5G 技术在地铁无线专网中的应用探讨

陶潇然，陶孟华

（1.北京泰普科科技有限公司深圳分公司，广东深圳 518000；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

随着城市轨道交通系统的高速发展，地铁已成为都市公共交通系统中最重要的一环。根据中国城市轨道交通协会统计信息，截至2020年底，中国内地共计45个城市开通城市轨道交通，运营线路244条，运营线路总长度7 969.7 km，其中地铁运营线路6 280.8 km，占比78.8%。地铁已逐渐成为国内各大城市主要的市内公共交通工具。因此，作为承担地铁调度和控制的通道，地铁无线通信的重要性也毋庸置疑。

1 现有地铁无线专网

无线专网（或称无线专用网络）在地铁中的应用有如下3个主要发展阶段：20 世纪90年代初的模拟语音通信；2000年前后的数字集群通信（TETRA）；2012年首次应用于地铁无线专网的长期演进技术（LTE）通信（即第四代移动通信， 4G）。

1.1 无线专网业务

无线专网主要承载移动终端以及车-地间的通信业务，其业务包括专用调度无线通信系统、基于通信的列车控制系统（CBTC）、车载视频监控（CCTV）系统和乘客信息系统（PIS）等。

（1）专用调度无线通信系统。为地铁运营人员提供各种语音和数据通信。

（2）CBTC系统。是追踪列车实时位置及速度等运行状态监测数据、下发控制指令的自动控制系统，是高密度行车的安全保证，亦是地铁自动运营的基础，因此对通信的实时性和可靠性有很高的要求。

（3）车载CCTV系统。将驾驶室、车厢等重点区域的实时监视画面传输到地面控制中心和地铁公安部门。

（4）PIS系统。是多媒体咨询发布、播控与管理的平台，为乘客提供列车实时多媒体信息，以及在突发情况下提供紧急疏散指示。

1.2 无线专网业务面临的瓶颈

根据CZJS/T 0032-2015《城市轨道交通CBTC信号系统-DCS子系统规范》中的规定，并综合考虑其他业务，车-地无线通信的带宽需求见表1。

由表1可知，除CCTV系统外，每列车车-地通信所需传输速率为7.4～11.4 Mb/s；同时，每列车通常要求CCTV上传不低于2路视频图像（4～8 Mb/s），在紧急情况下要求能够上传整列车的视频图像（即28～56 Mb/s）。

表1 无线专网业务及所需传输带宽

但目前地铁无线专网传输速率有限，主要工作在以下3个频段。

（1）800 MHz。用于专用调度窄带无线通信系统，无法提供宽带数据传输。

（2）1.8 GHz。该频段仅有20 MHz的专用带宽。以成都地铁5号线为例，在2019年9月13日进行的综合承载测试中，即使以最理想的A网（5 MHz）+B网（15 MHz）综合承载的方案，也仅能够满足除现有各系统加少量的CCTV业务数据传输需求，详细测试结果分别见表2和表3。

表2 成都地铁5号线A网信号系统（5 MHz）功能性验证测试结果

表3 成都地铁5号线B网信号系统（15 MHz）功能性验证测试结果

（3）2.4 GHz/5.8 GHz。拥有较大的带宽，但这一公共频段内受到的干扰日益严重，甚至在特殊情况下曾发生CBTC系统因控制信道被淹没而离线，从而导致全线列车紧急刹车的事故案例。

由此可见，随着地铁的发展，目前使用的宽带移动通信频段（1.8 GHz、2.4 GHz/5.8 GHz）已不能满足其需要，亟需引入第五代移动通信（5G）技术。

2 5G 技术在地铁中的应用特点

2.1 优点

在2020年7月3GPP标准化组织宣布了5G NR Release 16冻结，这意味着5G技术的研究和商用已获得成功，同时意味着其即将进入地铁专用无线领域。

5G技术应用于地铁无线系统时具有下列优点。

（1）更高速率。增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），从 4G的100 Mb/s提高到10～20 Gb/s。

（2）更低时延。超可靠低延迟通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC），端到端时延低至1 ms，为4G技术的1/10。

（3）更多连接。海量机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC），终端接入数支持100万连接/ km2，能支持大量的物联网设备接入。

2.2 关键技术

5G技术的优点得益于除在软件、算法和器件等方面拥有比4G更多的革新和改进外，还采用了如下3项关键技术。

2.2.1 更多的可用频段

无线通信最基本的要求是必须有足够的频段资源支持。3GPP标准化组织制定的规范TS 38.104-2016 NR：Base Station（BS）radio transmission and reception （新空口：基站无线发射与接收）中提出5G NR共计30个频点，具体分为2大类：①FR1（Sub-6G），450～6 000 MHz；②FR2（毫米波，mmWave），24.250～52.600 GHz。

目前国内的无线频段资源非常紧张，5G技术在地铁专网中可应用的频段有以下几种。

（1）1.8 GHz。1.785～1.805 GHz频段可用于行业专用频率。

（2）2.4 GHz/5.6 GHz公共频点。

（3）未来还可能会使用30～60 GHz（即5G-mmWave波段）。

大的频宽必然会带来大的传输带宽。根据香浓定理：

式（1）中，C为传输速率；B为传输带宽；S/N为信噪比。

可知，C与传输带宽和信噪比2方面正相关，而5G FR1段各频点均有接近100 MHz或以上的上下行总带宽，部分频段甚至超过500 MHz，同时FR2段的频点可用带宽均超过3 GHz，因此5G的理论传输速率将达到地铁专网现有LTE系统的150倍以上。

2.2.2 Massive MIMO 与频带复用

多入多出（MIMO）技术是在4G时代就已提出，其可结合“正交频分复用（OFDM）”技术实现同一频带内多通道同时传输，从而提高整体信道复用率；或通过多通道增强传输信号的强度并消减由多径等因素造成的衰减，从而提高通信质量。由于受限于波长和天线尺寸，4G技术下的天线/信道数量有限（2/4天线），而5G技术则采用更加先进的大规模多入多出（Massive MIMO）技术。这是因为5G能够采用mmWave信号，其天线尺寸可做到足够小，目前5G基站的天线通常可达到64T64R（即64 发64收），其通道数量达到4G的数十倍，信道复用率将会大幅超过4G，因此5G系统可以接入更多的终端，同时传输速率也将远高于4G系统。在这种情况下，传输速率C的计算公式为：

式（2）中，W为信道平均带宽，Hz；m为空间自由度（信道数）；Pi为第i条信道信号功率，dB；Ni为第i条信道噪声，dB；Ii为第i条信道干扰，dB。

5G技术能够在相同的物理带宽限制内更进一步以数量级的优势提升频带复用率，从而达到更高的传输速率。

2.2.3 Beamforming 与信噪比

Beamforming即“波束赋形”技术，也是在4G时代就已经提出。该技术是在发射端通过先加权再发送，多波束叠加最终形成更“窄”（旁瓣能量更低）的发射波束，使能量集中在特定方向，增加特定方向的信号功率，从而提高信噪比。与MIMO类似，4G通信受限于天线尺寸较大，只有特殊工艺加工的3D MIMO天线具备波束赋形的能力，其相对高昂的成本与部署技术难度使这一技术最终没有普及。

而5G技术的毫米波天线尺寸足够小，使相控阵天线的实现成本更低，且单位面积的天线数量更多，最终形成的波束更“窄”，信道的信噪比更高，从而可以大幅提高传输质量。

2.3 需要克服的弱点

虽然5G技术有上述这些优点，但在实际应用中还有很多弱点需要克服，首当其冲的就是电磁信号的衰减。在无线通信中，信号衰减的计算公式为：

式（3）中，L为功率衰减值，dBm；PTX为发射功率，dBm；PRX为接收功率，dBm；f为电磁波频率，MHz；r为传输距离，km；GTX为发射天线增益，dB；GRX为接收天线增益，dB。

其中功率衰减与频率和传输距离的平方成反比，即

式（4）中，c为电磁波传播速度（自由空间内为光速）；λ为电磁波波长。

从上述公式可得出：发射功率与天线增益不变时，信号最远覆盖距离（即达到最小接收电平的距离）与电磁波频率成反比。因此，简单从载波频率角度计算，Sub-6G频段的理论覆盖距离仅为现有LTE系统的1/2，而mmWave频段的甚至不到1/10。

但是，实际情况相对复杂得多，得益于5G的Massive MIMO与Beamforming技术，其GTX远大于现有LTE系统的天线增益，在一定程度上弥补了功率衰减过快的问题。

3 5G 技术在地铁上的应用探讨

3.1 在场站中的应用

5G技术在mmWawe频段（相对于4G技术）的最大缺陷是会导致在相同发射功率下的覆盖范围大幅降低，其优势则是极高的传输效率与极小的天线尺寸，同时包括Massive MIMO在内的各项5G技术使得单点接入设备数海量增长。因此5G技术非常适合部署于车站、枢纽站、车辆段等相对封闭的空间，并为车站智能化等新应用提供物联网接入点。这类环境的特点是空间狭小，并不需要太长的覆盖距离，同时5G技术较小的天线尺寸也使其在这类有限空间的工程实施与维护相对简单，不会对建筑结构提出过多的要求。

3.2 在隧道中的信号覆盖

在实际工程应用中，无线信号通常在隧道内以敷设漏缆的方式实现信号的覆盖，在隧道里每隔800～1 000 m布设1台射频拉远单元（RRU）发射射频信号。而5G技术采用的高频信号（如mmWave）在遇到障碍物时，会在其表面发生镜面反射，即类似于光信号在光纤内的传播方式，频率过高的射频信号会在同轴线缆2 层导体之间以全反射的方式传播，这一效应被称为“波导效应”。波导效应会使得非波导方向的信号强度急剧减弱，因此5G高频信号（如5.6 GHz信号甚至30 GHz的mmWave电信号）难以通过漏缆的方式进行信号覆盖，而是需要采用定向天线的方式在隧道内完成信号覆盖。

同时，由于高频信号衰减速率较高，目前在工程应用中采用5.8 GHz频率时，通常隧道内每隔400～500 m需要布设基站或有源设备，若将来采用5G技术的高频信号，基站或有源设备的间距必然会更小。

当然，5G技术在隧道环境下的部署也有其优势。5G mmWawe的天线尺寸非常小，可达到厘米乃至毫米级别，能够更好地适应隧道内有限的部署空间。同时，其特有的波束赋形技术也能很好地满足隧道环境下的定向传输需求。

3.3 多天线 / 天线阵列的工程实施

除天线部署点位外，5G高频信号天线的部署实施方式也需要进一步探讨。其高频信号可以利用上下行信道角度的互易性产生波束，见图1，可通过采用分布式Massive MIMO或分布式MIMO技术将多个RRU天线信号联合处理，解决线路小区边缘信号干扰和列车快速切换造成的通信速率下降的难题，其无线传输性能将优于传统4G/LTE技术。另外，5G技术采用高精度频率跟踪和时域补偿信号处理技术，能够在一定程度上消除多普勒的影响，提高链路的鲁棒性，使其更加适合于高速移动场景下的无线通信。这也对具体工程实施提出了更高的要求，例如：

图1 分布式MIMO

（1）为利用上下行信道角度的互易性产生波束，需对上下行频段间隔有严苛的要求，同时对载波的可用带宽提出了相应要求；

（2）分布式Massive MIMO技术对多天线间的一致性有极高的要求，即对天线生产工艺以及现场布设技术水平提出了更高的要求；

（3）这些技术对列车上的移动接入设备提出了新的要求，即要求其能够处理、区分多个波束数据。

4 结语

相较于目前地铁无线专网主要应用的1.8 GHz频段，5G技术的Sub-6G乃至mmWave频段高频信号的最大优势在于其极高的带宽与数据传输速率，在完全满足现有业务以及CCTV全视频流上传的需求上，还可以为智慧车站、智慧地铁等新增业务提供无线传输通道。此外，5G-mmWave频段具备的另一优势是单点设备接入数相比现有技术有数量级的提高，这也为未来物联网设备接入乃至万物互联的实现提供了基础传输通道。

为在地铁无线专网中发挥5G技术的优势，还必须更进一步了解5G系统的特点和对环境的特殊要求，通过分析地铁的工程特点，利用工程措施来保证和实现5G大带宽与高数据传输速率。例如，采用业务分类，利用不同频道的传播特性来满足不同业务的需求，用1.8 GHz频段来承载CBTC、紧急报文、列车运行状态监测等事关列车运行安全的关键数据；采用Sub-6G频段承载CCTV、PIS、视频调度等非关键但是极度消耗数据传输带宽的业务；利用mmWave频段覆盖地下车站、主变电所等空间有限但往往布设大量设备或传感器，对传输链路单点接入有较大需求的场景。

因此，5G技术作为新生的技术，要想实现其在地铁通信系统中的大规模应用，在覆盖方式与可靠性上还有很多工作要做。例如，在相对低频信号下如何通过多天线实现波束赋形与Massive MIMO；同时在5G系统建设中要考虑mmWave频段无线通信系统的接入余量，为即将到来的物联网与智慧地铁建设做好准备。这些问题将在后续的研究与文章中进一步探讨。