5G毫米波技术在城市轨道交通中的应用

李瀛生

（南京熊猫信息产业有限公司，江苏 南京 210000）

1 研究背景

长期以来，地铁车地通信系统受制于车地无线网络带宽不足，无法实现车载CCTV、PIS、TCMS等大量数据的及时回传。目前有如下几种方式实现车地数据的转储，主要是USB拷贝、人工拔插硬盘和Wi-Fi等方式，导致如下的问题。

（1）USB拷贝：人力成本消耗高，难于拷贝大容量的视频数据；数据完整性易受病毒感染、数据丢失及系统的接口损坏等影响。

（2）人工拔插硬盘：人力成本消耗高，多次拔插，硬盘损耗较高，数据丢失和运维成本高以及病毒隐患等。

（3）Wi-Fi：传输距离短，速率一般为56 Mbps，数据下载超过2小时，数据丢失率达60%；抗干扰能力弱。

目前，一种新型车地无线技术5G毫米波技术在车地高速通信系统中的应用，解决了上述问题，采用该技术的产品，可在车辆段及正线利用列车停站的短暂瞬间，以超过1 Gbps的速率，将车载CCTV系统视频录像回传到地面存储系统中保存，从而满足90天存储需求，同时，作为车地网络之间的一根高速总线，也可以实现车载其他日志数据（如TCMS）的回传以及地到车业务（如PIS）的及时推送，构建车地综合业务通信平台。

2 什么是5G毫米波

毫米波（Millimeter wave）：波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。与光波相比，毫米波利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减24 GHz微波雷达传感器为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小[1]。

2.1 毫米波的优点

（1）极宽的带宽。无线频谱资源相当稀缺，Wi-Fi、移动网络、数字电视、卫星通信、雷达、点到点微波等都要占用无线频谱，而上述常见民用频段（如2G/3G/4G移动通信、Wi-Fi/Wi-Fi6等）相当拥挤，很难获取。而毫米波频段由于频谱资源丰富，信道带宽大，根据香农定理，其通信容量也更大，符合大容量传输需求。通常认为毫米波频率范围为26.5～300 GHz，带宽高达273.5 GHz，超过从直流波到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135 GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍，这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

（2）波束窄，在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如，同样12 cm的天线，在微波9.4 GHz时波束宽度为18度，而在毫米波94 GHz时波束宽度仅1.8度，因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。

（3）与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性。

（4）和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系统更容易小型化。

2.2 毫米波缺点

（1）大气中传播衰减严重。

（2）器件加工精度要求高。

3 城市轨道交通场景应用

基于5G毫米波技术的无线通信产品，可专用于轨道交通车地大容量综合数据高速回传场景，所采用的60 GHz V-Band毫米波，技术成熟且具备带宽大、中国区免频谱申请（59～64 GHz）、远离常用民用频点干扰小等优点；在传统无线通信中，由于其传输过程中氧衰大的特性，难以远距离传输，使得应用受限，而该特性正好契合车地回传场景对短距离通信、防信号泄露的需求。车地无线传输链路由轨旁基站和车载终端两部分组成，无须核心网，也无需接入公网，部署简单，传输安全可靠。

3.1 业务特性

通过多种5G关键技术的应用[2]，毫米波技术因其具备大带宽、抗干扰、部署灵活等优势，可以在站/段低速移动或者静止场景下将车载大容量CCTV数据、TCMS等综合数据实现快速下载，将地面PIS业务推送上车，实现车地综合业务的高速、可靠承载传输。

5G毫米波大带宽可用频谱59～64 GHz，上行理论速率为1.7 Gbps，车地转储业务实际速率为1.5 Gbps，电磁环境：公用频段（毫米波高频段电磁环境干净、频谱干净、干扰少），TDD智能调度：根据实际上下行带宽自适应调度上下行业务流量，获得最大带宽使用效率，多天线技术：系统增益多天线智能合并（信号增益大、多天线波束窄、抑制干扰能力强、波束赋形天线自动对准、部署灵活而简单）。

3.2 5G多天线技术

由于60 GHz频段波长短，天线就小（天线尺寸和波长成正比），利于使用多天线技术。多天线技术利用空间信道衰落的独立性，使用不同天线在相同的时频资源上同时传输多个数据流，获得传输速率/最大系统容量提升；同时，在发射总功率相同的前提下，通过多天线阵列分级的相干合并，对处理后平均信噪比有较大提升。

⊙ 天线越多，同向叠加，接收信号强度越强，可获得更大的阵列增益。

⊙ 天线越多，波速越窄，干扰更小，可获得更大的天线抑制增益。

3.3 5G波束赋形

通过5G波束赋形（Beam Forming）技术，实现车、地信号的自动对准和跟踪，部署灵活、简单。

（1）通过在发射端利用信道信息，对终端数据进行加权，使得接收端信号质量获得较大提升。

（2）可实现天线自动对准，让列车在不同位置停靠时，均可获得最优的传输性能；适合段内/站内灵活部署。

（3）利用波束智能跟踪技术，可实现列车在低速移动时，保持车载数据始终以较高速率回传而链路不中断。

（4）采用定向传输而非传统扇面天线的广播式传输方式，降低信号泄露风险。

（5）图波束赋形定向传输，增大系统增益，防信号泄露。波束越窄，天线的方向性越好，能量越集中。相比传统天线，提高天线增益20 dB+。

（6）相控阵天线波束赋形后，实现阵的高指向性窄波束接收，波束之间不会产生干扰，提升干扰场景的吞吐量。而传统天线是宽波束，有干扰可能会影响整个扇区。

3.4 5G技术演进

基于5G技术打造的开发平台，除上述5G关键技术应用之外，未来还具备持续演进和扩展能力，保障产品高质量及竞争力领先，持续为客户创造价值。

（1）5G在空口高性能方面的演进：通过M UMIMO、OFDMA、频移补偿等面向未来的5G关键技术，支持更大带宽和高速移动性。

（2）5G在绿色智能组网中的演进：小区自动寻优切换、密集部署干扰抵消、无传输时设备自动休眠等智能技术确保绿色、高性能传输。

（3）5G在高效运维中的演进：支持全网可视化管理、车载设备远程运维、自动升级等特性，提升运维效率。

3.5 安全特性

通过进行网络安全威胁建模分析，实现系统的网络安全设计，从物理通道安全、空口接入安全、空口数据安全等多个维度，是网络具备很高的空口安全能力。

3.5.1 物理通道安全

60 GHz毫米波频段具有氧衰大，不易泄露和被入侵的特点。空气中的氧气对V-Band（60 GHz）频段电磁波有很强的共振吸收作用（每传播1千米，就有96%的能量被吸收掉），大气中无处不在的氧气，对60 GHz的电磁波就像一个厚厚的屏蔽层，60 GHz频段的氧气衰减达到20 dB/km（1千米能量衰减到原来的1/100，2千米只有原来的1/10000），导致其无法远距离传输，这在安全上反而成为其显著优点：信号衰减大无法远距离传播，泄露风险小，潜在的入侵者就少。

另外，60 GHz频段具绕射弱和穿透弱的特点，一本书、一堵墙就能对其产生很大衰减，这也大大降低了其信号泄露的风险。

60 GHz频段与常用频段隔离度高，不易被干扰。与移动通信、Wi-Fi、雷达、卫星通信、点对点微波等中国区常用低频频段隔离度高，频点干净、不易被干扰。

采用波束赋形技术，收窄传输波束定向传输，而不是开放的广播式发射，降低信号被窃听、捕获的风险。

3.5.2 空口接入安全

（1）空口密钥认证。轨旁基站和车载设备通过预共享秘钥鉴权，轨旁基站和车载设备必须使用相同的预共享秘钥，才能通过鉴权；之后通过多次握手，动态协商密钥完成认证，由于密钥随机动态协商，很难被破解和仿冒。

（2）车载设备认证。轨旁设备可以将合法的车载设备身份标识注册到白名单列表中，开启白名单后，即使车载设备已经成功完成空口密钥认证，也无法直接接入网络，轨旁设备将进一步启动白名单认证机制，只有在轨旁基站完成白名单身份注册的车载设备，才能接入网络。空口密钥认证加上白名单认证起到双重身份认证的防护效果，防止仿冒设备进入网络。

（3）轨旁基站认证。车载设备也可以根据轨旁设备的身份标识进行接入，该功能类似轨旁设备对车载设备进行白名单认证，可有效防止轨旁基站仿冒。

3.5.3 空口数据安全

（1）空口加密。采用128位的AES（高级加密标准）空口加密方式对空口数据加密传输；AES算法，即Advanced Encryption Standard（高级加密标准），是业界公认的安全对称加密算法，目前112位密码还在商业应用，而128位的复杂度是112位的几万倍，安全性高。该加密方式降低了空口信息可能被盗取而泄露无线链路上传送的业务数据的风险。

加密密钥动态协商生成，在轨旁基站和车载设备之间对称传输，协商出来的加密密钥相同，但针对不同的车载设备（1对多场景），各通道加密密钥互相独立，协商出来的加密密钥不同，具有更高安全性。

（2）重传保护。当雨雪等天气原因导致信号衰落加大，空口出现误码时，可对错帧数据进行识别，并进行重传，保障空口数据可靠传输。

（3）管理与业务隔离。空口所传输的数据包括管理面数据和业务面数据，管理面主要用于对设备进行配置、维护、升级等；而业务面则主要是传输铁路系统需要的车载监控等生产数据，设备采用VLAN隔离技术，二者虽然通过共享物理通道传输，但隔离之后，管理通道的异常（如受攻击）不影响业务数据的安全传输。

4 结束语

根据以上分析，5G毫米波技术因其大带宽、多天线、波束赋形、安全性高等特点，在城市轨道交通中的应用具有极大的优势，已被全国多条地铁线路所采用，实际使用效果良好，他很好的满足了车地无线通信的要求，将在后续地铁建设中得到进一步是使用和验证。■