5G在城市轨道交通中的应用前景分析

邹劲柏 张科博 洪 翔 张海娟

(1. 上海应用技术大学轨道交通学院，201418，上海；2. 上海申通地铁集团有限公司技术中心，201103，上海//第一作者，教授级高级工程师)

5G指的是第5代移动通信技术。自4G逐渐普及之后，5G已经成为通信行业的热点话题。目前我国已经划拨了位于3.5 GHz频段的200 MHz频谱给5G试验，预计2020年左右商用。无论是从标准还是从频点规划角度，5G试验对整个通信行业都将起到非常积极的作用，试验有望推动5G标准的制定和整个产业链的成熟。

5G将成为重要的移动通信系统，在频谱利用率和资源利用率等方面，体现了更高的水平。5G移动通信具有能耗低、通信性能良好和频谱利用率高等特点，目前正在不断向智能化和自动化等方向发展。

5G无疑具有较好的发展前景。但4G技术刚开始在城市轨道交通行业内推广应用，因此5G技术的应用发展是一个需要业内思考和认识的问题。

1 5G的特点及优势

1. 1 5G的特点

5G已成为我国通信领域的一大重要研究课题，其发展呈现出新的特点。

1) 5G研究更倾向于在增强用户体验的同时推进其技术不断变革,网络平均吞吐速率、传输时延，以及对虚拟现实、3D、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G性能的关键指标。

2) 与传统的移动通信系统理念不同,5G将不仅仅把点到点的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标,而是从更为广泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破重点,力求在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高。

3) 高频段频谱资源将更多地应用于5G,但由于受到高频段无线电波穿透能力的限制,无线与有线的融合及光载无线组网等技术将被更为普遍地应用。

4) 可“软”配置的 5G 无线网络将成为未来重要的研究方向,运营商可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源,有效地降低网络运营的成本和能源的消耗。

1. 2 4G和5G的技术性能对比分析

4G和5G技术性能对比分析如表1所示。

表1 4G与5G对比表

2 城市轨道交通无线通信的发展和需求

2. 1 发展历程

2. 1. 1 无线列车调度系统

列车调度是城市轨道交通领域最早采用无线通信技术的场合。20世纪60年代北京地铁的150 MHz列车调度系统，采用的是模拟无线通信技术，该技术一直发展到2000年前后。上海地铁引进的BOSCH无线系统以及出口伊朗德黑兰的国产450 MHz列车调度系统，采用的都是该技术。2000年后，广州地铁率先采用800 MHz TETRA(陆上集群无线电)系统组网建设，该技术相当于2G水平，较为成熟可靠。目前，4G在国内地铁行业内已逐步得到运用，广州、温州、乌鲁木齐、宁波等城市的地铁，采用了基于LTE(长期演进)承载集群语音调度通信的B-TRUNC标准。

2. 1. 2 列车控制

目前,国内地铁CBTC(基于通信的列车控制)基本上都采用2.4 GHz频段，并基于WLAN(无线局域网)技术建设车地无线网络。由于CBTC车地无线通信系统承载的是列车控制信息，涉及行车安全性能，对系统的安全性及可靠性要求较高，因此该系统需具备独立输出传输通道及可靠冗余的通信信道。

近年来，如武汉、上海、苏州、宁波等城市的地铁已开始采用LTE技术承载CBTC系统。考虑安全性等因素，列车控制系统的车地传输普遍采用了物理上独立的独享LTE网络。

2. 1. 3 乘客信息系统

乘客信息系统(PIS)的车地无线传输技术，主要包括数字电视广播及基于IEEE 802.11的WLAN、LTE-M和EUHT(超高速移动通信)等无线宽带技术。

2. 1. 4 车辆监控系统

通过车地无线网络传递车辆视频监控信息至地面控制中心,主要通过WLAN传输。

2. 2 需求分析

除了上述的CBTC、列车调度、PIS、CCTV(闭路电视)等车地无线应用之外，车辆在途的监测数据也需要借助无线车地传输通道。随着移动互联网技术的发展、无人驾驶模式的推广、智慧地铁的建设、大数据的应用及地铁管理水平的提高，地铁移动办公、车辆大数据采集及轨旁监测数据采集亦对无线通信的带宽提出了更大的需求。这些应用对无线通道的需求各不相同，有些要求高可靠，有些要求高带宽，而有些则要求低功耗，总体而言需要一个适应业务种类多、安全要求高及带宽差异化大的车地传输网络。

根据中国城市轨道交通协会相关指导文件要求、城市轨道交通车地数据传输需求，以及未来需要承载的业务，对主要带宽的要求如表2所示。

城市轨道交通对车地传输带宽的需求逐年增加，但技术从诞生到稳定，需结合城市轨道交通自身的特点，综合考虑包括技术先进性、适用性、可靠性及产业链的成熟度等诸多因素不断进行创新和完善。

3 5G应用前景分析

3. 1 5G的关键技术

5G的关键技术主要是大规模多天线传输技术(Massive MIMO)，该技术具有较高的传输频率，且拥有密集的网络技术和新型的网络架构。

表2 城市轨道交通无线通信需求分析表

3. 1. 1 更高的无线频段

5G技术未来须向高频率阶段方向扩展，特别是毫米波频段，这个频段范围拥有大量的频谱资源，而且有较大的连续带宽。

3. 1. 2 5G网络的安全性

5G网络的一大特征是垂直行业与移动网络的深度融合，为了适应多种应用场景中不同类型的终端设备、多种接入方式及多种时延要求等，提供了统一的认证框架，以支持多种接入方式和接入凭证；提供按需的安全保护，满足多种应用场景中的生命周期要求和业务的时延要求；提供隐私保护，以满足用户隐私保护及相关法规的要求。

3. 1. 3 多天线传输技术

大规模天线阵列技术可以在同一时频资源上同时服务多个用户。为承载更多的小区容量和担负更快的数据下载速率，对MIMO天线的许多功能进行了增强性改进。

3. 1. 4 密集网络技术

密集网络技术即为更加密集化的小区网络部署，该技术是一种有效提升5G技术中网络总容量的方法，可以提高无线网络通信信号的抗干扰能力，重点是对边缘用户网络性能的提高。在密集网络技术的支持下，未来的5G网络将会成为“宏蜂窝+长期微蜂窝+临时微蜂窝”的网络架构，大大增强了5G的灵活性。

3. 2 5G在城市轨道交通的应用发展趋势分析

3. 2. 1 技术发展趋势分析

车地无线传输通信是城市轨道交通信息化和智能化的关键技术，直接影响到城市轨道交通的正常运营、效率提升及服务品质。通信技术发展的主要驱动力，是不断增长的带宽需求及核心技术的突破。根据目前主流的移动通信技术发展趋势，从2G、3G、4G到即将推出的5G，大约每5年更新一代，且随着移动互联网和物联网的蓬勃发展，对带宽的需要还存在较大的增长空间。

城市轨道交通无线通信是以满足运营维护需求为目的，在带宽的需求方面亦呈不断增长的态势。但城市轨道交通自身建设周期长，对系统设备的可靠性和可用性要求较高，一般使用寿命为15年左右，其更新节奏滞后于主流技术。

从城市轨道交通无线通信的发展趋势来看，车地无线传输一般基于主流无线技术，同时体现行业特点，满足高可靠性和长生命周期等实际需求。铁路及城市轨道交通从最初的450 MHz模拟专用信道的无线列调系统，直接升级到2G水平的GSM-R和TETRA技术，之后4G水平的LTE逐步进入应用阶段，其间模拟集群和3G技术并行推广。城市轨道交通无线通信的发展主要是满足行业应用，而不是紧随最先进的技术。因此从历史发展规律来看，5G在城市轨道交通行业的大规模推广将会受到很多方面的影响。图1为无线通信技术多业务应用示意图。

3. 2. 2 需求分析

从需求的角度可以看出，无论是CBTC、无线列调、PIS,还是列车在途数据，一般都包括安全数据、非安全数据、语音、图像等4大类信息。每种信息的传输对高可靠、高优先级的数据量的需求均不算大，但非安全数据和图像等信息则需要较大的带宽。因此需充分利用现有LTE-M的可用带宽，以适当的服务质量和安全策略，通过无线电收敛的模式满足多业务的需求。

图1 多业务整合模型示意图

3. 2. 3 技术特点分析

5G虽然采用了一些新技术可以提高带宽，但具体到城市轨道交通的应用场景则很难发挥作用。大规模MIMO技术需要采用大量的、甚至多达上百个天线阵子单元，这就需要有较大的天线安装空间，但无论对于列车还是隧道而言，安装大尺寸的天线均存在较大难度。

CBTC一直采用物理上独立的车地传输方式，为了尽可能地保证列车控制的安全性，与其他车地传输网络相隔离。5G是面向垂直行业和运营商深度融合的网络，在安全性方面主要采用非物理隔离的虚拟隔离技术措施来保证安全性和不同的服务等级要求，但是否能够满足CBTC的要求还需进一步研究。

关于5G的频点，国际上并没有相关标准，但普遍认为毫米波段较为合理。而该频段的无线信号传播通常采用低功耗设备，隧道内通信距离一般为100～200 m，这就需要部署更多的接入设备，而如此密集地部署接入设备，对轨道交通通信系统的维护和管理也带来了一定的压力。波导管技术可以提供微波频段的良好传播特性，但在设计、成本及维护等方面还存在诸多问题。

3. 2. 4 产业发展趋势分析

无线通信系统具有技术难度大、前期投入大、研发周期长及产业链庞大等特点。基于4G的LTE专网技术自2011年在神华铁路线开展试验，历时5年多，才在轨道交通行业逐步推广，如果追溯到民用4G技术的起步时间，周期则要更长。因此，缺少标准支撑和较雄厚产业基础的技术，即便先进也未必适合轨道交通的大规模使用。一些非主流的通信技术，如Wi-max、HRC、DVB-T等，虽技术较为先进，而且具有一定特点，但终究很难形成规模。所以，目前以LTE和Wi-Fi技术作为地铁车地传输的主流技术是符合客观现实的。

4 结语

通过对5G的发展趋势、技术特点及行业需求等进行多角度分析，可知5G技术在城市轨道交通行业应用的充分性、必要性及可实施性还有待研究；尤其是安全性、无线频谱带宽及隧道传播特性等方面须开展深入研究。相较5G而言，LTE制式的无线通信系统则更具技术优势，更适合当前城市轨道交通的行业应用。若将已有的TETRA和Wi-Fi等无线通道进行整合，并进行统一规划、综合承载及合理分配，则可充分利用城市轨道交通的各种无线资源，这是符合实际情况、亦较为先进的城市轨道交通车地传输技术。