5G 技術在地鐵無線專網中的應用探討

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.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

隨著城市軌道交通系統的高速發展，地鐵已成為都市公共交通系統中最重要的一環。根據中國城市軌道交通協會統計信息，截至2020年底，中國內地共計45個城市開通城市軌道交通，運營線路244條，運營線路總長度7 969.7 km，其中地鐵運營線路6 280.8 km，占比78.8%。地鐵已逐漸成為國內各大城市主要的市內公共交通工具。因此，作為承擔地鐵調度和控制的通道，地鐵無線通信的重要性也毋庸置疑。

1 現有地鐵無線專網

無線專網（或稱無線專用網絡）在地鐵中的應用有如下3個主要發展階段：20 世紀90年代初的模擬語音通信；2000年前后的數字集群通信（TETRA）；2012年首次應用于地鐵無線專網的長期演進技術（LTE）通信（即第四代移動通信， 4G）。

1.1 無線專網業務

無線專網主要承載移動終端以及車-地間的通信業務，其業務包括專用調度無線通信系統、基于通信的列車控制系統（CBTC）、車載視頻監控（CCTV）系統和乘客信息系統（PIS）等。

（1）專用調度無線通信系統。為地鐵運營人員提供各種語音和數據通信。

（2）CBTC系統。是追蹤列車實時位置及速度等運行狀態監測數據、下發控制指令的自動控制系統，是高密度行車的安全保證，亦是地鐵自動運營的基礎，因此對通信的實時性和可靠性有很高的要求。

（3）車載CCTV系統。將駕駛室、車廂等重點區域的實時監視畫面傳輸到地面控制中心和地鐵公安部門。

（4）PIS系統。是多媒體咨詢發布、播控與管理的平臺，為乘客提供列車實時多媒體信息，以及在突發情況下提供緊急疏散指示。

1.2 無線專網業務面臨的瓶頸

根據CZJS/T 0032-2015《城市軌道交通CBTC信號系統-DCS子系統規范》中的規定，并綜合考慮其他業務，車-地無線通信的帶寬需求見表1。

由表1可知，除CCTV系統外，每列車車-地通信所需傳輸速率為7.4～11.4 Mb/s；同時，每列車通常要求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的視頻圖像（即28～56 Mb/s）。

表1 無線專網業務及所需傳輸帶寬

但目前地鐵無線專網傳輸速率有限，主要工作在以下3個頻段。

（1）800 MHz。用于專用調度窄帶無線通信系統，無法提供寬帶數據傳輸。

（2）1.8 GHz。該頻段僅有20 MHz的專用帶寬。以成都地鐵5號線為例，在2019年9月13日進行的綜合承載測試中，即使以最理想的A網（5 MHz）+B網（15 MHz）綜合承載的方案，也僅能夠滿足除現有各系統加少量的CCTV業務數據傳輸需求，詳細測試結果分別見表2和表3。

表2 成都地鐵5號線A網信號系統（5 MHz）功能性驗證測試結果

表3 成都地鐵5號線B網信號系統（15 MHz）功能性驗證測試結果

（3）2.4 GHz/5.8 GHz。擁有較大的帶寬，但這一公共頻段內受到的干擾日益嚴重，甚至在特殊情況下曾發生CBTC系統因控制信道被淹沒而離線，從而導致全線列車緊急剎車的事故案例。

由此可見，隨著地鐵的發展，目前使用的寬帶移動通信頻段（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通信（5G）技術。

2 5G 技術在地鐵中的應用特點

2.1 優點

在2020年7月3GPP標準化組織宣布了5G NR Release 16凍結，這意味著5G技術的研究和商用已獲得成功，同時意味著其即將進入地鐵專用無線領域。

5G技術應用于地鐵無線系統時具有下列優點。

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

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

（3）更多連接。海量機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC），終端接入數支持100萬連接/ km2，能支持大量的物聯網設備接入。

2.2 關鍵技術

5G技術的優點得益于除在軟件、算法和器件等方面擁有比4G更多的革新和改進外，還采用了如下3項關鍵技術。

2.2.1 更多的可用頻段

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

目前國內的無線頻段資源非常緊張，5G技術在地鐵專網中可應用的頻段有以下幾種。

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

（2）2.4 GHz/5.6 GHz公共頻點。

（3）未來還可能會使用30～60 GHz（即5G-mmWave波段）。

大的頻寬必然會帶來大的傳輸帶寬。根據香濃定理：

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，而5G FR1段各頻點均有接近100 MHz或以上的上下行總帶寬，部分頻段甚至超過500 MHz，同時FR2段的頻點可用帶寬均超過3 GHz，因此5G的理論傳輸速率將達到地鐵專網現有LTE系統的150倍以上。

2.2.2 Massive MIMO 與頻帶復用

多入多出（MIMO）技術是在4G時代就已提出，其可結合“正交頻分復用（OFDM）”技術實現同一頻帶內多通道同時傳輸，從而提高整體信道復用率；或通過多通道增強傳輸信號的強度并消減由多徑等因素造成的衰減，從而提高通信質量。由于受限于波長和天線尺寸，4G技術下的天線/信道數量有限（2/4天線），而5G技術則采用更加先進的大規模多入多出（Massive MIMO）技術。這是因為5G能夠采用mmWave信號，其天線尺寸可做到足夠小，目前5G基站的天線通常可達到64T64R（即64 發64收），其通道數量達到4G的數十倍，信道復用率將會大幅超過4G，因此5G系統可以接入更多的終端，同時傳輸速率也將遠高于4G系統。在這種情況下，傳輸速率C的計算公式為：

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

5G技術能夠在相同的物理帶寬限制內更進一步以數量級的優勢提升頻帶復用率，從而達到更高的傳輸速率。

2.2.3 Beamforming 與信噪比

Beamforming即“波束賦形”技術，也是在4G時代就已經提出。該技術是在發射端通過先加權再發送，多波束疊加最終形成更“窄”（旁瓣能量更低）的發射波束，使能量集中在特定方向，增加特定方向的信號功率，從而提高信噪比。與MIMO類似，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，其相對高昂的成本與部署技術難度使這一技術最終沒有普及。

而5G技術的毫米波天線尺寸足夠小，使相控陣天線的實現成本更低，且單位面積的天線數量更多，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量。

2.3 需要克服的弱點

雖然5G技術有上述這些優點，但在實際應用中還有很多弱點需要克服，首當其沖的就是電磁信號的衰減。在無線通信中，信號衰減的計算公式為：

式（3）中，L為功率衰減值，dBm；PTX為發射功率，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（自由空間內為光速）；λ為電磁波波長。

從上述公式可得出：發射功率與天線增益不變時，信號最遠覆蓋距離（即達到最小接收電平的距離）與電磁波頻率成反比。因此，簡單從載波頻率角度計算，Sub-6G頻段的理論覆蓋距離僅為現有LTE系統的1/2，而mmWave頻段的甚至不到1/10。

但是，實際情況相對復雜得多，得益于5G的Massive MIMO與Beamforming技術，其GTX遠大于現有LTE系統的天線增益，在一定程度上彌補了功率衰減過快的問題。

3 5G 技術在地鐵上的應用探討

3.1 在場站中的應用

5G技術在mmWawe頻段（相對于4G技術）的最大缺陷是會導致在相同發射功率下的覆蓋范圍大幅降低，其優勢則是極高的傳輸效率與極小的天線尺寸，同時包括Massive MIMO在內的各項5G技術使得單點接入設備數海量增長。因此5G技術非常適合部署于車站、樞紐站、車輛段等相對封閉的空間，并為車站智能化等新應用提供物聯網接入點。這類環境的特點是空間狹小，并不需要太長的覆蓋距離，同時5G技術較小的天線尺寸也使其在這類有限空間的工程實施與維護相對簡單，不會對建筑結構提出過多的要求。

3.2 在隧道中的信號覆蓋

在實際工程應用中，無線信號通常在隧道內以敷設漏纜的方式實現信號的覆蓋，在隧道里每隔800～1 000 m布設1臺射頻拉遠單元（RRU）發射射頻信號。而5G技術采用的高頻信號（如mmWave）在遇到障礙物時，會在其表面發生鏡面反射，即類似于光信號在光纖內的傳播方式，頻率過高的射頻信號會在同軸線纜2 層導體之間以全反射的方式傳播，這一效應被稱為“波導效應”。波導效應會使得非波導方向的信號強度急劇減弱，因此5G高頻信號（如5.6 GHz信號甚至30 GHz的mmWave電信號）難以通過漏纜的方式進行信號覆蓋，而是需要采用定向天線的方式在隧道內完成信號覆蓋。

同時，由于高頻信號衰減速率較高，目前在工程應用中采用5.8 GHz頻率時，通常隧道內每隔400～500 m需要布設基站或有源設備，若將來采用5G技術的高頻信號，基站或有源設備的間距必然會更小。

當然，5G技術在隧道環境下的部署也有其優勢。5G mmWawe的天線尺寸非常小，可達到厘米乃至毫米級別，能夠更好地適應隧道內有限的部署空間。同時，其特有的波束賦形技術也能很好地滿足隧道環境下的定向傳輸需求。

3.3 多天線 / 天線陣列的工程實施

除天線部署點位外，5G高頻信號天線的部署實施方式也需要進一步探討。其高頻信號可以利用上下行信道角度的互易性產生波束，見圖1，可通過采用分布式Massive MIMO或分布式MIMO技術將多個RRU天線信號聯合處理，解決線路小區邊緣信號干擾和列車快速切換造成的通信速率下降的難題，其無線傳輸性能將優于傳統4G/LTE技術。另外，5G技術采用高精度頻率跟蹤和時域補償信號處理技術，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場景下的無線通信。這也對具體工程實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生波束，需對上下行頻段間隔有嚴苛的要求，同時對載波的可用帶寬提出了相應要求；

（2）分布式Massive MIMO技術對多天線間的一致性有極高的要求，即對天線生產工藝以及現場布設技術水平提出了更高的要求；

（3）這些技術對列車上的移動接入設備提出了新的要求，即要求其能夠處理、區分多個波束數據。

4 結語

相較于目前地鐵無線專網主要應用的1.8 GHz頻段，5G技術的Sub-6G乃至mmWave頻段高頻信號的最大優勢在于其極高的帶寬與數據傳輸速率，在完全滿足現有業務以及CCTV全視頻流上傳的需求上，還可以為智慧車站、智慧地鐵等新增業務提供無線傳輸通道。此外，5G-mmWave頻段具備的另一優勢是單點設備接入數相比現有技術有數量級的提高，這也為未來物聯網設備接入乃至萬物互聯的實現提供了基礎傳輸通道。

為在地鐵無線專網中發揮5G技術的優勢，還必須更進一步了解5G系統的特點和對環境的特殊要求，通過分析地鐵的工程特點，利用工程措施來保證和實現5G大帶寬與高數據傳輸速率。例如，采用業務分類，利用不同頻道的傳播特性來滿足不同業務的需求，用1.8 GHz頻段來承載CBTC、緊急報文、列車運行狀態監測等事關列車運行安全的關鍵數據；采用Sub-6G頻段承載CCTV、PIS、視頻調度等非關鍵但是極度消耗數據傳輸帶寬的業務；利用mmWave頻段覆蓋地下車站、主變電所等空間有限但往往布設大量設備或傳感器，對傳輸鏈路單點接入有較大需求的場景。

因此，5G技術作為新生的技術，要想實現其在地鐵通信系統中的大規模應用，在覆蓋方式與可靠性上還有很多工作要做。例如，在相對低頻信號下如何通過多天線實現波束賦形與Massive MIMO；同時在5G系統建設中要考慮mmWave頻段無線通信系統的接入余量，為即將到來的物聯網與智慧地鐵建設做好準備。這些問題將在后續的研究與文章中進一步探討。