5G 技術(shù)在地鐵無(wú)線專網(wǎng)中的應(yīng)用探討

陶瀟然，陶孟華

（1.北京泰普科科技有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的高速發(fā)展，地鐵已成為都市公共交通系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)信息，截至2020年底，中國(guó)內(nèi)地共計(jì)45個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路244條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度7 969.7 km，其中地鐵運(yùn)營(yíng)線路6 280.8 km，占比78.8%。地鐵已逐漸成為國(guó)內(nèi)各大城市主要的市內(nèi)公共交通工具。因此，作為承擔(dān)地鐵調(diào)度和控制的通道，地鐵無(wú)線通信的重要性也毋庸置疑。

1 現(xiàn)有地鐵無(wú)線專網(wǎng)

無(wú)線專網(wǎng)（或稱無(wú)線專用網(wǎng)絡(luò)）在地鐵中的應(yīng)用有如下3個(gè)主要發(fā)展階段：20 世紀(jì)90年代初的模擬語(yǔ)音通信；2000年前后的數(shù)字集群通信（TETRA）；2012年首次應(yīng)用于地鐵無(wú)線專網(wǎng)的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）通信（即第四代移動(dòng)通信， 4G）。

1.1 無(wú)線專網(wǎng)業(yè)務(wù)

無(wú)線專網(wǎng)主要承載移動(dòng)終端以及車(chē)-地間的通信業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)包括專用調(diào)度無(wú)線通信系統(tǒng)、基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC）、車(chē)載視頻監(jiān)控（CCTV）系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)（PIS）等。

（1）專用調(diào)度無(wú)線通信系統(tǒng)。為地鐵運(yùn)營(yíng)人員提供各種語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。

（2）CBTC系統(tǒng)。是追蹤列車(chē)實(shí)時(shí)位置及速度等運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、下發(fā)控制指令的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是高密度行車(chē)的安全保證，亦是地鐵自動(dòng)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，因此對(duì)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性有很高的要求。

（3）車(chē)載CCTV系統(tǒng)。將駕駛室、車(chē)廂等重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)視畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)降孛婵刂浦行暮偷罔F公安部門(mén)。

（4）PIS系統(tǒng)。是多媒體咨詢發(fā)布、播控與管理的平臺(tái)，為乘客提供列車(chē)實(shí)時(shí)多媒體信息，以及在突發(fā)情況下提供緊急疏散指示。

1.2 無(wú)線專網(wǎng)業(yè)務(wù)面臨的瓶頸

根據(jù)CZJS/T 0032-2015《城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)-DCS子系統(tǒng)規(guī)范》中的規(guī)定，并綜合考慮其他業(yè)務(wù)，車(chē)-地?zé)o線通信的帶寬需求見(jiàn)表1。

由表1可知，除CCTV系統(tǒng)外，每列車(chē)車(chē)-地通信所需傳輸速率為7.4～11.4 Mb/s；同時(shí)，每列車(chē)通常要求CCTV上傳不低于2路視頻圖像（4～8 Mb/s），在緊急情況下要求能夠上傳整列車(chē)的視頻圖像（即28～56 Mb/s）。

表1 無(wú)線專網(wǎng)業(yè)務(wù)及所需傳輸帶寬

但目前地鐵無(wú)線專網(wǎng)傳輸速率有限，主要工作在以下3個(gè)頻段。

（1）800 MHz。用于專用調(diào)度窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)，無(wú)法提供寬帶數(shù)據(jù)傳輸。

（2）1.8 GHz。該頻段僅有20 MHz的專用帶寬。以成都地鐵5號(hào)線為例，在2019年9月13日進(jìn)行的綜合承載測(cè)試中，即使以最理想的A網(wǎng)（5 MHz）+B網(wǎng)（15 MHz）綜合承載的方案，也僅能夠滿足除現(xiàn)有各系統(tǒng)加少量的CCTV業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求，詳細(xì)測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2 成都地鐵5號(hào)線A網(wǎng)信號(hào)系統(tǒng)（5 MHz）功能性驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

表3 成都地鐵5號(hào)線B網(wǎng)信號(hào)系統(tǒng)（15 MHz）功能性驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

（3）2.4 GHz/5.8 GHz。擁有較大的帶寬，但這一公共頻段內(nèi)受到的干擾日益嚴(yán)重，甚至在特殊情況下曾發(fā)生CBTC系統(tǒng)因控制信道被淹沒(méi)而離線，從而導(dǎo)致全線列車(chē)緊急剎車(chē)的事故案例。

由此可見(jiàn)，隨著地鐵的發(fā)展，目前使用的寬帶移動(dòng)通信頻段（1.8 GHz、2.4 GHz/5.8 GHz）已不能滿足其需要，亟需引入第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)。

2 5G 技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

在2020年7月3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織宣布了5G NR Release 16凍結(jié)，這意味著5G技術(shù)的研究和商用已獲得成功，同時(shí)意味著其即將進(jìn)入地鐵專用無(wú)線領(lǐng)域。

5G技術(shù)應(yīng)用于地鐵無(wú)線系統(tǒng)時(shí)具有下列優(yōu)點(diǎn)。

（1）更高速率。增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），從 4G的100 Mb/s提高到10～20 Gb/s。

（2）更低時(shí)延。超可靠低延遲通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC），端到端時(shí)延低至1 ms，為4G技術(shù)的1/10。

（3）更多連接。海量機(jī)器類(lèi)通信（massive Machine Type of Communication，mMTC），終端接入數(shù)支持100萬(wàn)連接/ km2，能支持大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

5G技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得益于除在軟件、算法和器件等方面擁有比4G更多的革新和改進(jìn)外，還采用了如下3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 更多的可用頻段

無(wú)線通信最基本的要求是必須有足夠的頻段資源支持。3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的規(guī)范TS 38.104-2016 NR：Base Station（BS）radio transmission and reception （新空口：基站無(wú)線發(fā)射與接收）中提出5G NR共計(jì)30個(gè)頻點(diǎn)，具體分為2大類(lèi)：①FR1（Sub-6G），450～6 000 MHz；②FR2（毫米波，mmWave），24.250～52.600 GHz。

目前國(guó)內(nèi)的無(wú)線頻段資源非常緊張，5G技術(shù)在地鐵專網(wǎng)中可應(yīng)用的頻段有以下幾種。

（1）1.8 GHz。1.785～1.805 GHz頻段可用于行業(yè)專用頻率。

（2）2.4 GHz/5.6 GHz公共頻點(diǎn)。

（3）未來(lái)還可能會(huì)使用30～60 GHz（即5G-mmWave波段）。

大的頻寬必然會(huì)帶來(lái)大的傳輸帶寬。根據(jù)香濃定理：

式（1）中，C為傳輸速率；B為傳輸帶寬；S/N為信噪比。

可知，C與傳輸帶寬和信噪比2方面正相關(guān)，而5G FR1段各頻點(diǎn)均有接近100 MHz或以上的上下行總帶寬，部分頻段甚至超過(guò)500 MHz，同時(shí)FR2段的頻點(diǎn)可用帶寬均超過(guò)3 GHz，因此5G的理論傳輸速率將達(dá)到地鐵專網(wǎng)現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的150倍以上。

2.2.2 Massive MIMO 與頻帶復(fù)用

多入多出（MIMO）技術(shù)是在4G時(shí)代就已提出，其可結(jié)合“正交頻分復(fù)用（OFDM）”技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一頻帶內(nèi)多通道同時(shí)傳輸，從而提高整體信道復(fù)用率；或通過(guò)多通道增強(qiáng)傳輸信號(hào)的強(qiáng)度并消減由多徑等因素造成的衰減，從而提高通信質(zhì)量。由于受限于波長(zhǎng)和天線尺寸，4G技術(shù)下的天線/信道數(shù)量有限（2/4天線），而5G技術(shù)則采用更加先進(jìn)的大規(guī)模多入多出（Massive MIMO）技術(shù)。這是因?yàn)?G能夠采用mmWave信號(hào)，其天線尺寸可做到足夠小，目前5G基站的天線通?？蛇_(dá)到64T64R（即64 發(fā)64收），其通道數(shù)量達(dá)到4G的數(shù)十倍，信道復(fù)用率將會(huì)大幅超過(guò)4G，因此5G系統(tǒng)可以接入更多的終端，同時(shí)傳輸速率也將遠(yuǎn)高于4G系統(tǒng)。在這種情況下，傳輸速率C的計(jì)算公式為：

式（2）中，W為信道平均帶寬，Hz；m為空間自由度（信道數(shù)）；Pi為第i條信道信號(hào)功率，dB；Ni為第i條信道噪聲，dB；Ii為第i條信道干擾，dB。

5G技術(shù)能夠在相同的物理帶寬限制內(nèi)更進(jìn)一步以數(shù)量級(jí)的優(yōu)勢(shì)提升頻帶復(fù)用率，從而達(dá)到更高的傳輸速率。

2.2.3 Beamforming 與信噪比

Beamforming即“波束賦形”技術(shù)，也是在4G時(shí)代就已經(jīng)提出。該技術(shù)是在發(fā)射端通過(guò)先加權(quán)再發(fā)送，多波束疊加最終形成更“窄”（旁瓣能量更低）的發(fā)射波束，使能量集中在特定方向，增加特定方向的信號(hào)功率，從而提高信噪比。與MIMO類(lèi)似，4G通信受限于天線尺寸較大，只有特殊工藝加工的3D MIMO天線具備波束賦形的能力，其相對(duì)高昂的成本與部署技術(shù)難度使這一技術(shù)最終沒(méi)有普及。

而5G技術(shù)的毫米波天線尺寸足夠小，使相控陣天線的實(shí)現(xiàn)成本更低，且單位面積的天線數(shù)量更多，最終形成的波束更“窄”，信道的信噪比更高，從而可以大幅提高傳輸質(zhì)量。

2.3 需要克服的弱點(diǎn)

雖然5G技術(shù)有上述這些優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中還有很多弱點(diǎn)需要克服，首當(dāng)其沖的就是電磁信號(hào)的衰減。在無(wú)線通信中，信號(hào)衰減的計(jì)算公式為：

式（3）中，L為功率衰減值，dBm；PTX為發(fā)射功率，dBm；PRX為接收功率，dBm；f為電磁波頻率，MHz；r為傳輸距離，km；GTX為發(fā)射天線增益，dB；GRX為接收天線增益，dB。

其中功率衰減與頻率和傳輸距離的平方成反比，即

式（4）中，c為電磁波傳播速度（自由空間內(nèi)為光速）；λ為電磁波波長(zhǎng)。

從上述公式可得出：發(fā)射功率與天線增益不變時(shí)，信號(hào)最遠(yuǎn)覆蓋距離（即達(dá)到最小接收電平的距離）與電磁波頻率成反比。因此，簡(jiǎn)單從載波頻率角度計(jì)算，Sub-6G頻段的理論覆蓋距離僅為現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的1/2，而mmWave頻段的甚至不到1/10。

但是，實(shí)際情況相對(duì)復(fù)雜得多，得益于5G的Massive MIMO與Beamforming技術(shù)，其GTX遠(yuǎn)大于現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的天線增益，在一定程度上彌補(bǔ)了功率衰減過(guò)快的問(wèn)題。

3 5G 技術(shù)在地鐵上的應(yīng)用探討

3.1 在場(chǎng)站中的應(yīng)用

5G技術(shù)在mmWawe頻段（相對(duì)于4G技術(shù)）的最大缺陷是會(huì)導(dǎo)致在相同發(fā)射功率下的覆蓋范圍大幅降低，其優(yōu)勢(shì)則是極高的傳輸效率與極小的天線尺寸，同時(shí)包括Massive MIMO在內(nèi)的各項(xiàng)5G技術(shù)使得單點(diǎn)接入設(shè)備數(shù)海量增長(zhǎng)。因此5G技術(shù)非常適合部署于車(chē)站、樞紐站、車(chē)輛段等相對(duì)封閉的空間，并為車(chē)站智能化等新應(yīng)用提供物聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)。這類(lèi)環(huán)境的特點(diǎn)是空間狹小，并不需要太長(zhǎng)的覆蓋距離，同時(shí)5G技術(shù)較小的天線尺寸也使其在這類(lèi)有限空間的工程實(shí)施與維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)提出過(guò)多的要求。

3.2 在隧道中的信號(hào)覆蓋

在實(shí)際工程應(yīng)用中，無(wú)線信號(hào)通常在隧道內(nèi)以敷設(shè)漏纜的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的覆蓋，在隧道里每隔800～1 000 m布設(shè)1臺(tái)射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）發(fā)射射頻信號(hào)。而5G技術(shù)采用的高頻信號(hào)（如mmWave）在遇到障礙物時(shí)，會(huì)在其表面發(fā)生鏡面反射，即類(lèi)似于光信號(hào)在光纖內(nèi)的傳播方式，頻率過(guò)高的射頻信號(hào)會(huì)在同軸線纜2 層導(dǎo)體之間以全反射的方式傳播，這一效應(yīng)被稱為“波導(dǎo)效應(yīng)”。波導(dǎo)效應(yīng)會(huì)使得非波導(dǎo)方向的信號(hào)強(qiáng)度急劇減弱，因此5G高頻信號(hào)（如5.6 GHz信號(hào)甚至30 GHz的mmWave電信號(hào)）難以通過(guò)漏纜的方式進(jìn)行信號(hào)覆蓋，而是需要采用定向天線的方式在隧道內(nèi)完成信號(hào)覆蓋。

同時(shí)，由于高頻信號(hào)衰減速率較高，目前在工程應(yīng)用中采用5.8 GHz頻率時(shí)，通常隧道內(nèi)每隔400～500 m需要布設(shè)基站或有源設(shè)備，若將來(lái)采用5G技術(shù)的高頻信號(hào)，基站或有源設(shè)備的間距必然會(huì)更小。

當(dāng)然，5G技術(shù)在隧道環(huán)境下的部署也有其優(yōu)勢(shì)。5G mmWawe的天線尺寸非常小，可達(dá)到厘米乃至毫米級(jí)別，能夠更好地適應(yīng)隧道內(nèi)有限的部署空間。同時(shí)，其特有的波束賦形技術(shù)也能很好地滿足隧道環(huán)境下的定向傳輸需求。

3.3 多天線 / 天線陣列的工程實(shí)施

除天線部署點(diǎn)位外，5G高頻信號(hào)天線的部署實(shí)施方式也需要進(jìn)一步探討。其高頻信號(hào)可以利用上下行信道角度的互易性產(chǎn)生波束，見(jiàn)圖1，可通過(guò)采用分布式Massive MIMO或分布式MIMO技術(shù)將多個(gè)RRU天線信號(hào)聯(lián)合處理，解決線路小區(qū)邊緣信號(hào)干擾和列車(chē)快速切換造成的通信速率下降的難題，其無(wú)線傳輸性能將優(yōu)于傳統(tǒng)4G/LTE技術(shù)。另外，5G技術(shù)采用高精度頻率跟蹤和時(shí)域補(bǔ)償信號(hào)處理技術(shù)，能夠在一定程度上消除多普勒的影響，提高鏈路的魯棒性，使其更加適合于高速移動(dòng)場(chǎng)景下的無(wú)線通信。這也對(duì)具體工程實(shí)施提出了更高的要求，例如：

圖1 分布式MIMO

（1）為利用上下行信道角度的互易性產(chǎn)生波束，需對(duì)上下行頻段間隔有嚴(yán)苛的要求，同時(shí)對(duì)載波的可用帶寬提出了相應(yīng)要求；

（2）分布式Massive MIMO技術(shù)對(duì)多天線間的一致性有極高的要求，即對(duì)天線生產(chǎn)工藝以及現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)技術(shù)水平提出了更高的要求；

（3）這些技術(shù)對(duì)列車(chē)上的移動(dòng)接入設(shè)備提出了新的要求，即要求其能夠處理、區(qū)分多個(gè)波束數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

相較于目前地鐵無(wú)線專網(wǎng)主要應(yīng)用的1.8 GHz頻段，5G技術(shù)的Sub-6G乃至mmWave頻段高頻信號(hào)的最大優(yōu)勢(shì)在于其極高的帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率，在完全滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)以及CCTV全視頻流上傳的需求上，還可以為智慧車(chē)站、智慧地鐵等新增業(yè)務(wù)提供無(wú)線傳輸通道。此外，5G-mmWave頻段具備的另一優(yōu)勢(shì)是單點(diǎn)設(shè)備接入數(shù)相比現(xiàn)有技術(shù)有數(shù)量級(jí)的提高，這也為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入乃至萬(wàn)物互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)傳輸通道。

為在地鐵無(wú)線專網(wǎng)中發(fā)揮5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，還必須更進(jìn)一步了解5G系統(tǒng)的特點(diǎn)和對(duì)環(huán)境的特殊要求，通過(guò)分析地鐵的工程特點(diǎn)，利用工程措施來(lái)保證和實(shí)現(xiàn)5G大帶寬與高數(shù)據(jù)傳輸速率。例如，采用業(yè)務(wù)分類(lèi)，利用不同頻道的傳播特性來(lái)滿足不同業(yè)務(wù)的需求，用1.8 GHz頻段來(lái)承載CBTC、緊急報(bào)文、列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等事關(guān)列車(chē)運(yùn)行安全的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；采用Sub-6G頻段承載CCTV、PIS、視頻調(diào)度等非關(guān)鍵但是極度消耗數(shù)據(jù)傳輸帶寬的業(yè)務(wù)；利用mmWave頻段覆蓋地下車(chē)站、主變電所等空間有限但往往布設(shè)大量設(shè)備或傳感器，對(duì)傳輸鏈路單點(diǎn)接入有較大需求的場(chǎng)景。

因此，5G技術(shù)作為新生的技術(shù)，要想實(shí)現(xiàn)其在地鐵通信系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用，在覆蓋方式與可靠性上還有很多工作要做。例如，在相對(duì)低頻信號(hào)下如何通過(guò)多天線實(shí)現(xiàn)波束賦形與Massive MIMO；同時(shí)在5G系統(tǒng)建設(shè)中要考慮mmWave頻段無(wú)線通信系統(tǒng)的接入余量，為即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)與智慧地鐵建設(shè)做好準(zhǔn)備。這些問(wèn)題將在后續(xù)的研究與文章中進(jìn)一步探討。