軌交行業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和合作分析

毛磊 董立虎 陸詩(shī)釗

【摘? 要】將5G技術(shù)應(yīng)用到軌交行業(yè)是當(dāng)前一個(gè)熱點(diǎn)課題，針對(duì)軌交無(wú)線業(yè)務(wù)新需求，視頻監(jiān)控類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量巨大，需要通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)承載。首先從隧道無(wú)線覆蓋方面分析，漏纜和天線各有特點(diǎn)，但都會(huì)受制于隧道內(nèi)安裝條件，隧道建設(shè)5G時(shí)，需要針對(duì)頻段來(lái)確定覆蓋方式，高頻段宜采用天線覆蓋，低頻段建議采用漏纜。隨后進(jìn)一步分析了四大運(yùn)營(yíng)商的5G頻率資源、與地鐵共用網(wǎng)絡(luò)潛在的問(wèn)題，提出了合作建議方式，為將來(lái)軌交行業(yè)應(yīng)用5G提供一些思路。

【關(guān)鍵詞】軌道交通;隧道;5G;MIMO;網(wǎng)絡(luò)共享

Applying 5G technology to Rail Transit is a hot topic at present. For the new demand of rail transit wireless service， video monitoring service has a huge amount of data and needs to be carried through 5G networks. According to the analysis of tunnel wireless coverage， leaky cable and antenna have their own characteristics， but both are limited by the tunnel installation conditions. In the construction of 5G tunnel， the coverage mode depends on the frequency band， where the antenna coverage prefers the high frequency band and leaky cable prefers the low frequency band. This paper further analyzes the 5G frequency resources of the four major operators and the potential problems of sharing the network with the metro， and proposes cooperation suggestions， which provides some ideas for the future application of 5G in the rail transit industry.

rail transit; tunnel; 5G; MIMO; network sharing

0? ?引言

隨著5G公網(wǎng)加速建設(shè)和大規(guī)模應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)為廣大用戶所熟知。將5G技術(shù)應(yīng)用到垂直行業(yè)是下一步推進(jìn)方向，城市軌道交通領(lǐng)域?qū)νㄐ偶夹g(shù)要求非常高，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)線通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)更高效快速傳輸。

本文基于目前的5G頻率分配限制、軌交應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求等方面，對(duì)5G技術(shù)應(yīng)用于軌交行業(yè)進(jìn)行了一些分析。

1? ?5G頻譜分配

2019年6月6日中國(guó)發(fā)放5G牌照[1]，5G在我國(guó)進(jìn)入加速建設(shè)階段。公網(wǎng)5G大規(guī)模組網(wǎng)已經(jīng)在部分熱點(diǎn)城市和地區(qū)完成，尤其是隨著5G終端的普及，人們已經(jīng)開(kāi)始真真切切地感受到5G的存在。

應(yīng)用5G首先需要有頻率資源，以下是四大運(yùn)營(yíng)商已分配的5G頻率[2]：

中國(guó)電信：3 400 MHz—3 500 MHz共100 MHz;

中國(guó)移動(dòng)：2 515 MHz—2 675 MHz、4 800 MHz—4 900 MHz，共260 MHz;

中國(guó)聯(lián)通：3 500 MHz—3 600 MHz共100 MHz。

中國(guó)廣電：4 900 MHz—4 960 MHz共60 MHz（700 MHz具體分配還未正式發(fā)布）。

另外，中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電共用3 300 MHz—3 400 MHz，用于室內(nèi)覆蓋[3]。

國(guó)內(nèi)短期內(nèi)沒(méi)有針對(duì)垂直行業(yè)的新增5G頻譜分配計(jì)劃，因此垂直行業(yè)想要使用5G技術(shù)，目前只能與運(yùn)營(yíng)商合作，使用運(yùn)營(yíng)商的5G頻率資源。

2? ?軌交業(yè)務(wù)需求和無(wú)線覆蓋分析

隨著全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，在無(wú)人駕駛模式下，列車(chē)上不再安排值守的工作人員。這種情況下如何掌握車(chē)廂內(nèi)的情況，以便在緊急事故發(fā)生時(shí)能及時(shí)開(kāi)展救援，是目前地鐵運(yùn)營(yíng)方需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，這對(duì)車(chē)載視頻監(jiān)控（CCTV， Closed Circuit Television）提出了更高的要求，例如要求實(shí)時(shí)回傳所有車(chē)廂攝像頭影像，每個(gè)攝像頭的清晰度要達(dá)到高清級(jí)別。

一般列車(chē)上約有30個(gè)攝像頭，高清格式的數(shù)據(jù)速率為2 Mbit·s-1/路，因此一列車(chē)總的數(shù)據(jù)速率將高達(dá)60 Mbit·s-1（上行），這對(duì)車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)提出了很高的要求，現(xiàn)有車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)包括LTE-M、WLAN等都無(wú)法滿足，該業(yè)務(wù)是軌交行業(yè)引入5G技術(shù)的最大需求來(lái)源[4]。

軌交應(yīng)用場(chǎng)景比較特殊，以隧道和高架為主，列車(chē)數(shù)量不多，但每列車(chē)的數(shù)據(jù)量大（尤其是上行），列車(chē)運(yùn)行速度一般為80 km/h，少量高速線路可達(dá)120～160 km/h。

對(duì)于軌交車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)，因?yàn)檐壍朗蔷€狀的，無(wú)線信號(hào)只需要覆蓋軌道范圍，通常有兩種無(wú)線覆蓋方案：

（1）漏纜覆蓋

漏纜是漏泄同軸電纜的簡(jiǎn)稱，其主要工作原理是電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r(shí)通過(guò)槽孔向外界輻射電磁波。外界的電磁場(chǎng)也可通過(guò)槽孔感應(yīng)到泄漏電纜內(nèi)部并傳送到接收端。漏纜的信號(hào)覆蓋均勻，尤其適合隧道等狹小空間，如圖1所示。

目前廣泛應(yīng)用于軌交行業(yè)的LTE-M（1.8 GHz）、Tetra（800 MHz）和PDT（350 MHz）系統(tǒng)均采用漏纜覆蓋，地鐵隧道內(nèi)的民用無(wú)線通信系統(tǒng)（公網(wǎng)2G/3G/4G）也都采用漏纜覆蓋。常用的漏纜可以傳輸?shù)臒o(wú)線頻率范圍為300 MHz—2.7 GHz，因此傳統(tǒng)通信技術(shù)都可以采用漏纜覆蓋，發(fā)揮其場(chǎng)強(qiáng)均勻、可沿軌道彎曲的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的近場(chǎng)視距覆蓋。

由于隧道內(nèi)上述多個(gè)無(wú)線系統(tǒng)均采用漏纜覆蓋，部署漏纜成為一個(gè)重要的工程問(wèn)題，需要針對(duì)覆蓋對(duì)象沿隧道一側(cè)（弱電側(cè)）選擇合適的安裝位置，漏纜之間為了避免相互干擾還需保持一定間隔距離。

地鐵專用系統(tǒng)的車(chē)載天線一般安裝在列車(chē)車(chē)頂，專網(wǎng)漏纜要求架設(shè)在距軌面3 m以上，與列車(chē)頂部平齊。而公網(wǎng)的服務(wù)對(duì)象是車(chē)內(nèi)乘客，公網(wǎng)漏纜一般部署在車(chē)窗高度（距軌面2 m左右），透過(guò)車(chē)窗玻璃（損耗較小）輻射車(chē)廂。

目前軌交專用無(wú)線系統(tǒng)通常部署3根漏纜，LTE-M承載信號(hào)時(shí)采用A/B雙網(wǎng)配置，一般配置兩根漏纜，其中一根漏纜可以與另一個(gè)系統(tǒng)合用，如Tetra可以與LTE合用一根漏纜。PDT單獨(dú)使用一根漏纜。民用通信涉及三家運(yùn)營(yíng)商的2G/3G/4G系統(tǒng)的多個(gè)頻段，通過(guò)合路方式共用漏纜，一般也需要2根以上的漏纜。因此地鐵隧道內(nèi)的漏纜最少5根，而且漏纜只能安裝在隧道一側(cè)（另一側(cè)為強(qiáng)電設(shè)備），安裝位置非常有限，基本上已經(jīng)飽滿。

（2）天線覆蓋

除漏纜外，也可采用定向天線在隧道內(nèi)進(jìn)行無(wú)線信號(hào)覆蓋，如圖2所示，一個(gè)基站連接兩個(gè)天線，兩個(gè)天線背靠背安裝，往相反方向輻射隧道。

目前應(yīng)用在軌交行業(yè)的WLAN/LTE-U/EUHT等系統(tǒng)，均使用非授權(quán)的5.8 GHz，通常采用天線進(jìn)行隧道無(wú)線覆蓋。

這些系統(tǒng)之所以可以采用天線覆蓋，是因?yàn)槭紫饶壳爱a(chǎn)業(yè)界還沒(méi)有成熟的5.8 GHz頻段的漏纜（或者傳輸損耗太大），此外5.8 GHz頻段的天線尺寸可以做得比較小，便于安裝，不會(huì)侵入列車(chē)限界，另外天線的迎風(fēng)面較小，可抵抗列車(chē)通過(guò)時(shí)風(fēng)阻的推拉作用，不易導(dǎo)致天線松動(dòng)。另一方面，由于頻段較高，單個(gè)小區(qū)的覆蓋距離較短（一般在500 m左右），對(duì)于隧道的拐彎和上下坡度等環(huán)境容忍程度較高。

3? ?隧道環(huán)境下的5G無(wú)線覆蓋方式分析

Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規(guī)模多入多出天線）[5]是5G實(shí)現(xiàn)超高速率的核心技術(shù)，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。

下面分析隧道場(chǎng)景下MIMO技術(shù)的應(yīng)用限制[4]：

（1）采用漏纜覆蓋時(shí)，單根漏纜中的無(wú)線信號(hào)就是基站一個(gè)端口發(fā)送的信號(hào)。由于安裝位置有限、成本高等原因，隧道內(nèi)可用于5G的漏纜數(shù)量有限（很難超過(guò)4根），因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)超過(guò)4個(gè)端口的信號(hào)收發(fā)，最多實(shí)現(xiàn)4×4的傳統(tǒng)MIMO，Massive MIMO的性能無(wú)法體現(xiàn)。

（2）采用天線覆蓋時(shí)需重點(diǎn)考慮天線尺寸，因?yàn)榈罔F隧道內(nèi)的限界要求非常嚴(yán)格，天線尺寸太大將無(wú)法滿足安裝要求。天線內(nèi)部由很多天線振子構(gòu)成，天線振子的長(zhǎng)短和波長(zhǎng)成正比，與頻率成反比，頻率越高，天線振子就越短[6]。基于該原理，同為8T8R、相同增益的天線，天線尺寸關(guān)系為2.6 GHz>3.5 GHz>4.9 GHz。在相同天線尺寸的條件下，高頻段天線內(nèi)部可以集成的天線振子數(shù)量越多，也就可以實(shí)現(xiàn)性能更高的MIMO效果。因此，如果在地鐵隧道中采用天線覆蓋，4.9 G頻段具有更好的使用條件。

綜合比較可知，僅考慮隧道場(chǎng)景下多天線技術(shù)的性能發(fā)揮，應(yīng)用4.8 GHz—4.9 GHz頻段、采用天線覆蓋更適合。另外，對(duì)既有線路進(jìn)行5G升級(jí)時(shí)，采用天線覆蓋可以降低很多工程難度。

4? ?與運(yùn)營(yíng)商的合作探討

國(guó)內(nèi)四大5G公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，包括中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)廣電。三家傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商隨著5G公網(wǎng)逐步完善，作為民用通信的延伸，也會(huì)對(duì)地鐵區(qū)域進(jìn)行5G覆蓋，為其公網(wǎng)用戶（乘客）提供5G服務(wù)。中國(guó)廣電作為新晉5G運(yùn)營(yíng)商，并不運(yùn)營(yíng)傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目前沒(méi)有公眾用戶。

如果地鐵業(yè)主與某一傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商合作（如中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信，使用3.3 GHz—3.6 GHz頻段;中國(guó)移動(dòng)使用2.6 GHz頻段），通過(guò)其5G網(wǎng)絡(luò)承載地鐵無(wú)線業(yè)務(wù)，則在地鐵區(qū)域內(nèi)該運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)對(duì)象除了地鐵用戶外，還有人數(shù)眾多的公網(wǎng)用戶（乘客）。假設(shè)一個(gè)小區(qū)同時(shí)存在2列車(chē)，僅地鐵CCTV上行數(shù)據(jù)量就達(dá)到了120 Mbit·s-1，加上乘客上網(wǎng)業(yè)務(wù)，總的數(shù)據(jù)量（尤其是上行）可能會(huì)達(dá)到小區(qū)的容量上限。如果出現(xiàn)容量緊張，需要將地鐵業(yè)務(wù)和普通用戶業(yè)務(wù)通過(guò)優(yōu)先級(jí)控制來(lái)進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。從地鐵業(yè)主使用角度來(lái)說(shuō)，采用統(tǒng)一資源池、與公網(wǎng)用戶共享無(wú)線資源不是最理想的方式，更希望運(yùn)營(yíng)商能固定劃出一部分頻率資源為地鐵設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)。

中國(guó)移動(dòng)除2.6 GHz頻段外，還有4.8 GHz（100 MHz）頻段，5G頻率資源非常豐富，但另一方面中國(guó)移動(dòng)的公網(wǎng)用戶比例最高，可能2.6 GHz頻段并不能滿足公網(wǎng)用戶容量要求，還需要使用一部分4.8 GHz頻段承載公網(wǎng)業(yè)務(wù)。如果4.8 GHz頻段內(nèi)還有資源空閑，可以與地鐵合作，使用4.8 GHz（100 MHz）頻率中的一部分，例如4 800 GHz—4 850 MHz（50 MHz），為地鐵用戶設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的50 MHz帶寬小區(qū)（不需要額外投資），形成一張地鐵專用網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)僅覆蓋地鐵沿線特定區(qū)域，用于承載CCTV業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

因?yàn)楣灿糜布Y源，同處于4.8 GHz頻段的地鐵專用小區(qū)與移動(dòng)公網(wǎng)小區(qū)的無(wú)線配置需要統(tǒng)一考慮，如時(shí)隙配比需要統(tǒng)一。公網(wǎng)業(yè)務(wù)一般以下行為主，因此可能配置上/下行轉(zhuǎn)換周期為2.5 ms雙周期[7]，10個(gè)時(shí)隙典型配置為：DDDSUDDSUU，其中S符號(hào)級(jí)為DDDDDDDDDDGGUU（其中G為保護(hù)間隔GP，U為上行符號(hào)，D為下行符號(hào)），如圖4所示。此時(shí)上行資源比例僅為32.86%，與地鐵CCTV業(yè)務(wù)特點(diǎn)不是特別匹配。

如果地鐵與中國(guó)廣電合作，因?yàn)橹袊?guó)廣電暫無(wú)公網(wǎng)用戶，可以使用4.9 GHz（60 MHz）頻率建一張地鐵專用5G網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)僅覆蓋地鐵沿線特定區(qū)域，主要用于承載CCTV業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)（包括硬件）僅用于地鐵用戶，承載地鐵單一業(yè)務(wù)，可以針對(duì)CCTV業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置上行資源比例更大的時(shí)隙配比。例如采用2.5 ms單周期[7]，5個(gè)時(shí)隙典型配置為：DSUUU，其中S符號(hào)級(jí)為DDDDDDDDDDGGUU（其中G為保護(hù)間隔GP，U為上行符號(hào)，D為下行符號(hào)），如圖6所示。該時(shí)隙配置的上行資源達(dá)到62.86%，可大大提升上行業(yè)務(wù)吞吐量。

如果地鐵與中國(guó)廣電合作采用700 MHz頻段部署5G網(wǎng)絡(luò)，700 MHz頻段為FDD模式，上下行頻寬相等，不涉及上下行資源比例調(diào)整的問(wèn)題。考慮到廣電暫無(wú)公網(wǎng)用戶，地鐵范圍內(nèi)可以將全部或者部分頻率資源用于地鐵業(yè)務(wù)傳輸，例如配置一個(gè)2×30 M[8]小區(qū)承載地鐵業(yè)務(wù)，一個(gè)2×10 M小區(qū)承載其他業(yè)務(wù)，各自獨(dú)立，不會(huì)相互影響，符合地鐵的使用要求。因?yàn)?00 MHz頻段天線尺寸較大，在地鐵場(chǎng)景下適合采用漏纜覆蓋，可以與LTE-M系統(tǒng)共用漏纜。

根據(jù)以上分析，地鐵行業(yè)與運(yùn)營(yíng)商的合作方式有多種，例如與中國(guó)移動(dòng)或中國(guó)廣電合作，采用4.8/4.9GHz頻段組成地鐵專用小區(qū)，使用天線覆蓋;與中國(guó)廣電合作，采用700 MHz頻段組成地鐵專用小區(qū)，采用漏纜覆蓋。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文首先針對(duì)軌交無(wú)線業(yè)務(wù)需求和軌交特殊覆蓋場(chǎng)景進(jìn)行了分析，地鐵最大的無(wú)線業(yè)務(wù)需求為車(chē)載視頻上傳業(yè)務(wù)（CCTV），急迫需要5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)共享、容量限制、建設(shè)難易程度、5G多天線技術(shù)的性能發(fā)揮等方面，軌交行業(yè)要使用5G，建議優(yōu)先考慮4.8 GHz—4.9 GHz頻段。如果與中國(guó)移動(dòng)合作，可以共用其4.8 GHz設(shè)備（假設(shè)中國(guó)移動(dòng)公網(wǎng)用戶也會(huì)使用4.8 GHz頻段），投資成本較小，但是不能獨(dú)立優(yōu)化。如果地鐵與中國(guó)廣電合作，需要建設(shè)一張地鐵5G專網(wǎng)（700MHz或4.9 GHz頻段），投資成本較高，但可以做到專網(wǎng)專用，未來(lái)還可以將安全類業(yè)務(wù)也承載在該專網(wǎng)中，是一種比較合適的方式。

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