藺偉 李毅

摘 要：車地間移動(dòng)通信是智能軌道交通的重要基礎(chǔ)支撐，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，需要對(duì)軌道交通移動(dòng)通信的發(fā)展方向和策略進(jìn)行研究。文章首先對(duì)軌道交通移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分析，并對(duì)4G LTE與5G的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)、技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行介紹。然后，針對(duì)承載能力、無線頻譜、服務(wù)質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)支撐和經(jīng)濟(jì)性方面，對(duì)4G LTE與5G在軌道交通場(chǎng)景中的適用性進(jìn)行分析比較。最后，提出點(diǎn)線差異化、公專網(wǎng)結(jié)合、跟蹤5G行業(yè)應(yīng)用等發(fā)展建議，為確定軌道交通移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展方向提供借鑒。

關(guān)鍵詞：軌道交通;移動(dòng)通信;5G;LTE

中圖分類號(hào)：U285.2

0 引言

在城市軌道交通領(lǐng)域，2017年中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)牽頭組織完成城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）系列標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，逐步取代TETRA和Wi-Fi，形成1張具備綜合承載能力的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，滿足調(diào)度通信、列車控制、乘客信息服務(wù)（PIS）和視頻監(jiān)控（IMS）等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的通信需求。

在國(guó)家鐵路領(lǐng)域，2015年中國(guó)鐵路成立鐵路下一代移動(dòng)通信技術(shù)研究工作組，2018年在京沈高速試驗(yàn)段完成LTE-R系統(tǒng)試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2019年基本完成LTE-R系列標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。

2019年6月6日，隨著工信部5G商用牌照的發(fā)放，標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G商用元年，5G發(fā)展進(jìn)入快車道。5G不僅是通信行業(yè)未來發(fā)展的重點(diǎn)，也是從政府到民眾全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。從技術(shù)角度講，目前的5G還未全部實(shí)現(xiàn)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）制定的3大愿景，市場(chǎng)上的基站產(chǎn)品遵從R15版本標(biāo)準(zhǔn)，滿足增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）的要求，這方面特性主要受公眾消費(fèi)市場(chǎng)牽引，關(guān)于海量機(jī)器類通信（mMTC）、超可靠和低時(shí)延通信（uRLLC）等行業(yè)應(yīng)用技術(shù)將在R16和R17標(biāo)準(zhǔn)中制定，完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2020年—2021年以后正式發(fā)布。

隨著我國(guó)軌道交通向智能化方向發(fā)展，多媒體調(diào)度通信、智能調(diào)度指揮、列車車況信息遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、優(yōu)化控制和自動(dòng)駕駛、智能列車、鐵路物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)高清視頻監(jiān)控、增強(qiáng)乘客服務(wù)等多類型、全方位的智能業(yè)務(wù)將不斷涌現(xiàn)，同時(shí)將廣泛應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)等新技術(shù)，移動(dòng)通信尤其是車地間移動(dòng)通信能否滿足智能業(yè)務(wù)的需求，成為能否實(shí)現(xiàn)智能軌道交通的關(guān)鍵一環(huán)。因而，應(yīng)盡早開展軌道交通移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展研究，合理布局，避免移動(dòng)通信成為未來軌道交通智能化發(fā)展的瓶頸。

軌道交通移動(dòng)通信技術(shù)繼續(xù)發(fā)展4G LTE還是發(fā)展5G技術(shù)，兩者在未來發(fā)展中如何定位等問題，不僅僅是技術(shù)層面，還需統(tǒng)籌考慮包括業(yè)務(wù)需求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)支撐、國(guó)家頻率分配政策、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等多方面因素。以下就這些問題開展初步分析，以供借鑒。

1 軌道交通主要業(yè)務(wù)需求分析

從服務(wù)對(duì)象角度，軌道交通移動(dòng)通信業(yè)務(wù)可分為行車應(yīng)用類、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)類、旅客服務(wù)類。其中，行車應(yīng)用類主要包括調(diào)度指揮通信、列車運(yùn)行控制、自動(dòng)駕駛等行車調(diào)度指揮和控制業(yè)務(wù);運(yùn)營(yíng)和維護(hù)類主要包括移動(dòng)裝備和固定裝備的檢驗(yàn)檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)維修等;旅客服務(wù)類包括面向旅客出行、旅客服務(wù)、安全保障等通信業(yè)務(wù)[1]。

無線通信系統(tǒng)的部署通常按區(qū)域進(jìn)行覆蓋，應(yīng)從應(yīng)用區(qū)域和區(qū)段上劃分應(yīng)用場(chǎng)景，提出對(duì)無線通信系統(tǒng)承載能力的要求。軌道交通大體可劃分為正線和站場(chǎng)2類應(yīng)用場(chǎng)景，2類場(chǎng)景的業(yè)務(wù)既相互交叉，又有一定的獨(dú)立性和差異性。

（1）鐵路正線，主要包括正線車站和區(qū)間線路，該場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)主要包括6類。 ①行車指揮業(yè)務(wù)：列車調(diào)度通信、列車運(yùn)行控制、列車緊急文本、自動(dòng)駕駛等;②監(jiān)測(cè)監(jiān)控業(yè)務(wù)：IMS、列車安全防護(hù)和預(yù)警、列車運(yùn)行監(jiān)測(cè)檢測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)信息、列車定位、站車間信息交互;③地面基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)：線橋隧、通信信號(hào)、電力和供電等專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)檢測(cè)信息傳送;④乘客信息服務(wù)：主要包括PIS車載媒體業(yè)務(wù);⑤列車車內(nèi)服務(wù)和聯(lián)絡(luò);⑥養(yǎng)護(hù)維修、公共安全、應(yīng)急通信等。

（2）站場(chǎng)和樞紐， 主要包括車站、車輛段等。該場(chǎng)景下，主要為乘客乘降組織、PIS、車站管理和信息傳送、車輛段調(diào)車作業(yè)和安全監(jiān)控提供通信服務(wù)。

目前，在城市軌道交通領(lǐng)域，列控和自動(dòng)駕駛、調(diào)度通信、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、IMS、PIS為關(guān)鍵業(yè)務(wù)，關(guān)系到系統(tǒng)是否具備開通條件。這些業(yè)務(wù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)承載的核心業(yè)務(wù)。

根據(jù)《LTE-M總體規(guī)范 第3部分：綜合承載信息分類與要求》[2]的規(guī)定，LTE-M各關(guān)鍵業(yè)務(wù)的帶寬需求如表1所示。

能否滿足以上業(yè)務(wù)的需求，是衡量軌道交通移動(dòng)通信系統(tǒng)適用性的基本要求。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

移動(dòng)通信技術(shù)體制演進(jìn)如圖1所示。

第一代為模擬對(duì)講技術(shù)，自2G進(jìn)入數(shù)字通信以來，系統(tǒng)由窄帶向?qū)拵а葸M(jìn)，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高。

4G LTE和5G的3GPP標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)路線如圖2所示[3]。

3GPP在2008年初完成了LTE第1個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)R8，2014年在R10中完成了LTE的演進(jìn)LTE-Advanced。LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善與增強(qiáng)。

5G的第1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)R15已于2018年6月完成， 主要面向eMBB場(chǎng)景。R15標(biāo)準(zhǔn)只定義了基本的uRLLC場(chǎng)景，沒有針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)再定義新的標(biāo)準(zhǔn)，仍然采用LTE標(biāo)準(zhǔn)下的窄帶物聯(lián)（NB-IoT）和移動(dòng)物聯(lián)技術(shù)（eMTC）。面向行業(yè)應(yīng)用的mMTC和uRLLC場(chǎng)景在R16版本中定義，預(yù)計(jì)將于2020年底凍結(jié)。最終的5G官方標(biāo)準(zhǔn)將于2020年底由ITU評(píng)估、批準(zhǔn)后正式發(fā)布。

與4G相比，5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)更加統(tǒng)一，由3GPP國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織統(tǒng)一制定;服務(wù)場(chǎng)景更加多樣，支持eMBB場(chǎng)景、mMTC場(chǎng)景和uRLLC場(chǎng)景，如圖3所示[4];5G服務(wù)對(duì)象在過去人與人通信的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了人與物、物與物之間的互聯(lián)。

3 4G LTE 與 5G 技術(shù)特點(diǎn)

以下對(duì)4G LTE和5G技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要?dú)w納。

3.1 技術(shù)指標(biāo)

3.1.1 4G LTE技術(shù)指標(biāo)

（1）可變帶寬：支持1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz，通過載波聚合技術(shù)可以支持更大的帶寬。

（2）峰值數(shù)據(jù)速率：300 Mb/s（下行）和75 Mb/s（上行）。LTE的后續(xù)演進(jìn)LTE-Advanced的峰值速率可達(dá)1Gb/s（下行）和500 Mb/s（上行）。

（3）時(shí)延：控制面延時(shí)為50～100 ms，用戶面時(shí)延為10 ms。

（4）支持終端移動(dòng)速度： 350 km/h。

3.1.2 5G 技術(shù)指標(biāo)

（1）可變帶寬：在頻率為6 GHz以下的中低頻段，支持5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、25 MHz、30 MHz、40 MHz、50 MHz、60 MHz、70 MHz、80 MHz、90 MHz、100 MHz;在高頻毫米波頻段，支持50 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz。通過載波聚合技術(shù)可以支持更大的帶寬。

（2）峰值速率：20 Gb/s（下行）和10 Gb/s（上行）。

（3）時(shí)延：控制面時(shí)延為20 ms，用戶面時(shí)延為4 ms（eMBB場(chǎng)景）和1 ms（uRLLC場(chǎng)景）。

（4）可靠性：在1 ms內(nèi)發(fā)送20字節(jié)數(shù)據(jù)，傳輸成功率為99.999%。

（5）連接數(shù)：100萬用戶/km2（mMTC場(chǎng)景）。

（6）支持終端移動(dòng)速度：500 km/h。

（7）切換中斷時(shí)間：0 ms。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 4G LTE 關(guān)鍵技術(shù)

（1）調(diào)制技術(shù)。LTE下行采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）多載波傳輸，提高了頻譜效率和抗多徑衰落的能力;上行采用SC-FDMA單載波傳輸，以降低信號(hào)的峰均功率比。下行調(diào)制階數(shù)最高可采用256 QAM，上行最高可采用64 QAM調(diào)制，未來具備支持256 QAM的能力。信道編碼采用Turbo編碼（數(shù)據(jù)）和TBCC編碼（控制）。

（2）多天線（MIMO）技術(shù)。LTE采用MIMO技術(shù)提高系統(tǒng)的傳輸速率。下行最高可采用8×8 MIMO;上行最高可采用4×4 MIMO。

（3）服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障機(jī)制。終端與核心網(wǎng)之間的承載支持9種QoS保障等級(jí)。不同優(yōu)先級(jí)的承載具有不同的速率、時(shí)延、丟包率等指標(biāo)。支持業(yè)務(wù)搶占機(jī)制，優(yōu)先保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS。

3.2.2 5G關(guān)鍵技術(shù)

（1）調(diào)制技術(shù)。5G的調(diào)制技術(shù)與4G LTE類似，區(qū)別在于5G上行在eMBB場(chǎng)景下，可采用多載波傳輸CP-OFDM，提高傳輸速率。與4G LTE子載波帶寬固定15 kHz不同，5G在中低頻段的子載波寬度為15 kHz、30 kHz、60 kHz;在高頻段子載波寬度為60 kHz、120 kHz、240 kHz，實(shí)現(xiàn)5G在不同帶寬、不同場(chǎng)景下的靈活部署。5G上行支持π / 2-BPSK和256 QAM調(diào)制，分別應(yīng)用于低功耗和高速率場(chǎng)景。5G信道編碼采用LDPC碼（數(shù)據(jù)）和Polar碼（控制），降低譯碼復(fù)雜度并提高編碼增益和頻譜效率。

（2）大規(guī)模天線陣列（massive MIMO）技術(shù)。在低頻段（1 GHz以下），最高可采用8×8 MIMO;中頻段（1～6 GHz）最高可采用64×64 massive MIMO;在高頻毫米波頻段，理論上可支持更多數(shù)量的massive MIMO[6]。

（3）新型核心網(wǎng)架構(gòu)。5G核心網(wǎng)采用基于服務(wù)化的架構(gòu)（SBA），將傳統(tǒng)網(wǎng)元拆分成多個(gè)模塊化、軟件化和相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)功能，在通用服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能靈活部署和擴(kuò)展。此外，實(shí)現(xiàn)了控制與用戶面分離。用戶面功能擺脫“中心化”的約束，使其既可靈活部署于核心網(wǎng)，也可部署于接入網(wǎng)或邊緣數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活部署[7]。

（4）切片技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片是指在通用硬件基礎(chǔ)設(shè)施中切分出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片在設(shè)備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)方面實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，以更好地滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景和不同垂直行業(yè)用戶的差異化通信需求，如圖4所示[8]。首先將用戶需求映射為網(wǎng)絡(luò)切片的性能指標(biāo)參數(shù)，再根據(jù)性能指標(biāo)要求進(jìn)行資源切片、頻率切片和設(shè)備切片等。

（5）邊緣計(jì)算（MEC）。MEC將數(shù)據(jù)中心部署在在基站或其他網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理和存儲(chǔ)更加靠近用戶。海量數(shù)據(jù)可以在本地得到實(shí)時(shí)、快速處理，減少數(shù)據(jù)回傳壓力、網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，有利于提高網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性[9]。

4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展

截至2018年10月底，全球LTE商用網(wǎng)絡(luò)達(dá)715個(gè)，LTE用戶占比達(dá)到42%。預(yù)計(jì)2019年底全球LTE商用網(wǎng)絡(luò)將達(dá)到760～770個(gè)[10]。大范圍的部署、眾多的用戶、公網(wǎng)的長(zhǎng)期驗(yàn)證證明LTE是目前最為成熟和穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。

5G在滿足公眾高速率大帶寬的需要方面將得到快速發(fā)展，面向垂直行業(yè)應(yīng)用的大連接、高可靠、低時(shí)延等特性的需求和技術(shù)有待研究和明確，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待成熟，產(chǎn)業(yè)支撐尤其是終端的量產(chǎn)和普及還需要一定周期，5G發(fā)展絕非一蹴而就。

我國(guó)公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商普遍采用4G LTE與5G協(xié)同發(fā)展的戰(zhàn)略。其規(guī)劃是在大城市和人流量密集的熱點(diǎn)區(qū)域部署5G，在郊區(qū)、農(nóng)村和其他非熱點(diǎn)地區(qū)利用4G LTE做廣域覆蓋[11-12]。

根據(jù)全球移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商聯(lián)盟（GSMA）于2018年9月發(fā)布的評(píng)估報(bào)告（圖5）[13]。2025年全球連接總量中4G LTE占57%，5G占15%。需要強(qiáng)調(diào)的是，LTE系統(tǒng)部署規(guī)模在未來一段時(shí)間內(nèi)仍處于快速上升趨勢(shì)，將得到產(chǎn)業(yè)鏈的長(zhǎng)期支持?？梢钥闯?，4G LTE與5G系統(tǒng)將長(zhǎng)期共存。

5 4G LTE 與 5G 技術(shù)在軌道交通場(chǎng)景中的適用性分析

5.1 LTE承載城市軌道交通關(guān)鍵業(yè)務(wù)能力分析

列控和自動(dòng)駕駛、調(diào)度通信、PIS和IMS業(yè)務(wù)是地鐵關(guān)鍵業(yè)務(wù)，假設(shè)正線1個(gè)小區(qū)內(nèi)最多有4列運(yùn)行列車，基于表1業(yè)務(wù)帶寬需求，4列車同時(shí)開展相關(guān)業(yè)務(wù)，其中2列車打開視頻監(jiān)控，所需的數(shù)據(jù)量如表2所示。

1.8 GHz TD-LTE系統(tǒng)吞吐量實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示[14]。

由表2和表3數(shù)據(jù)指標(biāo)可知，采用5 MHz頻寬條件下，LTE系統(tǒng)可綜合承載正線區(qū)段的列控和自動(dòng)駕駛、調(diào)度通信、720P分辨率的PIS視頻和720P分辨率IMS視頻業(yè)務(wù);采用15 MHz頻寬條件下，LTE系統(tǒng)可綜合承載正線區(qū)段的列控和自動(dòng)駕駛、調(diào)度通信、720P分辨率PIS視頻和1 080P分辨率IMS視頻業(yè)務(wù)。

5.2 無線頻率分配

無線電頻譜資源是不可再生自然資源，由國(guó)家工信部統(tǒng)一分配。

無線電頻率越低，其繞射能力越強(qiáng)，傳播距離越遠(yuǎn);同時(shí)多普勒頻移小，適合移動(dòng)場(chǎng)景使用尤其是中高速移動(dòng)場(chǎng)景?？紤]到建網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性，減少沿線站點(diǎn)數(shù)量，軌道交通一般選擇中低頻段作為鐵路正線連續(xù)廣覆蓋區(qū)段的工作用頻。然而，中低頻段的缺點(diǎn)是頻率資源少，而且大多已經(jīng)被分配。

我國(guó)地鐵LTE-M使用的1.8 GHz頻段共有20 MHz帶寬資源，但考慮到與其他行業(yè)的兼容并存，一般僅能分配10～15 MHz帶寬。在軌道交通可能獲取的有限頻率資源條件下，5G專網(wǎng)難以充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

目前，我國(guó)5G系統(tǒng)規(guī)劃分配采用2.6 GHz、3.5 GHz和4.9 GHz頻段。另外，毫米波頻率（30～300 GHz）資源豐富，也是5G未來發(fā)展的方向。高頻段的優(yōu)勢(shì)是頻率資源豐富，但傳播特性差。

5.3 服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)

以下對(duì)5G和4G LTE用于軌道交通場(chǎng)景的系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

5G和4G LTE均采用OFDM。由于OFDM頻譜效率高，進(jìn)一步提升難度大，因而5G主要利用可調(diào)制更寬的頻段（100 MHz以上）、大規(guī)模天線陣列（64×64及以上）實(shí)現(xiàn)的波束賦形和多入多出等技術(shù)，大幅提高系統(tǒng)吞吐量。此外，由于軌道交通專用頻率資源有限、中低頻段的天線尺寸和重量大等問題，5G中增加系統(tǒng)容量的主要關(guān)鍵技術(shù)在軌道交通專用頻段難以發(fā)揮作用。

根據(jù)3GPP在2018年12月發(fā)布的技術(shù)報(bào)告TR 37.910[15]的相關(guān)數(shù)據(jù)，下面對(duì)4G LTE與5G系統(tǒng)在同等條件下的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。

5.3.1 頻譜效率

軌道交通移動(dòng)通信系統(tǒng)上行鏈路速率是系統(tǒng)的瓶頸。設(shè)定子載波間隔15 kHz、最高調(diào)制階數(shù)256 QAM、雙工方式為TDD，頻率帶寬為10 MHz，在以上條件下，4G LTE與5G系統(tǒng)上行鏈路歸一化頻譜效率如圖6所示。

在靜態(tài)條件下， 5G相對(duì)4G LTE的上行鏈路頻譜效率提高20.9%;在120 km/h速度條件下，5G相對(duì)4G LTE的上行鏈路頻譜效率僅提高0.7%。

這意味著，在軌道交通移動(dòng)通信專用頻率有限的條件下，尤其是在列車中、高速移動(dòng)場(chǎng)景下，車地間通信采用5G相比4G LTE所能帶來的數(shù)據(jù)傳輸速率的提升微乎其微。

5.3.2 業(yè)務(wù)時(shí)延

圖7為3GPP TR 37.910技術(shù)報(bào)告中對(duì)4G LTE與5G用戶數(shù)據(jù)傳輸空口的時(shí)延對(duì)比，5G比4G LTE快1 ms左右。

5G為滿足低時(shí)延場(chǎng)景要求，主要利用本地交換、終端之間直通模式、邊緣計(jì)算等技術(shù)，避免了數(shù)據(jù)經(jīng)過長(zhǎng)途傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)交換帶來的時(shí)延，同時(shí)結(jié)合可變幀長(zhǎng)等技術(shù)，使得數(shù)據(jù)端到端傳輸時(shí)延指標(biāo)接近空口時(shí)延。

對(duì)于軌道交通，調(diào)度通信類、列車控制類、PIS和IMS等關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)，均需要和調(diào)度指揮中心進(jìn)行通信。例如，調(diào)度通信要和調(diào)度臺(tái)、車站臺(tái)通信，列控和自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)時(shí)車載設(shè)備需要與列控中心通信，PIS和CCTV也需要和中心服務(wù)器設(shè)備通信。這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延應(yīng)在空口延時(shí)的基礎(chǔ)上，增加到核心網(wǎng)的傳輸和交換時(shí)間。以CBTC數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為例，實(shí)測(cè)的LTE承載CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)平均環(huán)回時(shí)延為32～43 ms[14]，折合為單向傳輸平均時(shí)延為16～22 ms。

因而，對(duì)于軌道交通現(xiàn)有的關(guān)鍵、核心應(yīng)用業(yè)務(wù)均需要和調(diào)度指揮中心通信，5G比4G在空口節(jié)約的1ms延時(shí)是微不足道的。同時(shí)，既有地鐵業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延的要求并沒有如此敏感。

未來隨著車車通信技術(shù)的發(fā)展，5G提供的邊緣計(jì)算、直通模式和低時(shí)延技術(shù)，或許能夠發(fā)揮出更大的作用。

5.4 產(chǎn)業(yè)支撐

5G雖然已經(jīng)商用，但是由于標(biāo)準(zhǔn)制定工作尚未完全完成，直接影響設(shè)備定型，尤其是行業(yè)終端設(shè)備距離大規(guī)模商用還有一定差距。目前僅有CPE可用，面向用戶的手機(jī)等移動(dòng)終端尚未批量投入商用市場(chǎng)。

根據(jù)4G發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，從標(biāo)準(zhǔn)到商用經(jīng)歷了5年時(shí)間。完整的5G標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2021年底頒布，公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商5G系統(tǒng)要形成端到端完整、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈支撐，至少是2021年以后的3～5年。

當(dāng)前一段時(shí)期內(nèi)，供貨商工作重點(diǎn)在公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商5G設(shè)備的研發(fā)和供貨，能夠投入軌道交通行業(yè)的5G專網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)的資源有限。

對(duì)于軌道交通行業(yè)，產(chǎn)業(yè)支撐與所分配的頻率直接相關(guān)，目前沒有可用的5G專網(wǎng)頻率。即使將來分配了專用頻率用于軌道交通行業(yè)的5G系統(tǒng)，形成軌道交通專用頻率產(chǎn)業(yè)支撐也需要一定周期。

5.5 經(jīng)濟(jì)性

決定系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性主要有2個(gè)方面的因素：一是設(shè)備布設(shè)密度，二是設(shè)備單價(jià)。

目前，5G系統(tǒng)采用的主流頻率遠(yuǎn)高于軌道交通1.8 GHz專用頻率。高頻段電磁波路徑損耗大，且須視距傳播，傳播路徑阻擋形成的陰影效應(yīng)明顯。為實(shí)現(xiàn)良好信號(hào)的覆蓋，基站布設(shè)密度進(jìn)一步加大，不僅帶來了基站設(shè)備數(shù)量增加，基站選址難度、配套光纜、供電和傳輸設(shè)備數(shù)量也將增加。

在隧道等特殊地段，由于傳統(tǒng)漏泄同軸電纜技術(shù)無法支持高頻段信號(hào)傳輸要求，需要使用昂貴的波導(dǎo)管或等電平漏纜等方式延伸信號(hào)覆蓋，將進(jìn)一步提高工程造價(jià)。

由于5G剛剛步入商用階段，根據(jù)中移動(dòng)產(chǎn)業(yè)研究院專業(yè)人士的預(yù)測(cè)，5G基站設(shè)備成本是4G基站設(shè)備的3.5～4倍。隨著商用市場(chǎng)規(guī)模的增加，需經(jīng)過一定的時(shí)間周期，設(shè)備價(jià)格才會(huì)逐步下調(diào)。此外，5G基站的耗電量也要高于4G基站。

綜上所述，當(dāng)前階段采用5G系統(tǒng)的造價(jià)要遠(yuǎn)高于4G系統(tǒng)。

6 軌道交通移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展建議

由于國(guó)家分配給軌道交通使用的無線電頻率帶寬有限，不能全面滿足智能化應(yīng)用需要，應(yīng)綜合利用公、專網(wǎng)資源，根據(jù)正線、車站和車輛段等不同應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求，選擇適合的通信方式，實(shí)現(xiàn)軌道交通移動(dòng)裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)人員的泛在互聯(lián)。

6.1 點(diǎn)、線結(jié)合差異化發(fā)展

正線區(qū)段：由于涉及到列車調(diào)度指揮、列車控制等安全業(yè)務(wù)，應(yīng)立足于采用4G成熟技術(shù)構(gòu)建LTE-M系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一制式、全程全網(wǎng)。

車輛段和車站熱點(diǎn)區(qū)域：車輛段是車輛密集地區(qū)，車站是人員密集區(qū)域，均屬于通信熱點(diǎn)。這些區(qū)域存在大量與行車無關(guān)的本區(qū)域業(yè)務(wù)，與正線業(yè)務(wù)相對(duì)獨(dú)立，可采用多種通信方式進(jìn)行承載，如Wi-Fi，數(shù)字對(duì)講，5G技術(shù)、毫米波通信等多種技術(shù)解決。

6.2 專網(wǎng)與公網(wǎng)結(jié)合發(fā)展

以LTE-M專網(wǎng)為主體網(wǎng)絡(luò)，綜合承載調(diào)度通信、列車運(yùn)行控制、PIS和IMS等關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)。

對(duì)于車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)、高清視頻傳輸、地面基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)和檢測(cè)、經(jīng)營(yíng)服務(wù)等大容量或大連接的非行車相關(guān)業(yè)務(wù)，采用公網(wǎng)4G或5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載，是解決軌道交通移動(dòng)通信頻率資源短缺的重要手段。

6.3 積極跟蹤 5G 行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展

5G改變社會(huì)將主要體現(xiàn)在行業(yè)應(yīng)用，有利于提高整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)力。

5G提供了網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、大連接物聯(lián)網(wǎng)、低時(shí)延高可靠等創(chuàng)新技術(shù)，為軌道交通行業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)可行性。

目前，公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商也在積極探索行業(yè)應(yīng)用的模式。受限于頻率資源和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善，當(dāng)前發(fā)展軌道交通5G專網(wǎng)的可行性較小。應(yīng)積極跟蹤研究，挖掘公網(wǎng)5G技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。在應(yīng)用和發(fā)展過程中，還需要考慮以下幾方面問題。

（1）建網(wǎng)規(guī)劃與協(xié)調(diào)。公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)主要規(guī)劃用于城市核心區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)。對(duì)于延伸到郊區(qū)和農(nóng)村市域鐵路、城際鐵路，公網(wǎng)是否能夠按照軌道交通的規(guī)劃在鐵路沿線建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)以及在沒有大量用戶的情況下這些區(qū)段的建網(wǎng)成本如何分?jǐn)??；谝陨蠁栴}，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)5G建網(wǎng)規(guī)劃與軌道交通規(guī)劃完全協(xié)調(diào)一致，存在一定難度。

（2）網(wǎng)絡(luò)和信息安全。公網(wǎng)5G系統(tǒng)將提供給公眾用戶和相關(guān)行業(yè)用戶共享，有利于提高網(wǎng)絡(luò)利用率，降低單位用戶的使用成本，同時(shí)公網(wǎng)5G與互聯(lián)網(wǎng)連接，對(duì)于軌道交通專業(yè)應(yīng)用和數(shù)據(jù)來說，存在網(wǎng)絡(luò)和信息安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，5G切片技術(shù)主要是對(duì)頻率、信道和設(shè)備的資源切片。共享?xiàng)l件下的網(wǎng)絡(luò)和信息安全，需要進(jìn)行系統(tǒng)性解決。

（3）專用功能適用性。軌道交通業(yè)務(wù)涉及集群組呼、基于位置的尋址、基于功能角色的尋址、多優(yōu)先級(jí)搶占及強(qiáng)拆等專用業(yè)務(wù)功能。在5G系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)這些功能，還需要進(jìn)行定制開發(fā)。在全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，建議遵循應(yīng)用與系統(tǒng)解耦的方式，使得專用功能不依賴具體的網(wǎng)絡(luò)制式，實(shí)現(xiàn)兩者的分層分離、獨(dú)立演進(jìn)。

（4）資產(chǎn)劃分和維護(hù)。5G網(wǎng)絡(luò)由公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商建設(shè)，其設(shè)備資產(chǎn)應(yīng)歸公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商所有，維護(hù)工作應(yīng)由公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商完成，其維護(hù)工作同時(shí)面向公網(wǎng)用戶和行業(yè)用戶，這2類用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量、維護(hù)要求完全不同。依靠現(xiàn)有的公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商維護(hù)體制和人員隊(duì)伍無法達(dá)到軌道交通對(duì)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的要求。能否利用自己的專業(yè)維護(hù)力量對(duì)公網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的維護(hù)體制和人員能否按照軌道交通的要求進(jìn)行完善，以及雙方的工作界面劃分等問題，需要進(jìn)一步的研究和探討。

此外，運(yùn)營(yíng)維護(hù)數(shù)據(jù)的管理和劃分也需要研究確定，包括哪些數(shù)據(jù)是支撐通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維需要的，哪些數(shù)據(jù)是支撐軌道交通各業(yè)務(wù)應(yīng)用運(yùn)維需要的，誰為主體進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和分析等。

7 結(jié)語

發(fā)展智能軌道交通，移動(dòng)通信無疑是最為重要的基礎(chǔ)支撐條件之一。

頻率資源始終是軌道交通移動(dòng)通信發(fā)展需要考慮的首要因素。在沒有大帶寬資源的條件下，通過對(duì)4G、5G的技術(shù)特性對(duì)比分析，現(xiàn)階段構(gòu)建軌道交通5G專網(wǎng)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上均沒有明顯優(yōu)勢(shì)。

由于可靠性和安全性等特殊要求，在現(xiàn)有條件下，軌道交通移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)立足于采用技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)成熟、產(chǎn)業(yè)支撐良好的LTE-M通信制式構(gòu)建專網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，熱點(diǎn)地區(qū)可以發(fā)展多種技術(shù)制式。

應(yīng)積極跟蹤5G技術(shù)行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展動(dòng)態(tài)，在解決網(wǎng)絡(luò)和信息安全的基礎(chǔ)上，未來可利用公網(wǎng)5G作為行業(yè)應(yīng)用的有益補(bǔ)充，解決軌道交通移動(dòng)通信的瓶頸問題。還需要積極探索構(gòu)建新型生產(chǎn)關(guān)系，以適應(yīng)5G技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用中帶來的建網(wǎng)、維護(hù)等問題。

新技術(shù)的發(fā)展和換代，會(huì)帶來新的發(fā)展契機(jī)，應(yīng)緊密結(jié)合軌道交通的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)新形勢(shì)、新動(dòng)態(tài)，積極推動(dòng)軌道交通移動(dòng)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大。

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收稿日期 2019-07-03

責(zé)任編輯 胡 姬