江 波，段 俊，王津升，匡奇方

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

基于?4G?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M，地鐵長期演進系統(tǒng)），由于其移動性高（相對移動速度≥350??km/h）、覆蓋范圍大、抗干擾能力強、業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度算法先進，逐漸取代基于無線局域網(wǎng)（WLAN）的車地通信系統(tǒng)。隨著?2016?年中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》，LTE-M?系統(tǒng)成為新建城市軌道交通線路的首選車地通信系統(tǒng)。同時，應(yīng)用?LTE?通信網(wǎng)絡(luò)在地上和地下城市軌道交通運營線的廣泛覆蓋，也給乘客上網(wǎng)和視頻通話提供了方便。但在實際應(yīng)用和測試中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于城市軌道交通的?LTE-M?帶寬受頻譜資源限制，綜合承載能力有限；受?LTE-M?延時影響，基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)性能受限。

目前各國正在積極推進第?5?代移動通信（5G）技術(shù)的研發(fā)和相關(guān)標準制定工作。國務(wù)院在?2016?年?11?月印發(fā)的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中對?5G?技術(shù)已有明確方向：“大力推進第?5?代移動通信（5G）聯(lián)合研發(fā)、試驗和預(yù)商用試點”，同時對軌道交通行業(yè)也提出了明確的要求：“強化軌道交通裝備領(lǐng)先地位。推進軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)智能化、綠色化、輕量化、系列化、標準化、平臺化發(fā)展，加快新技術(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)用”。地方企業(yè)、科研單位已開始進行關(guān)于軌道交通信息化和高速移動下的?5G?研究。北京市科委表示，未來地鐵新建線將預(yù)留?5G?信號空間[1]。工信部表示，力爭?2020?年啟動?5G?商用[2-3]。通信系統(tǒng)作為城市軌道交通重要的系統(tǒng)之一，5G?新技術(shù)的推進為城市軌道交通發(fā)展增加了新的動力。

1 5G 技術(shù)概述

1.1 5G 介紹

隨著移動通信需求的不斷增長，新一代移動通信系統(tǒng)——5G?將在未來幾年內(nèi)逐漸商用。屆時，5G?依據(jù)以往發(fā)展的規(guī)律會在多個方面的性能有所突破，特別是頻譜利用率和能效將有較大提升，使得在傳輸速率和資源利用率方面會提高?1個數(shù)量級甚至更高。另外，5G?將在傳輸延時、可靠性、安全性、覆蓋能力等方面獲得較大的性能提升。5G?移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也將進一步擴展，將增加端對端（D2D，Device-to-Device）通信功能，同時增強對海量傳感設(shè)備及機器對機器（M2M，Machine-to-Machine）通信的支撐能力[4]，從而促進未來萬物互聯(lián)目標的實現(xiàn)。5G?不僅讓用戶的體驗更好，而且能夠滿足更多行業(yè)、不同應(yīng)用領(lǐng)域的特定需求。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

根據(jù)目前的研究進展，5G?將采用多種新技術(shù)和新方法改善網(wǎng)絡(luò)性能、擴展網(wǎng)絡(luò)功能，如高頻段數(shù)據(jù)通信、大規(guī)模陣列天線、新型多址技術(shù)、新型多載波技術(shù)、全雙工、D2D?通信、密集網(wǎng)絡(luò)、新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等技術(shù)。通過這些技術(shù)實現(xiàn)?4G?網(wǎng)絡(luò)到?5G?網(wǎng)絡(luò)的飛躍。

相比較?4G?網(wǎng)絡(luò)，5G?網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在以下幾個方面的性能將得到顯著提升[5]，如圖?1?所示。

圖1 4G與5G網(wǎng)絡(luò)性能對比

5G?還增加了?D2D?通信功能，是一種設(shè)備到設(shè)備的直接通信技術(shù)，可以減輕基站負擔、減小通信時延，與蜂窩通信相比，D2D?通信僅占一半的頻譜資源。此外，距離較近的用戶利用?D2D?通信可以減少傳輸功率、節(jié)約能耗。

另外，5G?在安全性、可靠性等方面也提出了更高的要求[6]。

以上?5G?這些主要性能改善有助于提高城市軌道交通通信系統(tǒng)性能。

2 城市軌道交通 5G 應(yīng)用

2.1 高速通信

目前城市軌道交通?LTE-M?系統(tǒng)使用?1??785～1??805??MHz?頻段[7]，但受各地方頻率資源使用限制，一般只批準其中的?10??MHz?帶寬用于城市軌道交通。考慮到信號系統(tǒng)安全可靠的需求，把?10??MHz?帶寬又分為?A、B?雙網(wǎng)（5??MHz?+?5??MHz）冗余方式進行通信，在此條件下測得在單網(wǎng)使用單漏纜情況下的數(shù)據(jù)吞吐量如表?1?所示。

表1 LTE-M 上下行數(shù)據(jù)吞吐量 Mbit/s

按照《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》系統(tǒng)需求，在不同的自動運行等級（GOA，Grade?of?Automation）下綜合承載列車運行控制業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)（IMS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）視頻業(yè)務(wù)的傳輸速率要求如表?2?所示。

表2 各業(yè)務(wù)傳輸速率要求 Mbit/s

集群調(diào)度業(yè)務(wù)的傳輸速率未做要求，但根據(jù)實際場地測試，單路高清視頻約＜4??Mbit/s（H.264）或＜2??Mbit/s（H.265）。

在以上每個業(yè)務(wù)最小單位的情況下，5??MHz?帶寬LTE-M?通信速率難以滿足各業(yè)務(wù)綜合承載的設(shè)計要求，特別是多業(yè)務(wù)并發(fā)時，例如多列列車在同一小區(qū)進行通信、多路視頻傳輸?shù)惹闆r下單網(wǎng)承載遠遠不能滿足需求，進一步使得業(yè)務(wù)擴展空間受限。受此問題影響，目前解決辦法是設(shè)計多個網(wǎng)絡(luò)承載不同業(yè)務(wù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜、周期長、后期維護難度大等問題。

5G?一方面采用多種技術(shù)增加了頻譜效率，在原有的帶寬下提供更高的通信速率，另一方面采用更高的頻段能夠緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)況，實現(xiàn)極高速、短距離通信。綜合多種技術(shù)改進，5G?網(wǎng)絡(luò)將頻譜效率較?4G網(wǎng)絡(luò)提高了?5～10?倍，按照現(xiàn)有測試的速率，可以將目前上行平均通信速率提高到?18.5～37??Mbit/s，下行通信速率提高到?42～84??Mbit/s。這樣不僅單網(wǎng)可以綜合承載現(xiàn)有的所有業(yè)務(wù)，還可以增加多路高清視頻，以及滿足更多業(yè)務(wù)的需求，既簡化了新線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜度，同時也降低了維護的難度。隨著?5G?網(wǎng)絡(luò)綜合承載能力增強，逐漸減少了軌旁設(shè)備的施工安裝，有助于滿足老舊線路施工周期短、軌旁空間有限的改造需求。

2.2 低延時，高可靠

追蹤間隔保證列車以一定的時間間隔在線路上互不干擾地運行，不僅是衡量列車運行控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標之一，也是保證運營效率的重要參考。無線通信是CBTC系統(tǒng)實現(xiàn)較小追蹤間隔的基礎(chǔ)，而通信延遲是無線通信過程中普遍存在的問題，會造成車載和地面設(shè)備對信息使用不同步，可靠性降低，對列車追蹤間隔、運行安全和效率產(chǎn)生影響[8]。

按照《城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范》，要求通信系統(tǒng)單路單向傳輸時延不超過?150??ms?的概率不小于?98%，不超過?2??s?的概率不小于?99.92%。實際測得新建線路基于?LTE-M?網(wǎng)絡(luò)模擬單路?CBTC?業(yè)務(wù)在?5M?帶寬下端到端時延情況如表?3?所示。

表3 LTE-M網(wǎng)絡(luò)端到端時延 ms

根據(jù)不同通信時延下列車追蹤間隔和最優(yōu)速度值可知[8]，在沒有通信延時的理想情況下，列車追蹤間隔為?33.06??s，當延時為?200??ms?時，列車追蹤間隔為38.27??s。

應(yīng)用?5G?技術(shù)，可將端到端的延時降低至?1??ms?以內(nèi)，這將使運行間隔進一步縮短，使得虛擬聯(lián)掛、編組運行成為可能。

另外，通信延時減小，可增加系統(tǒng)的可靠性，提高運行安全。

2.3 端到端通信

目前基于?CBTC?的列車控制系統(tǒng)，為了防止軌旁網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障造成列車降級行駛或者停運，在列車運行線路設(shè)計了?A、B?相互獨立的車地通信網(wǎng)絡(luò)，互為冗余進行通信。但這樣需要在軌旁增設(shè)大量的通信設(shè)施，提高了建設(shè)成本，延長了施工周期，也增加了后期運行維護的難度，不利于老舊線路改造。

5G?通信引入了端到端（D2D）通信技術(shù)，設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信不需要基站的中轉(zhuǎn)。D2D?通信技術(shù)可作為另一種冗余通信方式，在軌旁網(wǎng)絡(luò)故障情況下，可以使列車與列車之間直接通信，相互匯報各自的位置信息及運行狀態(tài)信息，從而在保證安全的前提下，不降級繼續(xù)安全運營。D2D?通信技術(shù)使列車與列車之間通信時延可以進一步降低，從而進一步減少列車運行間隔，在提高運行效率的同時，也增加了通信的可靠性。

另外，D2D?通信技術(shù)將支持自組織網(wǎng)絡(luò)及多跳技術(shù)，即終端接入設(shè)備可以作為網(wǎng)絡(luò)中繼，為其他設(shè)備提供通信鏈路，使得整個網(wǎng)絡(luò)不會因為個別位置信號弱或受到干擾，或者基站故障而導(dǎo)致無法通信，從而使整個網(wǎng)絡(luò)更加健壯。此技術(shù)能夠進一步提升通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

D2D?通信技術(shù)為列車首尾通信提供新的途徑。以往列車車首和車尾的車載控制器之間需要鋪設(shè)首尾貫通線進行通信，增加了老舊線路車輛的改造難度。D2D?技術(shù)可以通過無線的方式，使首尾兩端的車載控制器直接通信，而不必經(jīng)過車地網(wǎng)絡(luò)，更不用鋪設(shè)首尾貫通線進行通信，在降低施工改造周期的同時，也為車輛后期維護提供了方便。

D2D?通信技術(shù)為地鐵設(shè)計、建設(shè)、運行和維護提供了更加靈活的通信方式。

2.4 海量用戶超密集組網(wǎng)

隨著?5G?網(wǎng)絡(luò)通信帶寬大幅提高，5G?網(wǎng)絡(luò)可以承載更多的業(yè)務(wù)，同時允許大量無線設(shè)備組網(wǎng)通信?，F(xiàn)有車載、地面有線連接組網(wǎng)的設(shè)備，部分可以改為無線組網(wǎng)方式，從而減少大量的布線，同時設(shè)備可以靈活地分布放置，從而降低需較大空間集中放置設(shè)備的需求，另外也便于設(shè)備的安裝和維護。

為了增加系統(tǒng)的安全性、可靠性，可適當增加無線傳感器設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備，通過無線網(wǎng)絡(luò)實時采集車載設(shè)備和軌旁設(shè)備的狀態(tài)，進行在線大數(shù)據(jù)分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和潛在問題，并及時反饋給控制中心和相關(guān)人員，第一時間獲得準確的信息，對出現(xiàn)的問題進行精確定位，從而保障列車安全、高效地運營。

以上這些業(yè)務(wù)面臨大量的終端接入問題。5G?技術(shù)將支持海量終端接入，同時根據(jù)終端的特點提供不同的帶寬、優(yōu)先級、安全認證方式等，這為?5G?更加廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.5 大規(guī)模天線陣列

大規(guī)模天線陣列有望應(yīng)用于?5G?網(wǎng)絡(luò)，可以通過天線空分特性，使相同時頻資源能同時服務(wù)若干用戶，不僅能夠提高頻譜效率，而且增加了傳輸?shù)目煽啃訹9]。這項技術(shù)不僅能夠解決將來在軌道交通中海量設(shè)備接入的問題，而且利用波束賦形可以提高車地通信系統(tǒng)的抗干擾能力。由于波束賦性使波束傳播具有一定的方向性，利用此特性還可以間接獲得列車大致位置，輔助判斷列車運行位置，追蹤列車運行軌跡，適合在車輛段、換乘站以及地面段等空間開闊的場景使用。

2.6 綠色通信

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，用于通信的能量損耗問題日趨嚴重，國內(nèi)外在通信節(jié)能減排方面都設(shè)立了不同的指標要求。城市軌道交通領(lǐng)域響應(yīng)國家政策，積極優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低能量損耗。

5G?通過從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)部署、資源調(diào)度、鏈路級技術(shù)等方面進行優(yōu)化[10]，提高系統(tǒng)運行效率，減少傳輸中的能量損耗，達到提高能量效率和成本效率目標，為實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色通信提供了技術(shù)基礎(chǔ)，對于城市軌道交通未來建設(shè)和運營具有一定的吸引力。

3 結(jié)束語

5G?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及應(yīng)用，對于正在快速發(fā)展的城市軌道交通建設(shè)具有一定的積極作用。5G?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有望解決現(xiàn)在困擾城市軌道交通通信系統(tǒng)應(yīng)用中的一些問題，而且提供了更強大的功能、更靈活的應(yīng)用，為優(yōu)化城市軌道交通相關(guān)系統(tǒng)提供了新的思路。同時?5G?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提高系統(tǒng)效率、減少能量損耗、進一步降低部分成本，實現(xiàn)國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排、綠色通信，對后續(xù)城市軌道交通設(shè)計、建設(shè)和運營都有非常重要的指導(dǎo)意義。