5G承載城軌車-地綜合通信的方案

高義標(biāo)

（山東軌道交通勘察設(shè)計院有限公司，濟南 250101）

2015年以來，國內(nèi)城市軌道交通系統(tǒng)承載CBTC、PIS、緊急報文等車地通信數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)逐漸從Wi-Fi向LTE技術(shù)過渡，直到2018年中國軌道交通協(xié)會發(fā)布《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）》（簡稱協(xié)會4G標(biāo)準(zhǔn)）系列標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著以LTE-M標(biāo)準(zhǔn)為核心的城市軌道交通車-地綜合通信系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用實踐趨于成熟。但隨著近年來很多城市開始嘗試開通GoA4級無人駕駛城市軌道交通線路，列車監(jiān)控、乘客服務(wù)等業(yè)務(wù)對車-地通信的承載能力又有了新的變化，需測算LTE-M標(biāo)準(zhǔn)是否還能滿足要求。本文以GoA4級8編組列車的理想需求為標(biāo)準(zhǔn)，測算車-地綜合通信承載需求。

1 承載需求分析

1.1 信息帶寬需求

現(xiàn)行協(xié)會4G標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)需求給出車-地綜合通信承載的各項業(yè)務(wù)和單列車GoA4模式下信息帶寬需求。但在標(biāo)準(zhǔn)制定時考慮到4G空口的吞吐能力，對相關(guān)業(yè)務(wù)需求做了限制。隨著強化安全管理、提升服務(wù)水平、列車智能維護、緊急情況處置等新需求的陸續(xù)出現(xiàn)，列車運行數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)、視頻集群列調(diào)、疏散指揮、蠕動運行等信息傳輸帶寬需求猛增。理想的單列車的車-地綜合通信承載能力需求如表1所示。

表1 車-地通信帶寬潛在需求Tab.1 Potential bandwidth demand of vehicle-ground communication

表1較協(xié)會4G標(biāo)準(zhǔn)主要增加了IMS視頻監(jiān)控、多媒體集群調(diào)度、蠕動控制的帶寬需求。IMS視頻監(jiān)控支持同時調(diào)看8路720 P/H.264半球攝像頭的信號確定帶寬需求，以便各車廂的攝像頭可同時輪詢。多媒體集群調(diào)度支持雙向視頻調(diào)度。蠕動行車情況下，可調(diào)用前方路況監(jiān)視1路1 080 P/H.264攝像頭。這樣，以一個小區(qū)4列車計算，單個小區(qū)信息帶寬需求為上行4×22 Mbit/s，下行4×7 Mbit/s。

1.2 QoS等級要求

協(xié)會4G標(biāo)準(zhǔn)推薦的各業(yè)務(wù)QoS等級，是基于3GPP TS23.203制定的，其業(yè)務(wù)劃分方式基于LTE標(biāo)準(zhǔn)，與車-地通信業(yè)務(wù)種類并不吻合。為了不至于超出3GPP TS23.203標(biāo)準(zhǔn)所能支持的承載能力，協(xié)會4G標(biāo)準(zhǔn)車-地通信個別業(yè)務(wù)QCI設(shè)置降低了標(biāo)準(zhǔn)。理想情況下，單列車的車-地綜合通信QoS水平宜按照表2設(shè)置。

表2 車-地通信QoS等級理想標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Ideal standard for QoS level of vehicle-ground communication

2 LTE-M承載能力

根據(jù)工信部和國家無線電管理局的規(guī)定，無線電頻譜資源中的1.8 GHz頻段已明確作為城市軌道交通等行業(yè)專用頻段，共20 M帶寬?？紤]到20 M帶寬無法獨占，分析承載能力按照A網(wǎng)、B網(wǎng)各5 M為例，采用TD-LTE制式。根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，A網(wǎng)、B網(wǎng)均采用單漏纜的情況下，單網(wǎng)平均承載能力如表3所示，QoS水平如表4所示。

表3 5 M帶寬LTE-M單天線承載能力Tab.3 Single antenna carrying capacity of 5M bandwidth

表4 5 M帶寬LTE-M單天線QoS水平Tab.4 Single antenna QoS level of 5M bandwidth

對比表1中列車車-地通信業(yè)務(wù)信息帶寬潛在需求，5 M帶寬LTE-M系統(tǒng)部署為A網(wǎng)、B網(wǎng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)冗余模式，均采用單漏纜情況下，其承載能力顯然不滿足需求，尤其是上行承載能力。

3 5G技術(shù)簡介

由中國主持的IMT-2020（5G）推進組正依據(jù)ITU提出的5G關(guān)鍵指標(biāo)為基本目標(biāo)，分階段推進5G標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)驗證。根據(jù)IMT-2020（5G）推進組發(fā)布的5G概念白皮書描述，5G主要面對4大場景，主要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 5G主要場景與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Main scenarios and key technical indicators of 5G

5G技術(shù)創(chuàng)新主要來源于無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面。在無線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點；在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已取得廣泛共識。不同應(yīng)用場景具有不同的挑戰(zhàn)性指標(biāo)需求，在可能情況下，需要合理選擇關(guān)鍵技術(shù)的組合來滿足這些需求。

4 5G應(yīng)用于車-地通信的潛力

根據(jù)承載需求分析可以看出，城市軌道交通車-地通信的應(yīng)用場景雖具有一定特殊性，但與商用蜂窩移動通信的場景定義基本吻合。將城市軌道交通車-地通信的應(yīng)用需求，按照5G的場景分類方法對照，如表6所示。

對比表6的重點指標(biāo)與表5所列5G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)可以看出，5G愿景的主要技術(shù)指標(biāo)滿足城市軌道交通GoA4模式車-地通信業(yè)務(wù)的需求。

表6 5G場景與軌道交通車-地通信業(yè)務(wù)對應(yīng)關(guān)系Tab.6 Correspondence between 5G scenarios and vehicle-ground communication service for rail transit

5G網(wǎng)絡(luò)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的底層技術(shù)，其與人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，將有助于推動智能軌道交通的建設(shè)，而5G網(wǎng)絡(luò)提供的符合承載能力要求的高帶寬、低延時車-地移動通信系統(tǒng)是實施智能軌道交通的基本必要條件。

但軌道交通無線通信的連續(xù)廣域覆蓋場景，通過大規(guī)模天線陣列大幅提升系統(tǒng)頻譜效率，不具備經(jīng)濟可行性，只能考慮通過在更高頻段獲得更多帶寬資源提升空口吞吐能力，現(xiàn)有條件下還存在一些限制因素。一是無線電管理局為市政公用事業(yè)劃分的專用頻段（1.8 G頻段，1 785～1 805 MHz）可用帶寬資源有限，重耕后用于5G，除非采用MIMO技術(shù)組網(wǎng)，5G的寬帶承載能力并不能充分體現(xiàn)；二是在厘米波頻段申請專用頻段存在不確定性，更高頻段暫不具備在隧道組網(wǎng)的手段；三是5G網(wǎng)絡(luò)在公網(wǎng)的使用才剛剛開始，與4G的融合、網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)等還需在公網(wǎng)中進一步驗證。

5 組網(wǎng)方案研究

3種場景中，熱點高容量業(yè)務(wù)可以單點覆蓋，基站少，非常適于采用高頻點的厘米波超密集MIMO技術(shù)覆蓋。

對于連續(xù)廣域覆蓋和低延時高可靠場景，基于可控的技術(shù)發(fā)展情況及軌道交通無線通信需求，提出5個組網(wǎng)方案。

方案1：雙系統(tǒng)獨立組網(wǎng)（SA）模式。一套部署在重耕的1.8 G頻段，另一套采用超融合技術(shù)跨1.8 G和專用厘米波頻段部署。

方案2：自建SA和租用結(jié)合的模式。自建系統(tǒng)部署在重耕的1.8 G頻段，另一套租用部署在厘米波頻段的5G公網(wǎng)虛擬。

方案3：4G+非獨立組網(wǎng)（NSA）模式。一套4G部署在1.8 G頻段，另一套4G、5G混合組網(wǎng)跨1.8 G和專用厘米波頻段部署。

方案4：4G+租用模式。自建的單系統(tǒng)（或既有雙系統(tǒng)）部署在1.8 G頻段，另一套租用部署在厘米波頻段的5G公網(wǎng)虛擬。

方案5：雙4G+租用升級改造模式。兩套4G部署在1.8 G頻段，另租用部署在厘米波頻段的5G公網(wǎng)承載增量業(yè)務(wù)。

方案1為最理想模式，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、可維護性強，便于分步全面采用5G各項新技術(shù)；方案2為方案1在無法取得專用厘米波頻段情況下的應(yīng)對措施；方案3主要考慮在既有LTE-M標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的增容，思路清晰、易于被接受，但存在投資收益率偏低的問題；方案4是對方案2的簡單優(yōu)化，主要考慮在1.8 G頻段部署5G承載能力提高不大，仍采用4G部署，可以兼顧性能與投資；方案5主要用于既有線路的快速升級改造，既有雙4G系統(tǒng)不變，另行租用公網(wǎng)承載新增業(yè)務(wù)，可以規(guī)避各種不確定因素,以便快速落地。

6 未來發(fā)展展望

對于目前無線電管理局僅為市政公用事業(yè)劃分1.8 G頻段20 M帶寬頻譜資源，無法滿足在城市軌道交通工程中部署5G網(wǎng)絡(luò)的問題，可以看到，UHF頻段（分米波），尤其是0.8～3 GHz是各種無線通信的黃金頻段，可以相對兼顧大帶寬、長距離、抗干擾、設(shè)備開發(fā)難度低等優(yōu)勢?，F(xiàn)有工程技術(shù)條件下，對該頻譜資源的開發(fā)利用已相當(dāng)成熟，現(xiàn)有設(shè)備的傳輸能力已接近香農(nóng)極限。該頻段頻譜利用率已飽和，再增加專用頻譜資源也幾無可能。

因此，在UHF頻段部署車-地通信5G網(wǎng)已意義不大，未來只能期待在厘米波頻段取得專用或共享頻譜資源，帶寬不小于40 M，或者在更小帶寬資源的情況下考慮使用MIMO技術(shù)。若不能實現(xiàn)或不具備經(jīng)濟技術(shù)可行性，只能考慮租借運營商頻譜資源或直接租用公網(wǎng)承載。就當(dāng)前來看，在厘米波的3.0～5.0 GHz范圍內(nèi)取得專用或共享頻譜資源的可能性不大，而在更高頻段，暫無經(jīng)濟技術(shù)水平合適的方案用于解決隧道無線覆蓋的問題。

高頻段厘米波以及更高的毫米波頻段頻譜資源非常豐富，尚未被充分開發(fā)利用，在軌道交通應(yīng)用的主要技術(shù)限制還是在于正線尤其是隧道的信號覆蓋問題。期待未來有新型漏泄電纜或波導(dǎo)管，解決3GPP 定義的FR1 5.0～6.0 GHz頻段，甚至FR2 26 GHz頻段在隧道的覆蓋問題。場段的列車數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲屬于熱點高容量業(yè)務(wù)，采用單小區(qū)大規(guī)模MIMO天線陣列覆蓋；場段廣域覆蓋場景下列車不載客，可以不考慮IMS視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，連續(xù)廣域覆蓋的帶寬需求遠遠低于正線，可考慮仍采用低頻段全向天線覆蓋。

隨著5G在公網(wǎng)的逐漸鋪開，面對5G的新技術(shù)將逐步得到推廣和驗證，尤其是D2D和邊緣計算技術(shù)對于提高車輛控制的效率、可靠性具有潛在價值，將是在完成5G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部署后，下一步在軌道交通行業(yè)推廣應(yīng)用的重點研究領(lǐng)域。

7 結(jié)論及建議

5G的典型新技術(shù)為軌道交通車-地綜合通信向低延時、高容量、隧道化、車對車方向發(fā)展提供技術(shù)支持，尤其是可以滿足GoA4級運行模式對車-地通信系統(tǒng)的苛刻要求。針對具體項目的不同需求和現(xiàn)狀，均有可行的組網(wǎng)方案。但5G通信設(shè)備現(xiàn)階段的研發(fā)重點主要為滿足公網(wǎng)低成本覆蓋的需要，很多新技術(shù)還沒有投入實際使用。加之面對軌道交通車-地通信特殊需求的線狀覆蓋方案、無線頻譜授權(quán)等問題目前還無法解決，使得用5G承載城市軌道交通車-地綜合通信的征途還稍顯漫長，但其前景相當(dāng)值得期待。