5G在城市軌道交通中的應(yīng)用前景分析

鄒勁柏 張科博 洪 翔 張海娟

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，201418，上海；2. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海//第一作者，教授級高級工程師)

5G指的是第5代移動通信技術(shù)。自4G逐漸普及之后，5G已經(jīng)成為通信行業(yè)的熱點(diǎn)話題。目前我國已經(jīng)劃撥了位于3.5 GHz頻段的200 MHz頻譜給5G試驗，預(yù)計2020年左右商用。無論是從標(biāo)準(zhǔn)還是從頻點(diǎn)規(guī)劃角度，5G試驗對整個通信行業(yè)都將起到非常積極的作用，試驗有望推動5G標(biāo)準(zhǔn)的制定和整個產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。

5G將成為重要的移動通信系統(tǒng)，在頻譜利用率和資源利用率等方面，體現(xiàn)了更高的水平。5G移動通信具有能耗低、通信性能良好和頻譜利用率高等特點(diǎn)，目前正在不斷向智能化和自動化等方向發(fā)展。

5G無疑具有較好的發(fā)展前景。但4G技術(shù)剛開始在城市軌道交通行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用，因此5G技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展是一個需要業(yè)內(nèi)思考和認(rèn)識的問題。

1 5G的特點(diǎn)及優(yōu)勢

1. 1 5G的特點(diǎn)

5G已成為我國通信領(lǐng)域的一大重要研究課題，其發(fā)展呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。

1) 5G研究更傾向于在增強(qiáng)用戶體驗的同時推進(jìn)其技術(shù)不斷變革,網(wǎng)絡(luò)平均吞吐速率、傳輸時延，以及對虛擬現(xiàn)實、3D、交互式游戲等新興移動業(yè)務(wù)的支撐能力等將成為衡量5G性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

2) 與傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)理念不同,5G將不僅僅把點(diǎn)到點(diǎn)的物理層傳輸與信道編譯碼等經(jīng)典技術(shù)作為核心目標(biāo),而是從更為廣泛的多點(diǎn)、多用戶、多天線、多小區(qū)協(xié)作組網(wǎng)作為突破重點(diǎn),力求在體系構(gòu)架上尋求系統(tǒng)性能的大幅度提高。

3) 高頻段頻譜資源將更多地應(yīng)用于5G,但由于受到高頻段無線電波穿透能力的限制,無線與有線的融合及光載無線組網(wǎng)等技術(shù)將被更為普遍地應(yīng)用。

4) 可“軟”配置的 5G 無線網(wǎng)絡(luò)將成為未來重要的研究方向,運(yùn)營商可根據(jù)業(yè)務(wù)流量的動態(tài)變化實時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源,有效地降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的成本和能源的消耗。

1. 2 4G和5G的技術(shù)性能對比分析

4G和5G技術(shù)性能對比分析如表1所示。

表1 4G與5G對比表

2 城市軌道交通無線通信的發(fā)展和需求

2. 1 發(fā)展歷程

2. 1. 1 無線列車調(diào)度系統(tǒng)

列車調(diào)度是城市軌道交通領(lǐng)域最早采用無線通信技術(shù)的場合。20世紀(jì)60年代北京地鐵的150 MHz列車調(diào)度系統(tǒng)，采用的是模擬無線通信技術(shù)，該技術(shù)一直發(fā)展到2000年前后。上海地鐵引進(jìn)的BOSCH無線系統(tǒng)以及出口伊朗德黑蘭的國產(chǎn)450 MHz列車調(diào)度系統(tǒng)，采用的都是該技術(shù)。2000年后，廣州地鐵率先采用800 MHz TETRA(陸上集群無線電)系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)，該技術(shù)相當(dāng)于2G水平，較為成熟可靠。目前，4G在國內(nèi)地鐵行業(yè)內(nèi)已逐步得到運(yùn)用，廣州、溫州、烏魯木齊、寧波等城市的地鐵，采用了基于LTE(長期演進(jìn))承載集群語音調(diào)度通信的B-TRUNC標(biāo)準(zhǔn)。

2. 1. 2 列車控制

目前,國內(nèi)地鐵CBTC(基于通信的列車控制)基本上都采用2.4 GHz頻段，并基于WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)建設(shè)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。由于CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)承載的是列車控制信息，涉及行車安全性能，對系統(tǒng)的安全性及可靠性要求較高，因此該系統(tǒng)需具備獨(dú)立輸出傳輸通道及可靠冗余的通信信道。

近年來，如武漢、上海、蘇州、寧波等城市的地鐵已開始采用LTE技術(shù)承載CBTC系統(tǒng)?？紤]安全性等因素，列車控制系統(tǒng)的車地傳輸普遍采用了物理上獨(dú)立的獨(dú)享LTE網(wǎng)絡(luò)。

2. 1. 3 乘客信息系統(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)(PIS)的車地?zé)o線傳輸技術(shù)，主要包括數(shù)字電視廣播及基于IEEE 802.11的WLAN、LTE-M和EUHT(超高速移動通信)等無線寬帶技術(shù)。

2. 1. 4 車輛監(jiān)控系統(tǒng)

通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳遞車輛視頻監(jiān)控信息至地面控制中心,主要通過WLAN傳輸。

2. 2 需求分析

除了上述的CBTC、列車調(diào)度、PIS、CCTV(閉路電視)等車地?zé)o線應(yīng)用之外，車輛在途的監(jiān)測數(shù)據(jù)也需要借助無線車地傳輸通道。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、無人駕駛模式的推廣、智慧地鐵的建設(shè)、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用及地鐵管理水平的提高，地鐵移動辦公、車輛大數(shù)據(jù)采集及軌旁監(jiān)測數(shù)據(jù)采集亦對無線通信的帶寬提出了更大的需求。這些應(yīng)用對無線通道的需求各不相同，有些要求高可靠，有些要求高帶寬，而有些則要求低功耗，總體而言需要一個適應(yīng)業(yè)務(wù)種類多、安全要求高及帶寬差異化大的車地傳輸網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會相關(guān)指導(dǎo)文件要求、城市軌道交通車地數(shù)據(jù)傳輸需求，以及未來需要承載的業(yè)務(wù)，對主要帶寬的要求如表2所示。

城市軌道交通對車地傳輸帶寬的需求逐年增加，但技術(shù)從誕生到穩(wěn)定，需結(jié)合城市軌道交通自身的特點(diǎn)，綜合考慮包括技術(shù)先進(jìn)性、適用性、可靠性及產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度等諸多因素不斷進(jìn)行創(chuàng)新和完善。

3 5G應(yīng)用前景分析

3. 1 5G的關(guān)鍵技術(shù)

5G的關(guān)鍵技術(shù)主要是大規(guī)模多天線傳輸技術(shù)(Massive MIMO)，該技術(shù)具有較高的傳輸頻率，且擁有密集的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

表2 城市軌道交通無線通信需求分析表

3. 1. 1 更高的無線頻段

5G技術(shù)未來須向高頻率階段方向擴(kuò)展，特別是毫米波頻段，這個頻段范圍擁有大量的頻譜資源，而且有較大的連續(xù)帶寬。

3. 1. 2 5G網(wǎng)絡(luò)的安全性

5G網(wǎng)絡(luò)的一大特征是垂直行業(yè)與移動網(wǎng)絡(luò)的深度融合，為了適應(yīng)多種應(yīng)用場景中不同類型的終端設(shè)備、多種接入方式及多種時延要求等，提供了統(tǒng)一的認(rèn)證框架，以支持多種接入方式和接入憑證；提供按需的安全保護(hù)，滿足多種應(yīng)用場景中的生命周期要求和業(yè)務(wù)的時延要求；提供隱私保護(hù)，以滿足用戶隱私保護(hù)及相關(guān)法規(guī)的要求。

3. 1. 3 多天線傳輸技術(shù)

大規(guī)模天線陣列技術(shù)可以在同一時頻資源上同時服務(wù)多個用戶。為承載更多的小區(qū)容量和擔(dān)負(fù)更快的數(shù)據(jù)下載速率，對MIMO天線的許多功能進(jìn)行了增強(qiáng)性改進(jìn)。

3. 1. 4 密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即為更加密集化的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)部署，該技術(shù)是一種有效提升5G技術(shù)中網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘康姆椒ǎ梢蕴岣邿o線網(wǎng)絡(luò)通信信號的抗干擾能力，重點(diǎn)是對邊緣用戶網(wǎng)絡(luò)性能的提高。在密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，未來的5G網(wǎng)絡(luò)將會成為“宏蜂窩+長期微蜂窩+臨時微蜂窩”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，大大增強(qiáng)了5G的靈活性。

3. 2 5G在城市軌道交通的應(yīng)用發(fā)展趨勢分析

3. 2. 1 技術(shù)發(fā)展趨勢分析

車地?zé)o線傳輸通信是城市軌道交通信息化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到城市軌道交通的正常運(yùn)營、效率提升及服務(wù)品質(zhì)。通信技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力，是不斷增長的帶寬需求及核心技術(shù)的突破。根據(jù)目前主流的移動通信技術(shù)發(fā)展趨勢，從2G、3G、4G到即將推出的5G，大約每5年更新一代，且隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，對帶寬的需要還存在較大的增長空間。

城市軌道交通無線通信是以滿足運(yùn)營維護(hù)需求為目的，在帶寬的需求方面亦呈不斷增長的態(tài)勢。但城市軌道交通自身建設(shè)周期長，對系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和可用性要求較高，一般使用壽命為15年左右，其更新節(jié)奏滯后于主流技術(shù)。

從城市軌道交通無線通信的發(fā)展趨勢來看，車地?zé)o線傳輸一般基于主流無線技術(shù)，同時體現(xiàn)行業(yè)特點(diǎn)，滿足高可靠性和長生命周期等實際需求。鐵路及城市軌道交通從最初的450 MHz模擬專用信道的無線列調(diào)系統(tǒng)，直接升級到2G水平的GSM-R和TETRA技術(shù)，之后4G水平的LTE逐步進(jìn)入應(yīng)用階段，其間模擬集群和3G技術(shù)并行推廣。城市軌道交通無線通信的發(fā)展主要是滿足行業(yè)應(yīng)用，而不是緊隨最先進(jìn)的技術(shù)。因此從歷史發(fā)展規(guī)律來看，5G在城市軌道交通行業(yè)的大規(guī)模推廣將會受到很多方面的影響。圖1為無線通信技術(shù)多業(yè)務(wù)應(yīng)用示意圖。

3. 2. 2 需求分析

從需求的角度可以看出，無論是CBTC、無線列調(diào)、PIS,還是列車在途數(shù)據(jù)，一般都包括安全數(shù)據(jù)、非安全數(shù)據(jù)、語音、圖像等4大類信息。每種信息的傳輸對高可靠、高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)量的需求均不算大，但非安全數(shù)據(jù)和圖像等信息則需要較大的帶寬。因此需充分利用現(xiàn)有LTE-M的可用帶寬，以適當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量和安全策略，通過無線電收斂的模式滿足多業(yè)務(wù)的需求。

圖1 多業(yè)務(wù)整合模型示意圖

3. 2. 3 技術(shù)特點(diǎn)分析

5G雖然采用了一些新技術(shù)可以提高帶寬，但具體到城市軌道交通的應(yīng)用場景則很難發(fā)揮作用。大規(guī)模MIMO技術(shù)需要采用大量的、甚至多達(dá)上百個天線陣子單元，這就需要有較大的天線安裝空間，但無論對于列車還是隧道而言，安裝大尺寸的天線均存在較大難度。

CBTC一直采用物理上獨(dú)立的車地傳輸方式，為了盡可能地保證列車控制的安全性，與其他車地傳輸網(wǎng)絡(luò)相隔離。5G是面向垂直行業(yè)和運(yùn)營商深度融合的網(wǎng)絡(luò)，在安全性方面主要采用非物理隔離的虛擬隔離技術(shù)措施來保證安全性和不同的服務(wù)等級要求，但是否能夠滿足CBTC的要求還需進(jìn)一步研究。

關(guān)于5G的頻點(diǎn)，國際上并沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但普遍認(rèn)為毫米波段較為合理。而該頻段的無線信號傳播通常采用低功耗設(shè)備，隧道內(nèi)通信距離一般為100～200 m，這就需要部署更多的接入設(shè)備，而如此密集地部署接入設(shè)備，對軌道交通通信系統(tǒng)的維護(hù)和管理也帶來了一定的壓力。波導(dǎo)管技術(shù)可以提供微波頻段的良好傳播特性，但在設(shè)計、成本及維護(hù)等方面還存在諸多問題。

3. 2. 4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析

無線通信系統(tǒng)具有技術(shù)難度大、前期投入大、研發(fā)周期長及產(chǎn)業(yè)鏈龐大等特點(diǎn)。基于4G的LTE專網(wǎng)技術(shù)自2011年在神華鐵路線開展試驗，歷時5年多，才在軌道交通行業(yè)逐步推廣，如果追溯到民用4G技術(shù)的起步時間，周期則要更長。因此，缺少標(biāo)準(zhǔn)支撐和較雄厚產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的技術(shù)，即便先進(jìn)也未必適合軌道交通的大規(guī)模使用。一些非主流的通信技術(shù)，如Wi-max、HRC、DVB-T等，雖技術(shù)較為先進(jìn)，而且具有一定特點(diǎn)，但終究很難形成規(guī)模。所以，目前以LTE和Wi-Fi技術(shù)作為地鐵車地傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)是符合客觀現(xiàn)實的。

4 結(jié)語

通過對5G的發(fā)展趨勢、技術(shù)特點(diǎn)及行業(yè)需求等進(jìn)行多角度分析，可知5G技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)應(yīng)用的充分性、必要性及可實施性還有待研究；尤其是安全性、無線頻譜帶寬及隧道傳播特性等方面須開展深入研究。相較5G而言，LTE制式的無線通信系統(tǒng)則更具技術(shù)優(yōu)勢，更適合當(dāng)前城市軌道交通的行業(yè)應(yīng)用。若將已有的TETRA和Wi-Fi等無線通道進(jìn)行整合，并進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、綜合承載及合理分配，則可充分利用城市軌道交通的各種無線資源，這是符合實際情況、亦較為先進(jìn)的城市軌道交通車地傳輸技術(shù)。