轨交行业5G网络建设和合作分析

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　　【摘  要】将5G技术应用到轨交行业是当前一个热点课题，针对轨交无线业务新需求，视频监控类业务数据量巨大，需要通过5G网络承载。首先从隧道无线覆盖方面分析，漏缆和天线各有特点，但都会受制于隧道内安装条件，隧道建设5G时，需要针对频段来确定覆盖方式，高频段宜采用天线覆盖，低频段建议采用漏缆。随后进一步分析了四大运营商的5G频率资源、与地铁共用网络潜在的问题，提出了合作建议方式，为将来轨交行业应用5G提供一些思路。
　　【关键词】轨道交通;隧道;5G;MIMO;网络共享
　　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
　　隨着5G公网加速建设和大规模应用，5G网络的性能优势已经为广大用户所熟知。将5G技术应用到垂直行业是下一步推进方向，城市轨道交通领域对通信技术要求非常高，随着轨交运营智能化升级、全自动无人驾驶技术的广泛应用，越来越多的数据和信息需要通过引入先进的无线通信方式来实现更高效快速传输。
　　本文基于目前的5G频率分配限制、轨交应用场景和业务需求等方面，对5G技术应用于轨交行业进行了一些分析。
　　1   5G频谱分配
　　2019年6月6日中国发放5G牌照[1]，5G在我国进入加速建设阶段。公网5G大规模组网已经在部分热点城市和地区完成，尤其是随着5G终端的普及，人们已经开始真真切切地感受到5G的存在。
　　应用5G首先需要有频率资源，以下是四大运营商已分配的5G频率[2]：
　　中国电信：3 400 MHz—3 500 MHz共100 MHz;
　　中国移动：2 515 MHz—2 675 MHz、4 800 MHz—4 900 MHz，共260 MHz;
　　中国联通：3 500 MHz—3 600 MHz共100 MHz。
　　中国广电：4 900 MHz—4 960 MHz共60 MHz（700 MHz具体分配还未正式发布）。
　　另外，中国电信、中国联通、中国广电共用3 300 MHz—3 400 MHz，用于室内覆盖[3]。
　　国内短期内没有针对垂直行业的新增5G频谱分配计划，因此垂直行业想要使用5G技术，目前只能与运营商合作，使用运营商的5G频率资源。
　　2   轨交业务需求和无线覆盖分析
　　随着全自动无人驾驶技术的成熟和广泛应用，在无人驾驶模式下，列车上不再安排值守的工作人员。这种情况下如何掌握车厢内的情况，以便在紧急事故发生时能及时开展救援，是目前地铁运营方需要重点解决的问题，这对车载视频监控（CCTV， Closed Circuit Television）提出了更高的要求，例如要求实时回传所有车厢摄像头影像，每个摄像头的清晰度要达到高清级别。
　　一般列车上约有30个摄像头，高清格式的数据速率为2 Mbit·s-1/路，因此一列车总的数据速率将高达60 Mbit·s-1（上行），这对车地无线系统提出了很高的要求，现有车地无线系统包括LTE-M、WLAN等都无法满足，该业务是轨交行业引入5G技术的最大需求来源[4]。
　　轨交应用场景比较特殊，以隧道和高架为主，列车数量不多，但每列车的数据量大（尤其是上行），列车运行速度一般为80 km/h，少量高速线路可达120～160 km/h。
　　对于轨交车地无线系统，因为轨道是线状的，无线信号只需要覆盖轨道范围，通常有两种无线覆盖方案：
　　（1）漏缆覆盖
　　漏缆是漏泄同轴电缆的简称，其主要工作原理是电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波。外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。漏缆的信号覆盖均匀，尤其适合隧道等狭小空间，如图1所示。 　　目前广泛应用于轨交行业的LTE-M（1.8 GHz）、Tetra（800 MHz）和PDT（350 MHz）系统均采用漏缆覆盖，地铁隧道内的民用无线通信系统（公网2G/3G/4G）也都采用漏缆覆盖。常用的漏缆可以传输的无线频率范围为300 MHz—2.7 GHz，因此传统通信技术都可以采用漏缆覆盖，发挥其场强均匀、可沿轨道弯曲的特点，实现对列车的近场视距覆盖。
　　由于隧道内上述多个无线系统均采用漏缆覆盖，部署漏缆成为一个重要的工程问题，需要针对覆盖对象沿隧道一侧（弱电侧）选择合适的安装位置，漏缆之间为了避免相互干扰还需保持一定间隔距离。
　　地铁专用系统的车载天线一般安装在列车车顶，专网漏缆要求架设在距轨面3 m以上，与列车顶部平齐。而公网的服务对象是车内乘客，公网漏缆一般部署在车窗高度（距轨面2 m左右），透过车窗玻璃（损耗较小）辐射车厢。
　　目前轨交专用无线系统通常部署3根漏缆，LTE-M承载信号时采用A/B双网配置，一般配置两根漏缆，其中一根漏缆可以与另一个系统合用，如Tetra可以与LTE合用一根漏缆。PDT单独使用一根漏缆。民用通信涉及三家运营商的2G/3G/4G系统的多个频段，通过合路方式共用漏缆，一般也需要2根以上的漏缆。因此地铁隧道內的漏缆最少5根，而且漏缆只能安装在隧道一侧（另一侧为强电设备），安装位置非常有限，基本上已经饱满。
　　（2）天线覆盖
　　除漏缆外，也可采用定向天线在隧道内进行无线信号覆盖，如图2所示，一个基站连接两个天线，两个天线背靠背安装，往相反方向辐射隧道。
　　目前应用在轨交行业的WLAN/LTE-U/EUHT等系统，均使用非授权的5.8 GHz，通常采用天线进行隧道无线覆盖。
　　这些系统之所以可以采用天线覆盖，是因为首先目前产业界还没有成熟的5.8 GHz频段的漏缆（或者传输损耗太大），此外5.8 GHz频段的天线尺寸可以做得比较小，便于安装，不会侵入列车限界，另外天线的迎风面较小，可抵抗列车通过时风阻的推拉作用，不易导致天线松动。另一方面，由于频段较高，单个小区的覆盖距离较短（一般在500 m左右），对于隧道的拐弯和上下坡度等环境容忍程度较高。
　　3   隧道环境下的5G无线覆盖方式分析
　　Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大规模多入多出天线）[5]是5G实现超高速率的核心技术，通过大规模天线，基站可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的高增益窄细波束，能够提供更灵活的空间复用能力，改善接收信号强度并更好地抑制用户间干扰，从而实现更高的系统容量和频谱效率。
　　下面分析隧道场景下MIMO技术的应用限制[4]：
　　（1）采用漏缆覆盖时，单根漏缆中的无线信号就是基站一个端口发送的信号。由于安装位置有限、成本高等原因，隧道内可用于5G的漏缆数量有限（很难超过4根），因此无法实现超过4个端口的信号收发，最多实现4×4的传统MIMO，Massive MIMO的性能无法体现。
　　（2）采用天线覆盖时需重点考虑天线尺寸，因为地铁隧道内的限界要求非常严格，天线尺寸太大将无法满足安装要求。天线内部由很多天线振子构成，天线振子的长短和波长成正比，与频率成反比，频率越高，天线振子就越短[6]。基于该原理，同为8T8R、相同增益的天线，天线尺寸关系为2.6 GHz>3.5 GHz>4.9 GHz。在相同天线尺寸的条件下，高频段天线内部可以集成的天线振子数量越多，也就可以实现性能更高的MIMO效果。因此，如果在地铁隧道中采用天线覆盖，4.9 G频段具有更好的使用条件。
　　综合比较可知，仅考虑隧道场景下多天线技术的性能发挥，应用4.8 GHz—4.9 GHz频段、采用天线覆盖更适合。另外，对既有线路进行5G升级时，采用天线覆盖可以降低很多工程难度。
　　4   与运营商的合作探讨
　　国内四大5G公网运营商，包括中国移动、中国电信、中国联通和中国广电。三家传统运营商随着5G公网逐步完善，作为民用通信的延伸，也会对地铁区域进行5G覆盖，为其公网用户（乘客）提供5G服务。中国广电作为新晋5G运营商，并不运营传统无线网络，目前没有公众用户。
　　如果地铁业主与某一传统运营商合作（如中国联通、中国电信，使用3.3 GHz—3.6 GHz频段;中国移动使用2.6 GHz频段），通过其5G网络承载地铁无线业务，则在地铁区域内该运营商的服务对象除了地铁用户外，还有人数众多的公网用户（乘客）。假设一个小区同时存在2列车，仅地铁CCTV上行数据量就达到了120 Mbit·s-1，加上乘客上网业务，总的数据量（尤其是上行）可能会达到小区的容量上限。如果出现容量紧张，需要将地铁业务和普通用户业务通过优先级控制来进行区别对待。从地铁业主使用角度来说，采用统一资源池、与公网用户共享无线资源不是最理想的方式，更希望运营商能固定划出一部分频率资源为地铁设置一个独立的小区。
　　中国移动除2.6 GHz频段外，还有4.8 GHz（100 MHz）频段，5G频率资源非常丰富，但另一方面中国移动的公网用户比例最高，可能2.6 GHz频段并不能满足公网用户容量要求，还需要使用一部分4.8 GHz频段承载公网业务。如果4.8 GHz频段内还有资源空闲，可以与地铁合作，使用4.8 GHz（100 MHz）频率中的一部分，例如4 800 GHz—4 850 MHz（50 MHz），为地铁用户设置一个独立的50 MHz带宽小区（不需要额外投资），形成一张地铁专用网络，该网络仅覆盖地铁沿线特定区域，用于承载CCTV业务。网络结构如图3所示。
　　因为共用硬件资源，同处于4.8 GHz频段的地铁专用小区与移动公网小区的无线配置需要统一考虑，如时隙配比需要统一。公网业务一般以下行为主，因此可能配置上/下行转换周期为2.5 ms双周期[7]，10个时隙典型配置为：DDDSUDDSUU，其中S符号级为DDDDDDDDDDGGUU（其中G为保护间隔GP，U为上行符号，D为下行符号），如图4所示。此时上行资源比例仅为32.86%，与地铁CCTV业务特点不是特别匹配。 　　如果地铁与中国广电合作，因为中国广电暂无公网用户，可以使用4.9 GHz（60 MHz）频率建一张地铁专用5G网络，该网络仅覆盖地铁沿线特定区域，主要用于承载CCTV业务。网络结构如图5所示：
　　因为该网络（包括硬件）仅用于地铁用户，承载地铁单一业务，可以针对CCTV业务特点进行优化，设置上行资源比例更大的时隙配比。例如采用2.5 ms单周期[7]，5个时隙典型配置为：DSUUU，其中S符号级为DDDDDDDDDDGGUU（其中G为保护间隔GP，U为上行符号，D为下行符号），如图6所示。该时隙配置的上行资源达到62.86%，可大大提升上行业务吞吐量。
　　如果地铁与中国广电合作采用700 MHz频段部署5G网络，700 MHz频段为FDD模式，上下行频宽相等，不涉及上下行资源比例调整的问题。考虑到广电暂无公网用户，地铁范围内可以将全部或者部分频率资源用于地铁业务传输，例如配置一个2×30 M[8]小区承载地铁业务，一个2×10 M小区承载其他业务，各自独立，不会相互影响，符合地铁的使用要求。因為700 MHz频段天线尺寸较大，在地铁场景下适合采用漏缆覆盖，可以与LTE-M系统共用漏缆。
　　根据以上分析，地铁行业与运营商的合作方式有多种，例如与中国移动或中国广电合作，采用4.8/4.9 GHz频段组成地铁专用小区，使用天线覆盖;与中国广电合作，采用700 MHz频段组成地铁专用小区，采用漏缆覆盖。
　　5   结束语
　　本文首先针对轨交无线业务需求和轨交特殊覆盖场景进行了分析，地铁最大的无线业务需求为车载视频上传业务（CCTV），急迫需要5G网络来承载。综合考虑网络共享、容量限制、建设难易程度、5G多天线技术的性能发挥等方面，轨交行业要使用5G，建议优先考虑4.8 GHz—4.9 GHz频段。如果与中国移动合作，可以共用其4.8 GHz设备（假设中国移动公网用户也会使用4.8 GHz频段），投资成本较小，但是不能独立优化。如果地铁与中国广电合作，需要建设一张地铁5G专网（700 MHz或4.9 GHz频段），投资成本较高，但可以做到专网专用，未来还可以将安全类业务也承载在该专网中，是一种比较合适的方式。
　　参考文献：
　　[1]    信息通信管理局. 工业和信息化部向四家企业颁发5G牌照[EB/OL]. （2019-06-06）[2020-04-20]. http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/n7039597/c7093441/content.html.
　　[2]    工业与信息化部. 工信部无（2017）276号：5G系统在3000-5000MHz频段（中频段）内的频率使用规划[Z]. 2017.
　　[3]    无线电管理局. 工业和信息化部许可中国电信、中国联通、中国广电共同使用5G系统室内频率[EB/OL]. （2020-02-10）[2020-04-20]. http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/c7671201/content.html.
　　[4]    毛磊，翟浩杰，尹尚国. 5G在轨道交通行业的应用探讨[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 63-70.
　　[5]    刘晓峰，孙韶辉，杜忠达，等. 5G无线系统设计与国际标准[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2019.
　　[6]   王晓云，刘光毅，丁海昱，等. 5G技术与标准[M]. 北京： 电子工业出版社， 2019.
　　[7]     中国通信标准化协会. 6GHz以下频段基站设备技术要求（第一阶段）[S]. 2018.
　　[8]    3GPP. 3GPP TR 38.888 v1.0.0： Adding wider channel bandwidths in NR band n28[S]. 2020.
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