5G通信技術在城市軌道交通中的應用探討

江 波，段 俊，王津升，匡奇方

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

基于?4G?網絡技術的城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M，地鐵長期演進系統），由于其移動性高（相對移動速度≥350??km/h）、覆蓋范圍大、抗干擾能力強、業務優先級調度算法先進，逐漸取代基于無線局域網（WLAN）的車地通信系統。隨著?2016?年中國城市軌道交通協會發布《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）規范》，LTE-M?系統成為新建城市軌道交通線路的首選車地通信系統。同時，應用?LTE?通信網絡在地上和地下城市軌道交通運營線的廣泛覆蓋，也給乘客上網和視頻通話提供了方便。但在實際應用和測試中發現，應用于城市軌道交通的?LTE-M?帶寬受頻譜資源限制，綜合承載能力有限；受?LTE-M?延時影響，基于通信的列車控制（CBTC）系統性能受限。

目前各國正在積極推進第?5?代移動通信（5G）技術的研發和相關標準制定工作。國務院在?2016?年?11?月印發的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中對?5G?技術已有明確方向：“大力推進第?5?代移動通信（5G）聯合研發、試驗和預商用試點”，同時對軌道交通行業也提出了明確的要求：“強化軌道交通裝備領先地位。推進軌道交通裝備產業智能化、綠色化、輕量化、系列化、標準化、平臺化發展，加快新技術、新工藝、新材料的應用”。地方企業、科研單位已開始進行關于軌道交通信息化和高速移動下的?5G?研究。北京市科委表示，未來地鐵新建線將預留?5G?信號空間[1]。工信部表示，力爭?2020?年啟動?5G?商用[2-3]。通信系統作為城市軌道交通重要的系統之一，5G?新技術的推進為城市軌道交通發展增加了新的動力。

1 5G 技術概述

1.1 5G 介紹

隨著移動通信需求的不斷增長，新一代移動通信系統——5G?將在未來幾年內逐漸商用。屆時，5G?依據以往發展的規律會在多個方面的性能有所突破，特別是頻譜利用率和能效將有較大提升，使得在傳輸速率和資源利用率方面會提高?1個數量級甚至更高。另外，5G?將在傳輸延時、可靠性、安全性、覆蓋能力等方面獲得較大的性能提升。5G?移動通信系統的應用領域也將進一步擴展，將增加端對端（D2D，Device-to-Device）通信功能，同時增強對海量傳感設備及機器對機器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支撐能力[4]，從而促進未來萬物互聯目標的實現。5G?不僅讓用戶的體驗更好，而且能夠滿足更多行業、不同應用領域的特定需求。

1.2 技術優勢

根據目前的研究進展，5G?將采用多種新技術和新方法改善網絡性能、擴展網絡功能，如高頻段數據通信、大規模陣列天線、新型多址技術、新型多載波技術、全雙工、D2D?通信、密集網絡、新型網絡構架等技術。通過這些技術實現?4G?網絡到?5G?網絡的飛躍。

相比較?4G?網絡，5G?網絡系統在以下幾個方面的性能將得到顯著提升[5]，如圖?1?所示。

圖1 4G與5G網絡性能對比

5G?還增加了?D2D?通信功能，是一種設備到設備的直接通信技術，可以減輕基站負擔、減小通信時延，與蜂窩通信相比，D2D?通信僅占一半的頻譜資源。此外，距離較近的用戶利用?D2D?通信可以減少傳輸功率、節約能耗。

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?這些主要性能改善有助于提高城市軌道交通通信系統性能。

2 城市軌道交通 5G 應用

2.1 高速通信

目前城市軌道交通?LTE-M?系統使用?1??785～1??805??MHz?頻段[7]，但受各地方頻率資源使用限制，一般只批準其中的?10??MHz?帶寬用于城市軌道交通?？紤]到信號系統安全可靠的需求，把?10??MHz?帶寬又分為?A、B?雙網（5??MHz?+?5??MHz）冗余方式進行通信，在此條件下測得在單網使用單漏纜情況下的數據吞吐量如表?1?所示。

表1 LTE-M 上下行數據吞吐量 Mbit/s

按照《城市軌道交通裝備技術規范》系統需求，在不同的自動運行等級（GOA，Grade?of?Automation）下綜合承載列車運行控制業務、列車緊急文本下發業務、列車運行狀態監測業務、視頻監控業務（IMS）、乘客信息系統（PIS）視頻業務的傳輸速率要求如表?2?所示。

表2 各業務傳輸速率要求 Mbit/s

集群調度業務的傳輸速率未做要求，但根據實際場地測試，單路高清視頻約＜4??Mbit/s（H.264）或＜2??Mbit/s（H.265）。

在以上每個業務最小單位的情況下，5??MHz?帶寬LTE-M?通信速率難以滿足各業務綜合承載的設計要求，特別是多業務并發時，例如多列列車在同一小區進行通信、多路視頻傳輸等情況下單網承載遠遠不能滿足需求，進一步使得業務擴展空間受限。受此問題影響，目前解決辦法是設計多個網絡承載不同業務，導致網絡建設復雜、周期長、后期維護難度大等問題。

5G?一方面采用多種技術增加了頻譜效率，在原有的帶寬下提供更高的通信速率，另一方面采用更高的頻段能夠緩解頻譜資源緊張的現況，實現極高速、短距離通信。綜合多種技術改進，5G?網絡將頻譜效率較?4G網絡提高了?5～10?倍，按照現有測試的速率，可以將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。這樣不僅單網可以綜合承載現有的所有業務，還可以增加多路高清視頻，以及滿足更多業務的需求，既簡化了新線網絡設計的復雜度，同時也降低了維護的難度。隨著?5G?網絡綜合承載能力增強，逐漸減少了軌旁設備的施工安裝，有助于滿足老舊線路施工周期短、軌旁空間有限的改造需求。

2.2 低延時，高可靠

追蹤間隔保證列車以一定的時間間隔在線路上互不干擾地運行，不僅是衡量列車運行控制系統性能的關鍵指標之一，也是保證運營效率的重要參考。無線通信是CBTC系統實現較小追蹤間隔的基礎，而通信延遲是無線通信過程中普遍存在的問題，會造成車載和地面設備對信息使用不同步，可靠性降低，對列車追蹤間隔、運行安全和效率產生影響[8]。

按照《城市軌道交通裝備技術規范》，要求通信系統單路單向傳輸時延不超過?150??ms?的概率不小于?98%，不超過?2??s?的概率不小于?99.92%。實際測得新建線路基于?LTE-M?網絡模擬單路?CBTC?業務在?5M?帶寬下端到端時延情況如表?3?所示。

表3 LTE-M網絡端到端時延 ms

根據不同通信時延下列車追蹤間隔和最優速度值可知[8]，在沒有通信延時的理想情況下，列車追蹤間隔為?33.06??s，當延時為?200??ms?時，列車追蹤間隔為38.27??s。

應用?5G?技術，可將端到端的延時降低至?1??ms?以內，這將使運行間隔進一步縮短，使得虛擬聯掛、編組運行成為可能。

另外，通信延時減小，可增加系統的可靠性，提高運行安全。

2.3 端到端通信

目前基于?CBTC?的列車控制系統，為了防止軌旁網絡設備發生故障造成列車降級行駛或者停運，在列車運行線路設計了?A、B?相互獨立的車地通信網絡，互為冗余進行通信。但這樣需要在軌旁增設大量的通信設施，提高了建設成本，延長了施工周期，也增加了后期運行維護的難度，不利于老舊線路改造。

5G?通信引入了端到端（D2D）通信技術，設備之間數據通信不需要基站的中轉。D2D?通信技術可作為另一種冗余通信方式，在軌旁網絡故障情況下，可以使列車與列車之間直接通信，相互匯報各自的位置信息及運行狀態信息，從而在保證安全的前提下，不降級繼續安全運營。D2D?通信技術使列車與列車之間通信時延可以進一步降低，從而進一步減少列車運行間隔，在提高運行效率的同時，也增加了通信的可靠性。

另外，D2D?通信技術將支持自組織網絡及多跳技術，即終端接入設備可以作為網絡中繼，為其他設備提供通信鏈路，使得整個網絡不會因為個別位置信號弱或受到干擾，或者基站故障而導致無法通信，從而使整個網絡更加健壯。此技術能夠進一步提升通信網絡的可靠性。

D2D?通信技術為列車首尾通信提供新的途徑。以往列車車首和車尾的車載控制器之間需要鋪設首尾貫通線進行通信，增加了老舊線路車輛的改造難度。D2D?技術可以通過無線的方式，使首尾兩端的車載控制器直接通信，而不必經過車地網絡，更不用鋪設首尾貫通線進行通信，在降低施工改造周期的同時，也為車輛后期維護提供了方便。

D2D?通信技術為地鐵設計、建設、運行和維護提供了更加靈活的通信方式。

2.4 海量用戶超密集組網

隨著?5G?網絡通信帶寬大幅提高，5G?網絡可以承載更多的業務，同時允許大量無線設備組網通信?，F有車載、地面有線連接組網的設備，部分可以改為無線組網方式，從而減少大量的布線，同時設備可以靈活地分布放置，從而降低需較大空間集中放置設備的需求，另外也便于設備的安裝和維護。

為了增加系統的安全性、可靠性，可適當增加無線傳感器設備和監控設備，通過無線網絡實時采集車載設備和軌旁設備的狀態，進行在線大數據分析，及時發現設備故障和潛在問題，并及時反饋給控制中心和相關人員，第一時間獲得準確的信息，對出現的問題進行精確定位，從而保障列車安全、高效地運營。

以上這些業務面臨大量的終端接入問題。5G?技術將支持海量終端接入，同時根據終端的特點提供不同的帶寬、優先級、安全認證方式等，這為?5G?更加廣泛應用提供了技術基礎。

2.5 大規模天線陣列

大規模天線陣列有望應用于?5G?網絡，可以通過天線空分特性，使相同時頻資源能同時服務若干用戶，不僅能夠提高頻譜效率，而且增加了傳輸的可靠性[9]。這項技術不僅能夠解決將來在軌道交通中海量設備接入的問題，而且利用波束賦形可以提高車地通信系統的抗干擾能力。由于波束賦性使波束傳播具有一定的方向性，利用此特性還可以間接獲得列車大致位置，輔助判斷列車運行位置，追蹤列車運行軌跡，適合在車輛段、換乘站以及地面段等空間開闊的場景使用。

2.6 綠色通信

隨著通信技術的發展，用于通信的能量損耗問題日趨嚴重，國內外在通信節能減排方面都設立了不同的指標要求。城市軌道交通領域響應國家政策，積極優化網絡，降低能量損耗。

5G?通過從網絡架構、網絡部署、資源調度、鏈路級技術等方面進行優化[10]，提高系統運行效率，減少傳輸中的能量損耗，達到提高能量效率和成本效率目標，為實現節能減排、綠色通信提供了技術基礎，對于城市軌道交通未來建設和運營具有一定的吸引力。

3 結束語

5G?網絡技術研究及應用，對于正在快速發展的城市軌道交通建設具有一定的積極作用。5G?網絡技術有望解決現在困擾城市軌道交通通信系統應用中的一些問題，而且提供了更強大的功能、更靈活的應用，為優化城市軌道交通相關系統提供了新的思路。同時?5G?網絡技術能夠提高系統效率、減少能量損耗、進一步降低部分成本，實現國家倡導的節能減排、綠色通信，對后續城市軌道交通設計、建設和運營都有非常重要的指導意義。