5G通信技术在城市轨道交通中的应用探讨

江 波，段 俊，王津升，匡奇方

（贵阳市城市轨道交通有限公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

基于 4G 网络技术的城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M，地铁长期演进系统），由于其移动性高（相对移动速度≥350  km/h）、覆盖范围大、抗干扰能力强、业务优先级调度算法先进，逐渐取代基于无线局域网（WLAN）的车地通信系统。随着 2016 年中国城市轨道交通协会发布《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》，LTE-M 系统成为新建城市轨道交通线路的首选车地通信系统。同时，应用 LTE 通信网络在地上和地下城市轨道交通运营线的广泛覆盖，也给乘客上网和视频通话提供了方便。但在实际应用和测试中发现，应用于城市轨道交通的 LTE-M 带宽受频谱资源限制，综合承载能力有限；受 LTE-M 延时影响，基于通信的列车控制（CBTC）系统性能受限。

目前各国正在积极推进第 5 代移动通信（5G）技术的研发和相关标准制定工作。国务院在 2016 年 11 月印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中对 5G 技术已有明确方向：“大力推进第 5 代移动通信（5G）联合研发、试验和预商用试点”，同时对轨道交通行业也提出了明确的要求：“强化轨道交通装备领先地位。推进轨道交通装备产业智能化、绿色化、轻量化、系列化、标准化、平台化发展，加快新技术、新工艺、新材料的应用”。地方企业、科研单位已开始进行关于轨道交通信息化和高速移动下的 5G 研究。北京市科委表示，未来地铁新建线将预留 5G 信号空间[1]。工信部表示，力争 2020 年启动 5G 商用[2-3]。通信系统作为城市轨道交通重要的系统之一，5G 新技术的推进为城市轨道交通发展增加了新的动力。

1 5G 技术概述

1.1 5G 介绍

随着移动通信需求的不断增长，新一代移动通信系统——5G 将在未来几年内逐渐商用。届时，5G 依据以往发展的规律会在多个方面的性能有所突破，特别是频谱利用率和能效将有较大提升，使得在传输速率和资源利用率方面会提高 1个数量级甚至更高。另外，5G 将在传输延时、可靠性、安全性、覆盖能力等方面获得较大的性能提升。5G 移动通信系统的应用领域也将进一步扩展，将增加端对端（D2D，Device-to-Device）通信功能，同时增强对海量传感设备及机器对机器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支撑能力[4]，从而促进未来万物互联目标的实现。5G 不仅让用户的体验更好，而且能够满足更多行业、不同应用领域的特定需求。

1.2 技术优势

根据目前的研究进展，5G 将采用多种新技术和新方法改善网络性能、扩展网络功能，如高频段数据通信、大规模阵列天线、新型多址技术、新型多载波技术、全双工、D2D 通信、密集网络、新型网络构架等技术。通过这些技术实现 4G 网络到 5G 网络的飞跃。

相比较 4G 网络，5G 网络系统在以下几个方面的性能将得到显著提升[5]，如图 1 所示。

图1 4G与5G网络性能对比

5G 还增加了 D2D 通信功能，是一种设备到设备的直接通信技术，可以减轻基站负担、减小通信时延，与蜂窝通信相比，D2D 通信仅占一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用 D2D 通信可以减少传输功率、节约能耗。

另外，5G 在安全性、可靠性等方面也提出了更高的要求[6]。

以上 5G 这些主要性能改善有助于提高城市轨道交通通信系统性能。

2 城市轨道交通 5G 应用

2.1 高速通信

目前城市轨道交通 LTE-M 系统使用 1  785～1  805  MHz 频段[7]，但受各地方频率资源使用限制，一般只批准其中的 10  MHz 带宽用于城市轨道交通。考虑到信号系统安全可靠的需求，把 10  MHz 带宽又分为 A、B 双网（5  MHz + 5  MHz）冗余方式进行通信，在此条件下测得在单网使用单漏缆情况下的数据吞吐量如表 1 所示。

表1 LTE-M 上下行数据吞吐量 Mbit/s

按照《城市轨道交通装备技术规范》系统需求，在不同的自动运行等级（GOA，Grade of Automation）下综合承载列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监测业务、视频监控业务（IMS）、乘客信息系统（PIS）视频业务的传输速率要求如表 2 所示。

表2 各业务传输速率要求 Mbit/s

集群调度业务的传输速率未做要求，但根据实际场地测试，单路高清视频约＜4  Mbit/s（H.264）或＜2  Mbit/s（H.265）。

在以上每个业务最小单位的情况下，5  MHz 带宽LTE-M 通信速率难以满足各业务综合承载的设计要求，特别是多业务并发时，例如多列列车在同一小区进行通信、多路视频传输等情况下单网承载远远不能满足需求，进一步使得业务扩展空间受限。受此问题影响，目前解决办法是设计多个网络承载不同业务，导致网络建设复杂、周期长、后期维护难度大等问题。

5G 一方面采用多种技术增加了频谱效率，在原有的带宽下提供更高的通信速率，另一方面采用更高的频段能够缓解频谱资源紧张的现况，实现极高速、短距离通信。综合多种技术改进，5G 网络将频谱效率较 4G网络提高了 5～10 倍，按照现有测试的速率，可以将目前上行平均通信速率提高到 18.5～37  Mbit/s，下行通信速率提高到 42～84  Mbit/s。这样不仅单网可以综合承载现有的所有业务，还可以增加多路高清视频，以及满足更多业务的需求，既简化了新线网络设计的复杂度，同时也降低了维护的难度。随着 5G 网络综合承载能力增强，逐渐减少了轨旁设备的施工安装，有助于满足老旧线路施工周期短、轨旁空间有限的改造需求。

2.2 低延时，高可靠

追踪间隔保证列车以一定的时间间隔在线路上互不干扰地运行，不仅是衡量列车运行控制系统性能的关键指标之一，也是保证运营效率的重要参考。无线通信是CBTC系统实现较小追踪间隔的基础，而通信延迟是无线通信过程中普遍存在的问题，会造成车载和地面设备对信息使用不同步，可靠性降低，对列车追踪间隔、运行安全和效率产生影响[8]。

按照《城市轨道交通装备技术规范》，要求通信系统单路单向传输时延不超过 150  ms 的概率不小于 98%，不超过 2  s 的概率不小于 99.92%。实际测得新建线路基于 LTE-M 网络模拟单路 CBTC 业务在 5M 带宽下端到端时延情况如表 3 所示。

表3 LTE-M网络端到端时延 ms

根据不同通信时延下列车追踪间隔和最优速度值可知[8]，在没有通信延时的理想情况下，列车追踪间隔为 33.06  s，当延时为 200  ms 时，列车追踪间隔为38.27  s。

应用 5G 技术，可将端到端的延时降低至 1  ms 以内，这将使运行间隔进一步缩短，使得虚拟联挂、编组运行成为可能。

另外，通信延时减小，可增加系统的可靠性，提高运行安全。

2.3 端到端通信

目前基于 CBTC 的列车控制系统，为了防止轨旁网络设备发生故障造成列车降级行驶或者停运，在列车运行线路设计了 A、B 相互独立的车地通信网络，互为冗余进行通信。但这样需要在轨旁增设大量的通信设施，提高了建设成本，延长了施工周期，也增加了后期运行维护的难度，不利于老旧线路改造。

5G 通信引入了端到端（D2D）通信技术，设备之间数据通信不需要基站的中转。D2D 通信技术可作为另一种冗余通信方式，在轨旁网络故障情况下，可以使列车与列车之间直接通信，相互汇报各自的位置信息及运行状态信息，从而在保证安全的前提下，不降级继续安全运营。D2D 通信技术使列车与列车之间通信时延可以进一步降低，从而进一步减少列车运行间隔，在提高运行效率的同时，也增加了通信的可靠性。

另外，D2D 通信技术将支持自组织网络及多跳技术，即终端接入设备可以作为网络中继，为其他设备提供通信链路，使得整个网络不会因为个别位置信号弱或受到干扰，或者基站故障而导致无法通信，从而使整个网络更加健壮。此技术能够进一步提升通信网络的可靠性。

D2D 通信技术为列车首尾通信提供新的途径。以往列车车首和车尾的车载控制器之间需要铺设首尾贯通线进行通信，增加了老旧线路车辆的改造难度。D2D 技术可以通过无线的方式，使首尾两端的车载控制器直接通信，而不必经过车地网络，更不用铺设首尾贯通线进行通信，在降低施工改造周期的同时，也为车辆后期维护提供了方便。

D2D 通信技术为地铁设计、建设、运行和维护提供了更加灵活的通信方式。

2.4 海量用户超密集组网

随着 5G 网络通信带宽大幅提高，5G 网络可以承载更多的业务，同时允许大量无线设备组网通信。现有车载、地面有线连接组网的设备，部分可以改为无线组网方式，从而减少大量的布线，同时设备可以灵活地分布放置，从而降低需较大空间集中放置设备的需求，另外也便于设备的安装和维护。

为了增加系统的安全性、可靠性，可适当增加无线传感器设备和监控设备，通过无线网络实时采集车载设备和轨旁设备的状态，进行在线大数据分析，及时发现设备故障和潜在问题，并及时反馈给控制中心和相关人员，第一时间获得准确的信息，对出现的问题进行精确定位，从而保障列车安全、高效地运营。

以上这些业务面临大量的终端接入问题。5G 技术将支持海量终端接入，同时根据终端的特点提供不同的带宽、优先级、安全认证方式等，这为 5G 更加广泛应用提供了技术基础。

2.5 大规模天线阵列

大规模天线阵列有望应用于 5G 网络，可以通过天线空分特性，使相同时频资源能同时服务若干用户，不仅能够提高频谱效率，而且增加了传输的可靠性[9]。这项技术不仅能够解决将来在轨道交通中海量设备接入的问题，而且利用波束赋形可以提高车地通信系统的抗干扰能力。由于波束赋性使波束传播具有一定的方向性，利用此特性还可以间接获得列车大致位置，辅助判断列车运行位置，追踪列车运行轨迹，适合在车辆段、换乘站以及地面段等空间开阔的场景使用。

2.6 绿色通信

随着通信技术的发展，用于通信的能量损耗问题日趋严重，国内外在通信节能减排方面都设立了不同的指标要求。城市轨道交通领域响应国家政策，积极优化网络，降低能量损耗。

5G 通过从网络架构、网络部署、资源调度、链路级技术等方面进行优化[10]，提高系统运行效率，减少传输中的能量损耗，达到提高能量效率和成本效率目标，为实现节能减排、绿色通信提供了技术基础，对于城市轨道交通未来建设和运营具有一定的吸引力。

3 结束语

5G 网络技术研究及应用，对于正在快速发展的城市轨道交通建设具有一定的积极作用。5G 网络技术有望解决现在困扰城市轨道交通通信系统应用中的一些问题，而且提供了更强大的功能、更灵活的应用，为优化城市轨道交通相关系统提供了新的思路。同时 5G 网络技术能够提高系统效率、减少能量损耗、进一步降低部分成本，实现国家倡导的节能减排、绿色通信，对后续城市轨道交通设计、建设和运营都有非常重要的指导意义。