5G毫米波技術在城市軌道交通中的應用

李瀛生

（南京熊貓信息產業有限公司，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

長期以來，地鐵車地通信系統受制于車地無線網絡帶寬不足，無法實現車載CCTV、PIS、TCMS等大量數據的及時回傳。目前有如下幾種方式實現車地數據的轉儲，主要是USB拷貝、人工拔插硬盤和Wi-Fi等方式，導致如下的問題。

（1）USB拷貝：人力成本消耗高，難于拷貝大容量的視頻數據；數據完整性易受病毒感染、數據丟失及系統的接口損壞等影響。

（2）人工拔插硬盤：人力成本消耗高，多次拔插，硬盤損耗較高，數據丟失和運維成本高以及病毒隱患等。

（3）Wi-Fi：傳輸距離短，速率一般為56 Mbps，數據下載超過2小時，數據丟失率達60%；抗干擾能力弱。

目前，一種新型車地無線技術5G毫米波技術在車地高速通信系統中的應用，解決了上述問題，采用該技術的產品，可在車輛段及正線利用列車停站的短暫瞬間，以超過1 Gbps的速率，將車載CCTV系統視頻錄像回傳到地面存儲系統中保存，從而滿足90天存儲需求，同時，作為車地網絡之間的一根高速總線，也可以實現車載其他日志數據（如TCMS）的回傳以及地到車業務（如PIS）的及時推送，構建車地綜合業務通信平臺。

2 什么是5G毫米波

毫米波（Millimeter wave）：波長為1～10毫米的電磁波稱毫米波，它位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點。與光波相比，毫米波利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減24 GHz微波雷達傳感器為極小值的頻率）傳播時的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小[1]。

2.1 毫米波的優點

（1）極寬的帶寬。無線頻譜資源相當稀缺，Wi-Fi、移動網絡、數字電視、衛星通信、雷達、點到點微波等都要占用無線頻譜，而上述常見民用頻段（如2G/3G/4G移動通信、Wi-Fi/Wi-Fi6等）相當擁擠，很難獲取。而毫米波頻段由于頻譜資源豐富，信道帶寬大，根據香農定理，其通信容量也更大，符合大容量傳輸需求。通常認為毫米波頻率范圍為26.5～300 GHz，帶寬高達273.5 GHz，超過從直流波到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達135 GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5倍，這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

（2）波束窄，在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如，同樣12 cm的天線，在微波9.4 GHz時波束寬度為18度，而在毫米波94 GHz時波束寬度僅1.8度，因此可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節。

（3）與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認為具有全天候特性。

（4）和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系統更容易小型化。

2.2 毫米波缺點

（1）大氣中傳播衰減嚴重。

（2）器件加工精度要求高。

3 城市軌道交通場景應用

基于5G毫米波技術的無線通信產品，可專用于軌道交通車地大容量綜合數據高速回傳場景，所采用的60 GHz V-Band毫米波，技術成熟且具備帶寬大、中國區免頻譜申請（59～64 GHz）、遠離常用民用頻點干擾小等優點；在傳統無線通信中，由于其傳輸過程中氧衰大的特性，難以遠距離傳輸，使得應用受限，而該特性正好契合車地回傳場景對短距離通信、防信號泄露的需求。車地無線傳輸鏈路由軌旁基站和車載終端兩部分組成，無須核心網，也無需接入公網，部署簡單，傳輸安全可靠。

3.1 業務特性

通過多種5G關鍵技術的應用[2]，毫米波技術因其具備大帶寬、抗干擾、部署靈活等優勢，可以在站/段低速移動或者靜止場景下將車載大容量CCTV數據、TCMS等綜合數據實現快速下載，將地面PIS業務推送上車，實現車地綜合業務的高速、可靠承載傳輸。

5G毫米波大帶寬可用頻譜59～64 GHz，上行理論速率為1.7 Gbps，車地轉儲業務實際速率為1.5 Gbps，電磁環境：公用頻段（毫米波高頻段電磁環境干凈、頻譜干凈、干擾少），TDD智能調度：根據實際上下行帶寬自適應調度上下行業務流量，獲得最大帶寬使用效率，多天線技術：系統增益多天線智能合并（信號增益大、多天線波束窄、抑制干擾能力強、波束賦形天線自動對準、部署靈活而簡單）。

3.2 5G多天線技術

由于60 GHz頻段波長短，天線就小（天線尺寸和波長成正比），利于使用多天線技術。多天線技術利用空間信道衰落的獨立性，使用不同天線在相同的時頻資源上同時傳輸多個數據流，獲得傳輸速率/最大系統容量提升；同時，在發射總功率相同的前提下，通過多天線陣列分級的相干合并，對處理后平均信噪比有較大提升。

⊙ 天線越多，同向疊加，接收信號強度越強，可獲得更大的陣列增益。

⊙ 天線越多，波速越窄，干擾更小，可獲得更大的天線抑制增益。

3.3 5G波束賦形

通過5G波束賦形（Beam Forming）技術，實現車、地信號的自動對準和跟蹤，部署靈活、簡單。

（1）通過在發射端利用信道信息，對終端數據進行加權，使得接收端信號質量獲得較大提升。

（2）可實現天線自動對準，讓列車在不同位置停靠時，均可獲得最優的傳輸性能；適合段內/站內靈活部署。

（3）利用波束智能跟蹤技術，可實現列車在低速移動時，保持車載數據始終以較高速率回傳而鏈路不中斷。

（4）采用定向傳輸而非傳統扇面天線的廣播式傳輸方式，降低信號泄露風險。

（5）圖波束賦形定向傳輸，增大系統增益，防信號泄露。波束越窄，天線的方向性越好，能量越集中。相比傳統天線，提高天線增益20 dB+。

（6）相控陣天線波束賦形后，實現陣的高指向性窄波束接收，波束之間不會產生干擾，提升干擾場景的吞吐量。而傳統天線是寬波束，有干擾可能會影響整個扇區。

3.4 5G技術演進

基于5G技術打造的開發平臺，除上述5G關鍵技術應用之外，未來還具備持續演進和擴展能力，保障產品高質量及競爭力領先，持續為客戶創造價值。

（1）5G在空口高性能方面的演進：通過M UMIMO、OFDMA、頻移補償等面向未來的5G關鍵技術，支持更大帶寬和高速移動性。

（2）5G在綠色智能組網中的演進：小區自動尋優切換、密集部署干擾抵消、無傳輸時設備自動休眠等智能技術確保綠色、高性能傳輸。

（3）5G在高效運維中的演進：支持全網可視化管理、車載設備遠程運維、自動升級等特性，提升運維效率。

3.5 安全特性

通過進行網絡安全威脅建模分析，實現系統的網絡安全設計，從物理通道安全、空口接入安全、空口數據安全等多個維度，是網絡具備很高的空口安全能力。

3.5.1 物理通道安全

60 GHz毫米波頻段具有氧衰大，不易泄露和被入侵的特點。空氣中的氧氣對V-Band（60 GHz）頻段電磁波有很強的共振吸收作用（每傳播1千米，就有96%的能量被吸收掉），大氣中無處不在的氧氣，對60 GHz的電磁波就像一個厚厚的屏蔽層，60 GHz頻段的氧氣衰減達到20 dB/km（1千米能量衰減到原來的1/100，2千米只有原來的1/10000），導致其無法遠距離傳輸，這在安全上反而成為其顯著優點：信號衰減大無法遠距離傳播，泄露風險小，潛在的入侵者就少。

另外，60 GHz頻段具繞射弱和穿透弱的特點，一本書、一堵墻就能對其產生很大衰減，這也大大降低了其信號泄露的風險。

60 GHz頻段與常用頻段隔離度高，不易被干擾。與移動通信、Wi-Fi、雷達、衛星通信、點對點微波等中國區常用低頻頻段隔離度高，頻點干凈、不易被干擾。

采用波束賦形技術，收窄傳輸波束定向傳輸，而不是開放的廣播式發射，降低信號被竊聽、捕獲的風險。

3.5.2 空口接入安全

（1）空口密鑰認證。軌旁基站和車載設備通過預共享秘鑰鑒權，軌旁基站和車載設備必須使用相同的預共享秘鑰，才能通過鑒權；之后通過多次握手，動態協商密鑰完成認證，由于密鑰隨機動態協商，很難被破解和仿冒。

（2）車載設備認證。軌旁設備可以將合法的車載設備身份標識注冊到白名單列表中，開啟白名單后，即使車載設備已經成功完成空口密鑰認證，也無法直接接入網絡，軌旁設備將進一步啟動白名單認證機制，只有在軌旁基站完成白名單身份注冊的車載設備，才能接入網絡。空口密鑰認證加上白名單認證起到雙重身份認證的防護效果，防止仿冒設備進入網絡。

（3）軌旁基站認證。車載設備也可以根據軌旁設備的身份標識進行接入，該功能類似軌旁設備對車載設備進行白名單認證，可有效防止軌旁基站仿冒。

3.5.3 空口數據安全

（1）空口加密。采用128位的AES（高級加密標準）空口加密方式對空口數據加密傳輸；AES算法，即Advanced Encryption Standard（高級加密標準），是業界公認的安全對稱加密算法，目前112位密碼還在商業應用，而128位的復雜度是112位的幾萬倍，安全性高。該加密方式降低了空口信息可能被盜取而泄露無線鏈路上傳送的業務數據的風險。

加密密鑰動態協商生成，在軌旁基站和車載設備之間對稱傳輸，協商出來的加密密鑰相同，但針對不同的車載設備（1對多場景），各通道加密密鑰互相獨立，協商出來的加密密鑰不同，具有更高安全性。

（2）重傳保護。當雨雪等天氣原因導致信號衰落加大，空口出現誤碼時，可對錯幀數據進行識別，并進行重傳，保障空口數據可靠傳輸。

（3）管理與業務隔離。空口所傳輸的數據包括管理面數據和業務面數據，管理面主要用于對設備進行配置、維護、升級等；而業務面則主要是傳輸鐵路系統需要的車載監控等生產數據，設備采用VLAN隔離技術，二者雖然通過共享物理通道傳輸，但隔離之后，管理通道的異常（如受攻擊）不影響業務數據的安全傳輸。

4 結束語

根據以上分析，5G毫米波技術因其大帶寬、多天線、波束賦形、安全性高等特點，在城市軌道交通中的應用具有極大的優勢，已被全國多條地鐵線路所采用，實際使用效果良好，他很好的滿足了車地無線通信的要求，將在后續地鐵建設中得到進一步是使用和驗證。■