)境，軌交以列車為整體移動(dòng)，信道條件變化快，用戶間干擾大，較難實(shí)現(xiàn)。

基于以上分析，在軌交應(yīng)用環(huán)境下，部分5G技術(shù)實(shí)際很難發(fā)揮最佳性能，需要結(jié)合實(shí)際工程環(huán)境設(shè)計(jì)部署方案，并進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，才能達(dá)到較好的性能。主要優(yōu)化方向包括：研制適合5G頻段和隧道場(chǎng)景的的漏纜和天線，研究地鐵隧道環(huán)境下的信道模型、優(yōu)化高速移動(dòng)時(shí)多普勒頻移的補(bǔ)償算法等。工程方面需要結(jié)合實(shí)際使用的頻段確定合適的站間距和布站原則。

4? ?5G引入軌交行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇

基于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和頻率政策，軌交行業(yè)要使用5G網(wǎng)絡(luò)必須與運(yùn)營(yíng)商合作，使用公網(wǎng)5G頻率。本節(jié)以城市軌道交通（地鐵）無(wú)線通信系統(tǒng)為例，分析引入5G后，不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的功能劃分和構(gòu)成[9-10]，以及外部合作方式、頻率使用等問(wèn)題。圖中黃色模塊為地鐵設(shè)備，淡藍(lán)色模塊為公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商設(shè)備。

5G軌交無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有以下幾種方式。

（1）模式一，地鐵自建5G核心網(wǎng)、共享運(yùn)營(yíng)商基站資源，如圖2所示。

地鐵業(yè)主自建支持SA（Standalone，獨(dú)立組網(wǎng)）的5G核心網(wǎng)，共享運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的5G NR（New Radio，5G無(wú)線的簡(jiǎn)稱）基站，組成完整的SA架構(gòu)5G網(wǎng)絡(luò)。

原有4G專用網(wǎng)絡(luò)維持不變（承載傳統(tǒng)安全類軌交無(wú)線業(yè)務(wù)），兩張網(wǎng)獨(dú)立部署。

運(yùn)營(yíng)商的5G NR基站還會(huì)連接到公網(wǎng)核心網(wǎng)5GC，組成一張公眾5G網(wǎng)絡(luò)，供地鐵乘客使用。

分析如下：

1）運(yùn)營(yíng)商建設(shè)接入網(wǎng)（5G NR基站），地鐵業(yè)主自建專用5G核心網(wǎng)，連接運(yùn)營(yíng)商的5G基站，共享5G接入網(wǎng)。

2）地鐵設(shè)備與公網(wǎng)設(shè)備只在基站處有接口。

3）地鐵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流不通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的傳輸網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)。

4）地鐵業(yè)主對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可管可控度較高，業(yè)務(wù)安全性好，可以自主為地鐵5G終端放號(hào)。

5）地鐵終端的控制面和用戶面均連接到地鐵核心網(wǎng)，與公網(wǎng)無(wú)信息交互。

6）如果運(yùn)營(yíng)商對(duì)5G接入網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)、維護(hù)，可能影響軌交業(yè)務(wù)的傳輸。

（2）模式二，利用運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)、配置MEC設(shè)備本地分流數(shù)據(jù)，如圖3所示。

運(yùn)營(yíng)商建設(shè)公網(wǎng)，軌交行業(yè)用戶終端使用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過(guò)自建（或由運(yùn)營(yíng)商建設(shè)）的MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計(jì)算）網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)分流，視頻流直接由MEC網(wǎng)元接入軌交業(yè)務(wù)平臺(tái)，不需要由基站傳輸?shù)焦W(wǎng)核心網(wǎng)再回傳到軌交業(yè)務(wù)平臺(tái)。

原有4G專用網(wǎng)絡(luò)維持不變，兩張網(wǎng)獨(dú)立部署。

分析如下：

1）這種模式網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)商提供5G服務(wù)，行業(yè)用戶通過(guò)5G終端使用運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)。

2）地鐵設(shè)備與公網(wǎng)設(shè)備只在基站處有接口。

3）行業(yè)自建MEC網(wǎng)元，部署在本地機(jī)房，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地分流。減少對(duì)運(yùn)營(yíng)商傳輸網(wǎng)絡(luò)的壓力。

4）終端用戶的管理完全由運(yùn)營(yíng)商控制。終端需要注冊(cè)到公網(wǎng)核心網(wǎng)，控制面由運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)提供。

（3）模式三，行業(yè)終端接入運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)，無(wú)其他自建設(shè)備，如圖4所示：

運(yùn)營(yíng)商建設(shè)5G公網(wǎng)，地鐵用戶終端接入5G公網(wǎng)，使用運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)。運(yùn)營(yíng)商根據(jù)需要為行業(yè)用戶設(shè)置專用網(wǎng)絡(luò)切片（包括核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)），確保滿足行業(yè)用戶的業(yè)務(wù)需求。

原有4G專用網(wǎng)絡(luò)維持不變，兩張網(wǎng)獨(dú)立部署。

分析如下：

1）這種模式最簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)商提供5G服務(wù)，行業(yè)5G終端使用公網(wǎng)服務(wù)。

2）所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都需要通過(guò)公網(wǎng)核心網(wǎng)再回傳到軌交業(yè)務(wù)平臺(tái)，軌交業(yè)務(wù)平臺(tái)與公網(wǎng)有接口。

3）大帶寬視頻流數(shù)據(jù)對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)造成較大壓力，也會(huì)增加傳輸時(shí)延。

4）終端用戶的管理完全由運(yùn)營(yíng)商控制。

（4）模式四，地鐵行業(yè)自建5G網(wǎng)絡(luò)（取決于是否有自主頻率資源），如圖5所示：

行業(yè)用戶自建5G NR基站，同時(shí)部署5G核心網(wǎng)，組成完整的SA架構(gòu)的5G專用網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求支持低時(shí)延、超大鏈接等增強(qiáng)能力。

原有4G網(wǎng)絡(luò)維持不變，兩張網(wǎng)獨(dú)立部署。

分析如下：

1）如果未來(lái)國(guó)家正式分配5G行業(yè)專用頻段，則地鐵業(yè)主可以完全自建5G專網(wǎng)，與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立。

2）或者采用非授權(quán)頻段（如5.8 G非授權(quán)頻段，總共125 MHz），使用其中部分頻段（例如80 MHz頻寬）建設(shè)5G專網(wǎng)，采用3GPP R16 NR-U技術(shù)（標(biāo)準(zhǔn)將于2020年中完成）。

需避免與目前使用的WLAN/EUHT/LTE-U系統(tǒng)的干擾問(wèn)題。

根據(jù)以上分析，現(xiàn)階段軌交行業(yè)如果要使用5G技術(shù)，必須與運(yùn)營(yíng)商合作。從商業(yè)合作角度來(lái)看，運(yùn)營(yíng)商可能會(huì)選擇模式二，網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，而且軌交業(yè)務(wù)本地分流不會(huì)給運(yùn)營(yíng)商的傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)較大壓力，但地鐵業(yè)主可能傾向于模式一，希望在共享接入網(wǎng)的基礎(chǔ)上最大化自主控制。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，如果將來(lái)分配了5G行業(yè)專用頻率，地鐵業(yè)主自建5G網(wǎng)絡(luò)將是最佳選擇。或者采用5.8 G非授權(quán)頻段建設(shè)NR-U行業(yè)專網(wǎng)，也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹現(xiàn)有軌交無(wú)線技術(shù)，分析軌交業(yè)務(wù)需求以及業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法完全滿足多樣的業(yè)務(wù)需求（主要是業(yè)務(wù)速率要求越來(lái)越高）。針對(duì)5G技術(shù)引入軌交行業(yè)，建議安全類業(yè)務(wù)（列控、列調(diào)）采用LTE-M網(wǎng)絡(luò)承載，CCTV、PIS等大帶寬視頻業(yè)務(wù)采用5G網(wǎng)絡(luò)承載，還可進(jìn)一步挖掘5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠性能力，拓展面向運(yùn)營(yíng)維護(hù)、乘客出行和應(yīng)急防災(zāi)等方向的新應(yīng)用。進(jìn)一步，詳細(xì)分析了5G主要增強(qiáng)技術(shù)的適用條件，從軌道交通無(wú)線環(huán)境和部署條件、應(yīng)用場(chǎng)景等角度分析這些增強(qiáng)技術(shù)在軌交環(huán)境下的應(yīng)用限制，提出了優(yōu)化方向。最后，以城市軌道交通（地鐵）無(wú)線通信系統(tǒng)為例，分析引入5G后不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的功能劃分和構(gòu)成，以及外部合作方式、頻率使用等問(wèn)題。

5G在軌交行業(yè)的應(yīng)用即將全面展開，其中大帶寬業(yè)務(wù)需求最為急迫，基于軌交行車安全第一的原則，傳統(tǒng)的列控和列調(diào)業(yè)務(wù)建議仍舊采用LTE-M技術(shù)承載，其他業(yè)務(wù)可以先行采用兩種模式同時(shí)承載的方式進(jìn)行試驗(yàn)和過(guò)渡，待5G在軌交環(huán)境下的部署方案成熟穩(wěn)定后再全部由5G承載。

關(guān)于軌交行業(yè)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，近期宜考慮與運(yùn)營(yíng)商合作的模式，共用無(wú)線接入網(wǎng)，達(dá)到減少投資和維護(hù)工作量的目的。為了更好地管控軌交業(yè)務(wù)，有條件的業(yè)主可以自建5G核心網(wǎng)，或者設(shè)置本地邊緣計(jì)算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)行業(yè)業(yè)務(wù)的本地分流，還可減小傳輸時(shí)延。

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作者簡(jiǎn)介

毛磊（orcid.org/0000-0001-5428-1125）：碩士畢業(yè)于電信科學(xué)技術(shù)研究院，現(xiàn)任職于北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司（中興通訊子公司），十余年移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)研究經(jīng)歷，目前主要從事5G行業(yè)無(wú)線方案研究工作，獲2017年度中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，已獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利80項(xiàng)、PCT專利30項(xiàng)。

翟浩杰：碩士畢業(yè)于南京理工大學(xué)，現(xiàn)任職于北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司（中興通訊子公司），長(zhǎng)期從事移動(dòng)通信產(chǎn)品開發(fā)和行業(yè)應(yīng)用工作，目前致力于新一代無(wú)線寬帶技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用研究和推廣。

尹尚國(guó)：碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任職于北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司（中興通訊子公司），長(zhǎng)期從事移動(dòng)通信系統(tǒng)外場(chǎng)測(cè)試和應(yīng)用示范研究工作，目前致力于新一代無(wú)線寬帶技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用研究和推廣。