基于3.5GHz頻段的5G新空口系統在海南環島高鐵的應用前景研究

童 偉，宋春鳳

（海口經濟學院網絡學院，海口 570127）

0 引言

自4G（第四代移動通信系統）逐漸普及之后，5G已經成為通信行業的研究熱點，中國使用3.5GHz頻段中的200MHz頻譜進行了5G測試。在未來幾年的標準和頻率規劃方面，預計5G測試將進一步推動5G標準的發展和產業鏈的成熟。與此同時無線通信理論和技術迅速發展并在高鐵和軌道交通領域得到了廣泛的應用，包括：3.5GHz頻段的5G新空口系統、CBTC（基于通信的列車控制）、乘客向導、廣播和視頻監控。

由于5G技術在高速鐵路中的應用無法采用公網網絡頻段，類似于4G-LTE在高速鐵路和軌道交通中的應用，還需要特殊的頻段。因此，高速鐵路和軌道交通行業在申請合法頻率后會與國家無線電監管機構進行溝通，需要提前做相關的應用研究和測試。

1 基于3.5GHz頻段的5G技術的高帶寬特點

基于3.5GHz頻段的5G技術具有足夠的帶寬，可以為島上的高速火車應用提供全面的業務服務。從需求的角度來看，無論是CBTC，無線火車，PIS和火車運輸數據，通常都包括兩種類型的信息：安全數據和非安全數據。安全數據所需的數據量不大，但有嚴格的延時、可靠性約束；非安全數據等信息則需要較大的帶寬，3.5GHz頻段的5G技術高帶寬特點可以較好地滿足。因此，需對車地無線傳輸資源進行有效的整合和合理的分配（如圖1），尤其是針對不同的業務，提供不同等級的服務，充分利用無線通信資源。

圖1 環島高鐵交通的車地通信應用

2 環島高速列車通信業務

2.1 安全相關的業務

主要負責列車的安全運行。典型的基于安全服務需要最高的安全等級（SIL4），低帶寬（小于每車1kb/s），嚴格的延時約束（最壞情況下的延時為500-800ms），通信模式通常采用實時可變速率（RT-VBR）；話音呼叫需要業務需要64Kb/s（取決于編碼器），且最大的抖動為30ms。

2.2 非安全業務

包括與安全無關的各種服務，如CCTV、乘客信息、遠程維護及感知等；為乘客提供互聯網接入及其它通信業務。

安全業務對可靠性、可用性、時效性及信息安全有很強的要求；無線電話屬于公共安全領域（包括組呼，功能性尋址，設備與設備的通信等）；部分非安全業務對帶寬有很高的要求；互聯網接入服務要求能提供在高速運行條件下的接入服務，如350km/h運行情況下的接入服務。

3 環島高鐵交通無線通信需求分析

3.1 頻段選擇

5G沒有針對頻點的國際標準，但通常使用毫米波段。低功率設備通常用于頻帶內的無線電信號傳播，隧道的通信距離通常為100-200 m，并且接入設備的放置和鐵路運輸通信系統的維護也存在問題。盡管波導技術可用于微波頻帶，但它具有出色的傳播特性，但在設計，成本和維護方面仍在研究許多問題。

在3.5 GHz頻帶中，將200 MHz頻譜用于5G測試。根據香農定律，5G技術的高帶寬需要頻譜寬度來支持它。 2016年，工業和信息化部批準了3.4-3.5GHZ頻段5G系統技術的開發和測試。與低于6GHz的頻譜相比，毫米波頻譜不僅非常豐富，而且使用過程涉及到許可證很少，并且仍在討論針對特定5G頻率的全面國際計劃。在3.5 GHz頻帶中，200G頻譜用于5G測試。在未來幾年中，預計5G測試將進一步促進5G標準的發展和產業鏈的成熟。（如圖2）

圖2 基于3.5GHz頻段-200MHz頻譜測試

3.2 覆蓋方式

覆蓋5G使用毫米波和Massive MIMO技術，目前不支持在高速鐵路交通中使用的泄漏同軸電纜和波導。在獲得合法頻譜之后，有必要根據頻率情況采用適當的無線電范圍方法。

大規模MIMO技術：根據頻率條件采用適當的無線電范圍方法，大規模MIMO陣列技術可以在相同的時頻資源上同時為多個用戶提供更多信息。對于MIMO天線的許多功能，提高了小區容量和更快的數據下載速度。考慮到頻率資源的嚴格情況，5G移動通信使用高頻特別是毫米波頻段，在此頻率范圍內頻譜資源眾多且連續帶寬較大。

3.3 5G系統相對應的接口標準化

SDN分離了網絡控制平面和承載，而NFV分離了現有的專用硬件設備，虛擬化了網元功能，并加快了5G原型和商業產品開發階段。基于對高速鐵路應用場景的分析，各種業務應用都有與5G系統相對應的接口，例如Zigbee，RF，

RS232/RS485等。為了使接口標準化并考慮傳輸網絡接口問題，必須配置相關協議。

5G新空中接口技術的商用化解決了接口標準化的問題。端到端5G新型空中接口系統在3.5GHz頻段上運行，并支持100MHz的大帶寬，OFDM參數配置、先進的新型信道編碼與調制方案和低延遲的獨立框架結構可以有效的實現每秒數單用戶Gbit級傳輸速率，并且可以滿足高速鐵路內的各種業務應用。

4 基于5G在環島高鐵交通安全性方面的措施

用于島上高速鐵路運輸的列車控制系統CBTC使用物理上獨立的列車對地面傳輸方法，地面傳輸網絡隔離，以盡可能地確保列車控制的安全性。在物理級別上，通常采用（如圖3）所示的雙重覆蓋范圍來確保車輛與地面通信的可靠性。5G的安全措施提出主要通過非物理隔離虛擬隔離技術來滿足列車控制系統的要求，以確保安全性和不同的服務水平要求。

圖3 物理層采用雙覆蓋，以確保可靠性

高速鐵路安全服務可安全通信的基礎采用虛擬耦合（Vitual Couple）實現。列車可在較短的時間間隔內（甚至比剎車距離還要短的時間間隔內行駛），因為實際上列車是超可靠的實時通信無線連接，每一個列車都有相同的數據（速度，剎車，mands等）。就像一列火車，但它們之間的耦合只是虛擬的。這還是一個概念，還沒有現實，但它可幫助鐵路提升運輸效率，因為虛擬列車僅占據一個時隙（Slot），這就提出了安全的V2V（車車通信）的要求。

5 結束語

充分使用3GPP標準的端到5G新空口商用基站、新空口終端設備系統成熟條件，采用3.5GHz頻段利用200MHz頻譜，進行環島高鐵通信網絡應用前景研究，無論標準還是頻點規劃角度出發，在頻譜利用、寬帶和移動性等方面不僅能改善了現有的海南高速鐵路移動通信系統的性能和質量，同時也對促進環島高速鐵路交通智能化和自動化具有重要的意義。