軌交行業5G網絡建設和合作分析

毛磊 董立虎 陸詩釗

【摘? 要】將5G技術應用到軌交行業是當前一個熱點課題，針對軌交無線業務新需求，視頻監控類業務數據量巨大，需要通過5G網絡承載。首先從隧道無線覆蓋方面分析，漏纜和天線各有特點，但都會受制于隧道內安裝條件，隧道建設5G時，需要針對頻段來確定覆蓋方式，高頻段宜采用天線覆蓋，低頻段建議采用漏纜。隨后進一步分析了四大運營商的5G頻率資源、與地鐵共用網絡潛在的問題，提出了合作建議方式，為將來軌交行業應用5G提供一些思路。

【關鍵詞】軌道交通;隧道;5G;MIMO;網絡共享

Applying 5G technology to Rail Transit is a hot topic at present. For the new demand of rail transit wireless service， video monitoring service has a huge amount of data and needs to be carried through 5G networks. According to the analysis of tunnel wireless coverage， leaky cable and antenna have their own characteristics， but both are limited by the tunnel installation conditions. In the construction of 5G tunnel， the coverage mode depends on the frequency band， where the antenna coverage prefers the high frequency band and leaky cable prefers the low frequency band. This paper further analyzes the 5G frequency resources of the four major operators and the potential problems of sharing the network with the metro， and proposes cooperation suggestions， which provides some ideas for the future application of 5G in the rail transit industry.

rail transit; tunnel; 5G; MIMO; network sharing

0? ?引言

隨著5G公網加速建設和大規模應用，5G網絡的性能優勢已經為廣大用戶所熟知。將5G技術應用到垂直行業是下一步推進方向，城市軌道交通領域對通信技術要求非常高，隨著軌交運營智能化升級、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來實現更高效快速傳輸。

本文基于目前的5G頻率分配限制、軌交應用場景和業務需求等方面，對5G技術應用于軌交行業進行了一些分析。

1? ?5G頻譜分配

2019年6月6日中國發放5G牌照[1]，5G在我國進入加速建設階段。公網5G大規模組網已經在部分熱點城市和地區完成，尤其是隨著5G終端的普及，人們已經開始真真切切地感受到5G的存在。

應用5G首先需要有頻率資源，以下是四大運營商已分配的5G頻率[2]：

中國電信：3 400 MHz—3 500 MHz共100 MHz;

中國移動：2 515 MHz—2 675 MHz、4 800 MHz—4 900 MHz，共260 MHz;

中國聯通：3 500 MHz—3 600 MHz共100 MHz。

中國廣電：4 900 MHz—4 960 MHz共60 MHz（700 MHz具體分配還未正式發布）。

另外，中國電信、中國聯通、中國廣電共用3 300 MHz—3 400 MHz，用于室內覆蓋[3]。

國內短期內沒有針對垂直行業的新增5G頻譜分配計劃，因此垂直行業想要使用5G技術，目前只能與運營商合作，使用運營商的5G頻率資源。

2? ?軌交業務需求和無線覆蓋分析

隨著全自動無人駕駛技術的成熟和廣泛應用，在無人駕駛模式下，列車上不再安排值守的工作人員。這種情況下如何掌握車廂內的情況，以便在緊急事故發生時能及時開展救援，是目前地鐵運營方需要重點解決的問題，這對車載視頻監控（CCTV， Closed Circuit Television）提出了更高的要求，例如要求實時回傳所有車廂攝像頭影像，每個攝像頭的清晰度要達到高清級別。

一般列車上約有30個攝像頭，高清格式的數據速率為2 Mbit·s-1/路，因此一列車總的數據速率將高達60 Mbit·s-1（上行），這對車地無線系統提出了很高的要求，現有車地無線系統包括LTE-M、WLAN等都無法滿足，該業務是軌交行業引入5G技術的最大需求來源[4]。

軌交應用場景比較特殊，以隧道和高架為主，列車數量不多，但每列車的數據量大（尤其是上行），列車運行速度一般為80 km/h，少量高速線路可達120～160 km/h。

對于軌交車地無線系統，因為軌道是線狀的，無線信號只需要覆蓋軌道范圍，通常有兩種無線覆蓋方案：

（1）漏纜覆蓋

漏纜是漏泄同軸電纜的簡稱，其主要工作原理是電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸的同時通過槽孔向外界輻射電磁波。外界的電磁場也可通過槽孔感應到泄漏電纜內部并傳送到接收端。漏纜的信號覆蓋均勻，尤其適合隧道等狹小空間，如圖1所示。

目前廣泛應用于軌交行業的LTE-M（1.8 GHz）、Tetra（800 MHz）和PDT（350 MHz）系統均采用漏纜覆蓋，地鐵隧道內的民用無線通信系統（公網2G/3G/4G）也都采用漏纜覆蓋。常用的漏纜可以傳輸的無線頻率范圍為300 MHz—2.7 GHz，因此傳統通信技術都可以采用漏纜覆蓋，發揮其場強均勻、可沿軌道彎曲的特點，實現對列車的近場視距覆蓋。

由于隧道內上述多個無線系統均采用漏纜覆蓋，部署漏纜成為一個重要的工程問題，需要針對覆蓋對象沿隧道一側（弱電側）選擇合適的安裝位置，漏纜之間為了避免相互干擾還需保持一定間隔距離。

地鐵專用系統的車載天線一般安裝在列車車頂，專網漏纜要求架設在距軌面3 m以上，與列車頂部平齊。而公網的服務對象是車內乘客，公網漏纜一般部署在車窗高度（距軌面2 m左右），透過車窗玻璃（損耗較小）輻射車廂。

目前軌交專用無線系統通常部署3根漏纜，LTE-M承載信號時采用A/B雙網配置，一般配置兩根漏纜，其中一根漏纜可以與另一個系統合用，如Tetra可以與LTE合用一根漏纜。PDT單獨使用一根漏纜。民用通信涉及三家運營商的2G/3G/4G系統的多個頻段，通過合路方式共用漏纜，一般也需要2根以上的漏纜。因此地鐵隧道內的漏纜最少5根，而且漏纜只能安裝在隧道一側（另一側為強電設備），安裝位置非常有限，基本上已經飽滿。

（2）天線覆蓋

除漏纜外，也可采用定向天線在隧道內進行無線信號覆蓋，如圖2所示，一個基站連接兩個天線，兩個天線背靠背安裝，往相反方向輻射隧道。

目前應用在軌交行業的WLAN/LTE-U/EUHT等系統，均使用非授權的5.8 GHz，通常采用天線進行隧道無線覆蓋。

這些系統之所以可以采用天線覆蓋，是因為首先目前產業界還沒有成熟的5.8 GHz頻段的漏纜（或者傳輸損耗太大），此外5.8 GHz頻段的天線尺寸可以做得比較小，便于安裝，不會侵入列車限界，另外天線的迎風面較小，可抵抗列車通過時風阻的推拉作用，不易導致天線松動。另一方面，由于頻段較高，單個小區的覆蓋距離較短（一般在500 m左右），對于隧道的拐彎和上下坡度等環境容忍程度較高。

3? ?隧道環境下的5G無線覆蓋方式分析

Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規模多入多出天線）[5]是5G實現超高速率的核心技術，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。

下面分析隧道場景下MIMO技術的應用限制[4]：

（1）采用漏纜覆蓋時，單根漏纜中的無線信號就是基站一個端口發送的信號。由于安裝位置有限、成本高等原因，隧道內可用于5G的漏纜數量有限（很難超過4根），因此無法實現超過4個端口的信號收發，最多實現4×4的傳統MIMO，Massive MIMO的性能無法體現。

（2）采用天線覆蓋時需重點考慮天線尺寸，因為地鐵隧道內的限界要求非常嚴格，天線尺寸太大將無法滿足安裝要求。天線內部由很多天線振子構成，天線振子的長短和波長成正比，與頻率成反比，頻率越高，天線振子就越短[6]。基于該原理，同為8T8R、相同增益的天線，天線尺寸關系為2.6 GHz>3.5 GHz>4.9 GHz。在相同天線尺寸的條件下，高頻段天線內部可以集成的天線振子數量越多，也就可以實現性能更高的MIMO效果。因此，如果在地鐵隧道中采用天線覆蓋，4.9 G頻段具有更好的使用條件。

綜合比較可知，僅考慮隧道場景下多天線技術的性能發揮，應用4.8 GHz—4.9 GHz頻段、采用天線覆蓋更適合。另外，對既有線路進行5G升級時，采用天線覆蓋可以降低很多工程難度。

4? ?與運營商的合作探討

國內四大5G公網運營商，包括中國移動、中國電信、中國聯通和中國廣電。三家傳統運營商隨著5G公網逐步完善，作為民用通信的延伸，也會對地鐵區域進行5G覆蓋，為其公網用戶（乘客）提供5G服務。中國廣電作為新晉5G運營商，并不運營傳統無線網絡，目前沒有公眾用戶。

如果地鐵業主與某一傳統運營商合作（如中國聯通、中國電信，使用3.3 GHz—3.6 GHz頻段;中國移動使用2.6 GHz頻段），通過其5G網絡承載地鐵無線業務，則在地鐵區域內該運營商的服務對象除了地鐵用戶外，還有人數眾多的公網用戶（乘客）。假設一個小區同時存在2列車，僅地鐵CCTV上行數據量就達到了120 Mbit·s-1，加上乘客上網業務，總的數據量（尤其是上行）可能會達到小區的容量上限。如果出現容量緊張，需要將地鐵業務和普通用戶業務通過優先級控制來進行區別對待。從地鐵業主使用角度來說，采用統一資源池、與公網用戶共享無線資源不是最理想的方式，更希望運營商能固定劃出一部分頻率資源為地鐵設置一個獨立的小區。

中國移動除2.6 GHz頻段外，還有4.8 GHz（100 MHz）頻段，5G頻率資源非常豐富，但另一方面中國移動的公網用戶比例最高，可能2.6 GHz頻段并不能滿足公網用戶容量要求，還需要使用一部分4.8 GHz頻段承載公網業務。如果4.8 GHz頻段內還有資源空閑，可以與地鐵合作，使用4.8 GHz（100 MHz）頻率中的一部分，例如4 800 GHz—4 850 MHz（50 MHz），為地鐵用戶設置一個獨立的50 MHz帶寬小區（不需要額外投資），形成一張地鐵專用網絡，該網絡僅覆蓋地鐵沿線特定區域，用于承載CCTV業務。網絡結構如圖3所示。

因為共用硬件資源，同處于4.8 GHz頻段的地鐵專用小區與移動公網小區的無線配置需要統一考慮，如時隙配比需要統一。公網業務一般以下行為主，因此可能配置上/下行轉換周期為2.5 ms雙周期[7]，10個時隙典型配置為：DDDSUDDSUU，其中S符號級為DDDDDDDDDDGGUU（其中G為保護間隔GP，U為上行符號，D為下行符號），如圖4所示。此時上行資源比例僅為32.86%，與地鐵CCTV業務特點不是特別匹配。

如果地鐵與中國廣電合作，因為中國廣電暫無公網用戶，可以使用4.9 GHz（60 MHz）頻率建一張地鐵專用5G網絡，該網絡僅覆蓋地鐵沿線特定區域，主要用于承載CCTV業務。網絡結構如圖5所示：

因為該網絡（包括硬件）僅用于地鐵用戶，承載地鐵單一業務，可以針對CCTV業務特點進行優化，設置上行資源比例更大的時隙配比。例如采用2.5 ms單周期[7]，5個時隙典型配置為：DSUUU，其中S符號級為DDDDDDDDDDGGUU（其中G為保護間隔GP，U為上行符號，D為下行符號），如圖6所示。該時隙配置的上行資源達到62.86%，可大大提升上行業務吞吐量。

如果地鐵與中國廣電合作采用700 MHz頻段部署5G網絡，700 MHz頻段為FDD模式，上下行頻寬相等，不涉及上下行資源比例調整的問題。考慮到廣電暫無公網用戶，地鐵范圍內可以將全部或者部分頻率資源用于地鐵業務傳輸，例如配置一個2×30 M[8]小區承載地鐵業務，一個2×10 M小區承載其他業務，各自獨立，不會相互影響，符合地鐵的使用要求。因為700 MHz頻段天線尺寸較大，在地鐵場景下適合采用漏纜覆蓋，可以與LTE-M系統共用漏纜。

根據以上分析，地鐵行業與運營商的合作方式有多種，例如與中國移動或中國廣電合作，采用4.8/4.9GHz頻段組成地鐵專用小區，使用天線覆蓋;與中國廣電合作，采用700 MHz頻段組成地鐵專用小區，采用漏纜覆蓋。

5? ?結束語

本文首先針對軌交無線業務需求和軌交特殊覆蓋場景進行了分析，地鐵最大的無線業務需求為車載視頻上傳業務（CCTV），急迫需要5G網絡來承載。綜合考慮網絡共享、容量限制、建設難易程度、5G多天線技術的性能發揮等方面，軌交行業要使用5G，建議優先考慮4.8 GHz—4.9 GHz頻段。如果與中國移動合作，可以共用其4.8 GHz設備（假設中國移動公網用戶也會使用4.8 GHz頻段），投資成本較小，但是不能獨立優化。如果地鐵與中國廣電合作，需要建設一張地鐵5G專網（700MHz或4.9 GHz頻段），投資成本較高，但可以做到專網專用，未來還可以將安全類業務也承載在該專網中，是一種比較合適的方式。

參考文獻：

[1]? ? 信息通信管理局. 工業和信息化部向四家企業頒發5G牌照[EB/OL]. （2019-06-06）[2020-04-20]. http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/n7039597/c7093441/content.html.

[2]? ? 工業與信息化部. 工信部無（2017）276號：5G系統在3000-5000MHz頻段（中頻段）內的頻率使用規劃[Z]. 2017.

[3]? ? 無線電管理局. 工業和信息化部許可中國電信、中國聯通、中國廣電共同使用5G系統室內頻率[EB/OL]. （2020-02-10）[2020-04-20]. http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/c7671201/content.html.

[4]? ? 毛磊，翟浩杰，尹尚國. 5G在軌道交通行業的應用探討[J]. 移動通信， 2020，44（1）： 63-70.

[5]? ? 劉曉峰，孫韶輝，杜忠達，等. 5G無線系統設計與國際標準[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2019.

[6]? ?王曉云，劉光毅，丁海昱，等. 5G技術與標準[M]. 北京： 電子工業出版社， 2019.

[7]? ? ?中國通信標準化協會. 6GHz以下頻段基站設備技術要求（第一階段）[S]. 2018.

[8]? ? 3GPP. 3GPP TR 38.888 v1.0.0： Adding wider channel bandwidths in NR band n28[S]. 2020.