5G時代來臨，各種行業的無線通信需求必將得到極大的釋放和滿足。分析了軌道交通行業的無線通信業務的特點及其對5G通信網絡的需求，面對以地下隧道為主、行車速度較快、通信終端集中移動等特點的軌道交通應用場景復雜性，提出了5G技術在軌道交通環境下的應用方式和面臨的技術挑戰，同時，還針對5G在軌道交通行業的組網應用模式進行了分析和研究，分析了自建專網與運營商合作方式兩種解決方案的優缺點、存在的主要問題和限制，給出了組網建議。
近年來我國城市軌道交通進入建設高潮，軌道交通在城市出行的比重越來越高，軌道線路的大量開通運營也驅動了軌道交通相關專業的技術發展。隨著軌道交通運營智能化升級、全自動無人駕駛技術的廣泛應用，越來越多的數據和信息需要通過引入先進的無線通信方式實現更高效快速傳輸。
目前應用于軌道交通行業的無線技術有以下幾種（此處不考慮警用通信，按技術出現的先后順序排列）：
（1）Tetra（Terrestrial Trunked Radio，陸地集群無線電）數字集群通信系統由ETSI（歐洲通信標準協會）制訂標準，于1988年開始投入。Tetra屬于窄帶集群技術，常用于承載軌道交通無線語音集群調度業務，有逐步被LTE-M替代的趨勢。
（2）WLAN（Wireless Local Area Networks，無線局域網絡），基于IEEE802.11標準的無線局域網技術，使用非授權的ISM頻段中的2.4 GHz或5.8 GHz頻段進行無線通信。早期列控信號也采用WLAN技術承載，由于非授權頻段上的干擾問題，易造成無線通信質量下降，影響行車安全。目前有部分地鐵線路采用WLAN技術承載大帶寬的視頻類業務。
（3）LTE-M（Long Term Evolution-Metro，地鐵長期演進系統），由中國城市軌道交通協會組織制定標準，以LTE（公網4G）標準為基礎，針對軌道交通無線業務需求進行增強，適用于城市軌道交通的寬帶無線傳輸技術，支持寬帶集群調度功能（包括語音集群和視頻集群業務）。LTE-M廣泛應用于地鐵車地無線通信，優先承載列控信號和集群調度業務，亦可綜合承載視頻類業務（取決于頻率帶寬）。
（4）EUHT（Enhanced Ultra High Throughput，超高速移動通信技術），由新岸線公司設計開發，應用于5.8 G非授權頻段，融合了LTE和WLAN的技術特點，利用非授權頻段的大帶寬，通過載波聚合提升數據傳輸能力。目前有部分地鐵線路采用EUHT技術承載大帶寬的視頻類業務。
（5）LTE-U（Long Term Evolution-Unlicense，基于非授權頻段的LTE），應用于5.8 G非授權頻段，采用LTE網絡結構和協議，利用非授權頻段的大帶寬，通過載波聚合提升數據傳輸能力。目前有部分地鐵線路采用LTE-U技術承載大帶寬的視頻類業務。
上述幾種傳統技術各有特點，在不同的條件下均有應用，但并沒有一種技術能同時滿足所有軌道交通無線業務的需求。
第五代通信技術（5G）已經在我國運營商市場商用，5G可支持高數據速率、低延遲、高系統容量和大規模設備連接。5G技術在軌道交通行業的應用和實施目前還屬于起步階段，有些城市地鐵開通了5G服務，但5G覆蓋僅限于站臺站廳區域，目前還沒有正式開通5G覆蓋地鐵隧道的項目。
本文分析了軌道交通無線通信業務需求（包括未來業務的發展趨勢）、5G技術在軌道交通環境下的應用限制、5G在軌道交通的組網模式等，給出5G在軌道交通行業應用和解決方案建議，希望為后續推廣軌道交通5G應用起到參考作用。
1 軌道交通無線業務需求
傳統軌道交通無線業務包括：CBTC（Communication Based
Train Control System，列控信號）、集群列調、緊急文本、列車運行狀態監測信息、CCTV（Closed Circuit Television，視頻監控）、PIS（Passenger Information System，乘客信息系統）等。
目前普遍應用的LTE-M軌道交通無線通信系統網絡架構，主要由核心網、BBU、RRU和車載終端構成。軌道交通無線通信主要服務于列車，需要沿軌道進行無線覆蓋，漏纜比較適合這種線狀的覆蓋場景。由于列控CBTC業務影響行車安全，其可靠性要求非常高，因此軌道交通無線系統采用A/B雙網冗余結構，一般A網承載綜合業務（包括列控信號、集群列調、緊急文本、列車運行狀態監測信息、視頻監控、PIS等）、B網單獨承載列控業務。列控信號數據會同時在A網和B網中傳輸，保證列控信號數據的高可靠要求。
在軌道場景下，LTE-M系統的站間距可達到1.2km，LTE-M規范要求一個小區內支持最多6列車的通信，綜合承載多種業務時，單個小區需要傳輸的最小上下行業務量約為14 Mbit·s-1/4 Mbit··s-1。
LTE-M采用1.8 GHz專網頻段（1 785—1 805MHz），該頻段為多個行業共用，通常地鐵只能分到10MHz帶寬。
表2是LTE-M系統在不同帶寬、不同時隙配比、支持MIMO等條件下單小區上下行理論峰值速率。該數據是在無線條件非常好、終端能力非常強、不考慮相鄰小區干擾的情況下計算得出的。
對照表2，在采用雙漏纜覆蓋、時隙配比0（1DL：3UL）、
5 MHz頻率組網等條件下，單小區的理論峰值速率為下行12.75 Mbit··s-1、上行8.12 Mbit··s-1。實際無線環境下LTE系統傳輸速率只能達到理論值的40%左右，即下行約為5.1 Mbit··s-1、上行約為3.25 Mbit··s-1。
因此現有頻率條件下，LTE-M系統的傳輸能力已經無法滿足同時承載全部上述業務。
隨著軌道交通行業信息技術和控制技術不斷更新，上述傳統軌道交通無線業務也在不斷發展和升級，具體需求會有以下變化。
（1）列控信號業務：無人駕駛技術已經開始規模應用，下一代列控技術（俗稱車車通信）正在研發，列控數據速率將更大（Mbit··s-1級別）、端到端業務時延將更小（50 ms級）。
（2）集群業務：集群語音業務自Tetra應用以來業務需求比較穩定，將來也不會有太大變化。隨著寬帶集群的應用，視頻組呼應用會越來越多，其對無線傳送通道的帶寬需求較大。
（3）列車運行狀態監測：在全自動運營模式下，列車運行狀態監測信息的數據量會增多，上報周期更短。
（4）視頻監控業務：每列車約有攝像頭30個，高清格式時每路速率約為2 Mbit/s，全自動駕駛時要求所有攝像頭的圖像均能實時上傳，這將是最大的上行業務需求。
（5）PIS業務：PIS業務采用組播方式傳輸，目前一條線路只有一套PIS視頻，在帶寬允許的條件下可以同時發送多套PIS視頻，同一車廂的不同顯示屏上播放不同內容。
除了上述傳統軌道交通業務外，還會有大量新業務涌現，可具體劃分為面向列車運行、面向運營維護、面向乘客出行、面向應急防災等幾大類[2-3]。
（1）面向列車運行
1）寬帶視頻呼叫：實現列車與地面之間的視頻調度通信。比如車內乘客通過緊急呼叫功能與調度員通話，調度員可看到乘客畫面。
2）下一代列控數據：主要是列車運行控制系統數據、列車控制管理數據及緊急文本數據傳輸，對時延要求高，并且需要優先保障數據帶寬，用于保障列車的安全運行。
3）超高清視頻流：列車CCTV視頻監控及PIS視頻播放，要求清晰度更高。
4）3D可視化行車環境：通過VR技術，實現列車運行軌道的可視和可控。
（2）面向運營維護
軌道交通內需要維護的設施多、分布點多面廣、維護工作量巨大，利用物聯網技術采集各系統的狀態數據、工務系統狀態數據，通過無線通信系統上傳給專業維護平臺，用于實時監控各個系統的運行狀態，及時發現可能的隱患，由被動維護轉為智能監管，提高整個軌道交通系統的維護效率和系統安全性。
（3）面向乘客出行
通過高速無線通信系統實現地鐵網絡購票，實時查尋車輛到/發站信息、車站擁擠情況，定位軌道交通內商業網點等，為乘客出行提供參考，提高軌道交通的服務水平和舒適度。
（4）面向應急防災
城市軌道交通列車發車密度高、客流量大，隧道環境復雜，一旦出現緊急情況，需要能及時反應，可以通過高速無線通信系統進行現場情況直播和應急調度，提高應急處理效率。
2 軌道交通無線業務的承載方式建議
根據上節需求分析，軌道交通無線業務類型越來越豐富、對數據傳輸速率需求（尤其是上行速率）也在成倍增加，僅采用LTE-M無線系統已經無法滿足所有業務需求。
對于是否可以通過5G系統來承載全部軌道交通無線業務，而不用建設4G LTE-M系統這個問題，答案是否定的，理由如下：
（1）5G技術還未完全成熟，完整的5G版本標準（R16）將于2020年上半年發布;針對軌道交通應用場景，還有很多技術和工程問題需要優化，如隧道環境下的無線覆蓋方式等。
（2）目前未分配5G行業專用頻段，必須與運營商共用網絡，對于特別重要的安全類業務，地鐵業主希望能夠自己管控。
（3）如果采用5G系統承載列控，需要AB網冗余結構，需要建設重疊覆蓋的2張5G網絡，目前5G設備的成本非常高。
（4）現階段的5G標準還不支持集群功能，R17版本將引入集群，預計2021年底發布標準。
所以雖然公網已經進入5G時代，但在軌道交通行業中5G還不能馬上替代其他傳統技術，例如LTE-M仍會長期服務于軌道交通行業，用于承載速率較小、可靠性要求高的關鍵業務。建議以是否影響行車安全來區分業務類別，安全類業務（列控、列調）采用LTE-M網絡承載，其他業務可以通過5G網絡承載。列控、列調（語音）承載于1.8 G LTE-M專網，專用頻段、技術成熟、設備穩定，可保證列車運行的安全性，滿足10年內的列車控制應用要求。CCTV、PIS等大帶寬視頻業務適合采用5G網絡承載，還可進一步挖掘5G網絡的低時延、高可靠性能力，拓展面向運營維護、乘客出行和應急防災等方向的新應用。
3 5G技術在軌道交通環境下的應用分析
本節分析5G主要增強技術[4]（參照公網部署方式）的適用條件，然后從軌道交通無線環境（包括高鐵）和部署條件、應用場景等角度分析這些增強技術在軌道交通環境下的應用限制和效果，試圖從技術角度給軌道交通5G無線系統做一些定性的分析。
（1）Massive MIMO
Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規模多入多出天線）[5]，通過大規模天線，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的高增益窄細波束，能夠提供更靈活的空間復用能力，改善接收信號強度并更好地抑制用戶間干擾，從而實現更高的系統容量和頻譜效率。
在軌道交通環境下，需要沿軌道進行無線信號覆蓋，場景以隧道和高架為主。列車數量不多，但每列車的傳輸數據量大（尤其是上行）。如果考慮乘客上網，則整列車上有幾百上千的終端，密集位于車廂中，幾乎同時進行頻繁的切換過程。
軌道交通一般采用漏纜覆蓋，并且漏纜部署的數量有限（2根或4根），單根漏纜中的無線信號在終端看來就是基站的一個端口發送的信號，因此無法實現超過4個端口的信號收發。如果采用天線覆蓋，隧道環境狹小、拐彎和上下坡度等條件將影響天線的覆蓋，特別是5G采用更高的頻段。
另外，列車車廂中用戶非常集中，多用戶MIMO所要求的用戶分布在不同角度的條件無法滿足。
基于以上分析，多天線技術這個5G最重要的增強技術在軌道交通場景下性能很難發揮。
（2）大帶寬設計
5G以超大帶寬為特征，三大運營商已經分配的公網5G頻率帶寬為100 MHz（中國電信、中國聯通）/160 MHz（中國移動），大系統帶寬不限應用場景，在軌道交通應用場景下，大帶寬可以提供更高的系統傳輸能力。
（3）超密集組網
在公網地面覆蓋場景，由于5G頻段普遍較高，無線信號空間傳播衰減大，需要更加密集的部署基站，尤其針對高頻段，站間距可能在數十米量級，因此5G的超密集組網是公網的主要特征之一。而軌道交通場景以線狀覆蓋為主，如果基站部署太密集，則列車在運行中會頻繁切換，而且車廂中大量乘客集中切換，還帶來復雜的移動性問題。基于以上原因，在軌道交通應用場景中建議采用低頻段實現軌道的無線覆蓋，不宜采用超密集組網。在車輛段、停車場、大的車站可以采用超密集組網模式，提升系統容量。
（4）Mini-slot微小子幀調度/免調度傳輸
Mini-slot微子幀調度和免調度適用于URLLC場景[6]，可以與eMBB共享無線資源，對系統的調度能力提出了很高的要求。常規地鐵項目目前還沒有時延要求特別高的業務。在高速磁浮列車（600 km/h）系統中定位數據要求端到端單向時延小于5 ms。在應用Mini-slot微小子幀調度時5G無線側可以支持小于1 ms的空口時延，但針對高速磁浮PWR業務的時延要求，還需結合有線組網和邊緣計算等技術綜合設計方案。
（5）半靜態上下行時隙配比
目前公網主要使用2.5 ms雙周期、2.5 ms單周期、2ms單周期等配置，上行資源最多30%[7]，滿足公網用戶下載數據大于上傳數據的要求。而軌道交通無線數據的上下行比例取決于承載的業務類型，初期以承載PIS和CCTV為主，上行視頻回傳業務量非常大，需要使用上行比例更大的時隙配比。綜合考慮公網用戶和軌道交通專用用戶的業務上下行比例，可能在不同時段內還會有較大波動，因此半靜態的上下行時隙配比調整可提高系統總的傳輸能力。
（6）下行控制信道波束賦型
在公網中為了提高小區覆蓋，采用波束賦型、波束掃描的方式來發送下行控制信道[8]，達到增大小區覆蓋半徑的效果。在軌道交通應用場景中也希望能擴大小區覆蓋，在隧道采用漏纜覆蓋時，波束賦型基本沒有作用，無法體現效果。在天線覆蓋區域，要求波束跟蹤列車運行軌跡，不能按常規方式掃描，需要特別優化設計。
（7）上行覆蓋增強
在較高頻段（3.5 GHz頻段）部署宏網無縫覆蓋的5G系統時，可能存在上行傳輸覆蓋受限和數據速率受限問題，可以采用全上行載波（SUL）方案或者載波聚合方式解決該問題。
在軌道交通應用場景中，漏纜環境下，就單一頻段做鏈路預算分析，受限的信道如果是上行業務信道，可以采用此技術。在天線覆蓋區域，一般都是上行業務信道受限，也可以采用此技術。需要同時使用低頻段上行覆蓋軌道周邊。
（8）靈活的系統參數、參考信號設計
5G標準支持靈活配置系統參數（如時隙結構）和參考信號，可以針對不同的應用場景、業務比例、用戶位置等，進行優化配置，提高系統效率。軌道交通應用場景比較特殊，需要在運行一段時間后優化出一套適用于特點軌道交通線路的參數配置。
（9）信道反饋增強
為了提高信道估計準確性，提高業務數據傳輸速率，5G中對信道反饋進展進行了很多增強。該技術取決于信道環境，軌道交通以列車為整體移動，信道條件變化快，用戶間干擾大，可能較難實現好的效果。
（10）非正交傳輸
采用非正交傳輸技術，可以在信道環境較穩定的條件下提高系統數據吞吐量。該技術取決于信道環境，軌道交通以列車為整體移動，信道條件變化快，用戶間干擾大，較難實現。
基于以上分析，在軌道交通應用環境下，部分5G技術實際很難發揮最佳性能，需要結合實際工程環境設計部署方案，并進行系統優化，才能達到較好的性能。主要優化方向包括：研制適合5G頻段和隧道場景的的漏纜和天線，研究地鐵隧道環境下的信道模型、優化高速移動時多普勒頻移的補償算法等。工程方面需要結合實際使用的頻段確定合適的站間距和布站原則。
4 5G引入軌道交通行業的網絡架構選擇
基于當前產業現狀和頻率政策，軌道交通行業要使用5G網絡必須與運營商合作，使用公網5G頻率。本節以城市軌道交通（地鐵）無線通信系統為例，分析引入5G后，不同網絡架構的功能劃分和構成[9-10]，以及外部合作方式、頻率使用等問題。圖中黃色模塊為地鐵設備，淡藍色模塊為公網運營商設備。
5G軌道交通無線網絡架構有以下幾種方式。
（1）模式一，地鐵自建5G核心網、共享運營商基站資源，如圖2所示。
地鐵業主自建支持SA（Standalone，獨立組網）的5G核心網，共享運營商建設的5G NR（New Radio，5G無線的簡稱）基站，組成完整的SA架構5G網絡。
原有4G專用網絡維持不變（承載傳統安全類軌道交通無線業務），兩張網獨立部署。
運營商的5G NR基站還會連接到公網核心網5GC，組成一張公眾5G網絡，供地鐵乘客使用。
分析如下：
1）運營商建設接入網（5G NR基站），地鐵業主自建專用5G核心網，連接運營商的5G基站，共享5G接入網。
2）地鐵設備與公網設備只在基站處有接口。
3）地鐵業務數據流不通過運營商的傳輸網絡和核心網。
4）地鐵業主對網絡的可管可控度較高，業務安全性好，可以自主為地鐵5G終端放號。
5）地鐵終端的控制面和用戶面均連接到地鐵核心網，與公網無信息交互。
6）如果運營商對5G接入網進行升級、維護，可能影響軌道交通業務的傳輸。
（2）模式二，利用運營商5G網絡、配置MEC設備本地分流數據，如圖3所示。
運營商建設公網，軌道交通行業用戶終端使用運營商網絡服務，通過自建（或由運營商建設）的MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計算）網元實現本地數據分流，視頻流直接由MEC網元接入軌道交通業務平臺，不需要由基站傳輸到公網核心網再回傳到軌道交通業務平臺。
原有4G專用網絡維持不變，兩張網獨立部署。
分析如下：
1）這種模式網絡比較簡單，運營商提供5G服務，行業用戶通過5G終端使用運營商的服務。
2）地鐵設備與公網設備只在基站處有接口。
3）行業自建MEC網元，部署在本地機房，實現數據本地分流。減少對運營商傳輸網絡的壓力。
4）終端用戶的管理完全由運營商控制。終端需要注冊到公網核心網，控制面由運營商網絡提供。
（3）模式三，行業終端接入運營商5G網絡，無其他自建設備，如圖4所示：
運營商建設5G公網，地鐵用戶終端接入5G公網，使用運營商5G網絡提供的服務。運營商根據需要為行業用戶設置專用網絡切片（包括核心網、傳輸網、接入網），確保滿足行業用戶的業務需求。
原有4G專用網絡維持不變，兩張網獨立部署。
分析如下：
1）這種模式最簡單，運營商提供5G服務，行業5G終端使用公網服務。
2）所有業務數據都需要通過公網核心網再回傳到軌道交通業務平臺，軌道交通業務平臺與公網有接口。
3）大帶寬視頻流數據對傳輸網絡造成較大壓力，也會增加傳輸時延。
4）終端用戶的管理完全由運營商控制。
（4）模式四，地鐵行業自建5G網絡（取決于是否有自主頻率資源），如圖5所示：
行業用戶自建5G NR基站，同時部署5G核心網，組成完整的SA架構的5G專用網絡，根據業務需求支持低時延、超大鏈接等增強能力。
原有4G網絡維持不變，兩張網獨立部署。
分析如下：
1）如果未來國家正式分配5G行業專用頻段，則地鐵業主可以完全自建5G專網，與運營商網絡相互獨立。
2）或者采用非授權頻段（如5.8 G非授權頻段，總共125 MHz），使用其中部分頻段（例如80 MHz頻寬）建設5G專網，采用3GPP R16 NR-U技術（標準將于2020年中完成）。
需避免與目前使用的WLAN/EUHT/LTE-U系統的干擾問題。
根據以上分析，現階段軌道交通行業如果要使用5G技術，必須與運營商合作。從商業合作角度來看，運營商可能會選擇模式二，網絡比較簡單，而且軌道交通業務本地分流不會給運營商的傳輸網絡帶來較大壓力，但地鐵業主可能傾向于模式一，希望在共享接入網的基礎上最大化自主控制。
長遠來看，如果將來分配了5G行業專用頻率，地鐵業主自建5G網絡將是最佳選擇。或者采用5.8 G非授權頻段建設NR-U行業專網，也是一個不錯的選擇。
5結束語
本文首先介紹現有軌道交通無線技術，分析軌道交通業務需求以及業務發展趨勢，現有技術無法完全滿足多樣的業務需求（主要是業務速率要求越來越高）。針對5G技術引入軌道交通行業，建議安全類業務（列控、列調）采用LTE-M網絡承載，CCTV、PIS等大帶寬視頻業務采用5G網絡承載，還可進一步挖掘5G網絡的低時延、高可靠性能力，拓展面向運營維護、乘客出行和應急防災等方向的新應用。進一步，詳細分析了5G主要增強技術的適用條件，從軌道交通無線環境和部署條件、應用場景等角度分析這些增強技術在軌道交通環境下的應用限制，提出了優化方向。最后，以城市軌道交通（地鐵）無線通信系統為例，分析引入5G后不同網絡架構的功能劃分和構成，以及外部合作方式、頻率使用等問題。
5G在軌道交通行業的應用即將全面展開，其中大帶寬業務需求最為急迫，基于軌道交通行車安全第一的原則，傳統的列控和列調業務建議仍舊采用LTE-M技術承載，其他業務可以先行采用兩種模式同時承載的方式進行試驗和過渡，待5G在軌道交通環境下的部署方案成熟穩定后再全部由5G承載。
關于軌道交通行業的5G網絡架構，近期宜考慮與運營商合作的模式，共用無線接入網，達到減少投資和維護工作量的目的。為了更好地管控軌道交通業務，有條件的業主可以自建5G核心網，或者設置本地邊緣計算設備，實現行業業務的本地分流，還可減小傳輸時延。
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作者簡介
毛磊（orcid.org/0000-0001-5428-1125）：碩士畢業于電信科學技術研究院，現任職于北京中興高達通信技術有限公司（中興通訊子公司），十余年移動通信標準研究經歷，目前主要從事5G行業無線方案研究工作，獲2017年度中國通信標準化協會科學技術進步獎一等獎，已獲授權中國發明專利80項、PCT專利30項。
翟浩杰：碩士畢業于南京理工大學，現任職于北京中興高達通信技術有限公司（中興通訊子公司），長期從事移動通信產品開發和行業應用工作，目前致力于新一代無線寬帶技術在軌道交通行業的應用研究和推廣。
尹尚國：碩士畢業于哈爾濱工業大學，現任職于北京中興高達通信技術有限公司（中興通訊子公司），長期從事移動通信系統外場測試和應用示范研究工作，目前致力于新一代無線寬帶技術在軌道交通行業的應用研究和推廣。
來源： 移動通信 2020年1期 毛磊 翟浩杰 尹尚國
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