5G在城市轨道交通中的应用前景分析

以及5G技术特点、5G与其他技术比较等多角度分析\"在综

率和资源利用率等方面,体 了更高的 & 5G 移动通信具有 、通信 频谱利用合考虑行业应用多样性和安全性等特点的前提下\"对5G在

率高等特点，目前正在

方 &自动化等城市轨道交通行业发展的前景进行了分析\"并提出了切实可

行的发展建议#关键词 城市轨道交通；5G技术；无线通信；车地传输

5G无 有 的 前景。但4G技术刚5G技中图分类号U285.2D01：10.16037//1007-'69x.2019.07.01'在 轨道交通行业 应用， 术的应用 是一个 业

题。的Analysis of Application Prospect of 5G Tech­

nology in Rail TransioZOU Jinbai, ZHANG Kebo, HONG Xiang,1 5G的特点及优势1.1 5G的特点5G 已成为我国通信 的一大

题,ZHANG Haiju/iAbstract From angles of the development history and

demand analysis of urban rail transst wirelest communication, and the characteristics of 5G technology, its comparison with

1$ 5G

技术 及对

的特点。于在 用 体验的,

率、

,othertechnoeogse=, on thepremseofcon=sdersng thesndu=try application diversity and safety characteristics , the

、3D、交 等

5G 的

移动业务的 等将成为 指标。development of 5G technology in rail transportation industry prospects ara analyzed and practical development proposals ara

put forward.Key words urban rail transit ； 5G technology ； wireless com­

2） 的移动通信 ,5G将不点到点的 信道 等经典技术作为 心目标, 是从 为 的 点、 用

、

munication ；vehicle to ground transmissionFOrtauthor's address School of Railway Transportation,

、 协作组网作为突破重点，力求在体系构架上寻求 的大幅度提高。Shanghd Institute of Technology, 201418, Shanghat China3） 高频段频谱资源将 地应用于5G,但由于受到高频段无线电波穿透 的，无 有的融合及光载无线组网等技术将被更为普遍地

5G指的是第5代移动通信技术。自4G逐渐 普及之后,5G已经成为通信行业的热点话题。目前 我国已经划拨了位于3.5 GHe频段的200 MHe频

应用。4） 可“软”配置的5G无 将成为未来重的 方向，运营商可根据业务流量的动态 ，调整

谱给5G试验，预计2020年左右商用。无论是从标

准还是从频点规划角度,5G试验对整个通信行业都 将起

资源，有效地降 运营的成本和的作用，试验有望推动5G标准的整个产业链的成熟&源的消耗&1.2 4G和5G的技术性能对比分析4G和5G技术

对比分析如表1所示&5G将成为重要的移动通信系统，在频谱利用-75 -:図H朗m聲芟iff醫］表1 4G与5G对比表名称2019 年4G5G最高传输速率/（Gbit/s）0.0610峰值速度/（Gbit/s）下载速度/（Gbit/s）0.10.04几十28.8频段更高，支持4.8~5.0及24.75- 27.50等!1网络频段/GHz网络延迟/ms1.8 和 2.120 〜40大容稳定性是4G的1 000倍好LTE（长期演进）JLTE-A对比4G有质的提升种技术结合（2G、3G、LTE、LTE-A、Wi-Fi（无线相 容 证）及M2M）技术、高频 技术、密集 技术、

支持技术关键技术交频分复用技术（OFDM）、软件无线电技术、智

技术、MIMO（ 入 ）技术、基于IP（联协议）的核心型 架构2城市轨道交通无线通信的发展和需求2.1发展历程2.1.1 无线列车调度系统WLAN、LTE-M和EUHT（超高速移动通信）等无线

宽带技术。2.1.4 车辆监控系统通过车地无

车

频监控信息至列车调度是 轨道交通 最早采用无线

通信技术的场合。20世纪60年代北京地铁的150 地面控制中心， 2.2需求分析通 WLAN &MHz列车调度 ，采用的是模拟无线通信技术, 除了上述的CBTC、列车调度、PIS、CCTV（闭路

电视）等车地无线应用之外，车在途的

无线车地

该技术一直 BOSCH无

2000年前后。上海地铁引进的及出口伊朗德黑兰的国产450据通道。 移动互联网MHz列车调度 ，采用的都是该技术。2000年 技术的 、无 模 的 、 地铁的后，广州地铁率先采用800 MHz TETRA（陆上集群 无线电） 组

，该技术相当于2G

，较为成熟可靠&目前,4G在国内地铁行业内已逐运用， 、 、 、波等 的地铁，、大据的应用及地铁 的提高，地铁移据采集亦对动办公、车大数据采集及轨 无线通信的

提出了更大的需求。

相同，有

，总体应用对无线通道的需求 求高可靠，有些大件要采用了基于LTE（长期演进）承载集群语音调度通 信的B-TRUNC标准。2.1.2列车控制要求高 ，而有 求

一个适应业务种

的车地 &根据中国

、安全求高及

目前，国地铁CBTC（基于通信的列车控制）

基本上都采用2.4 GHz频段,并基于WLAN（无线

轨道交通协会相关指

求、轨道交通车地数据 求，以及未来需局 ）技术 车地无 &由于CBTC车地无线通信 载的是列车控制信息，涉及行车安全 ，对 的安全性及可 求较高，因此 该

载的业务，对 的要求如表2所示。轨道交通对车地 的需求逐年增，技术从

的特点，综合

通道及可 的通稳定,需结合 轨道交通自技术 、适用、可行创新和信信道。年来，如武汉、上海、 、宁波等 的地

铁已 采用LTE技术承载CBTC 全性等，列车控

及产业链的成熟度等

宀¥&&考虑安的车地 普遍采用了3 5G应用前景分析3-1 5G的关键技术5G的关键技术 有密集的网络技术

是大规模

型的 架构&物理上 的 LTE网络。2.1.3 乘客信息系统乘客信息系统（PIS）的车地无线传输技术，主

技术（Massive MIMO），该技术具有较髙的 频率，且要包括数字电视广播及基于ISEE 802. 11的

・76・第7期表2城市轨道交通无线通信需求分析表名称求（ 率）上行 率/(kbit//)下行率/(kbits)GOA1/2\"256\"512\"10说明列车运行控制\" 256GOA3/4GOA1/2\"512列车紧急文本下发车辆状态信息GOA3/4\"10\"1\"1\" 1 000

24-8032 〜104\" 1 000列车周期 列车周期 列车 期 列车 期 列车 期

据据据据据车辆视频监控车 工作

信息视频集群调度无

将列车 、列车车厢的视频监控 上 :地 控点并进行 ，要求 列列车 可同上 2 频分辨率为标

高清2xl03〜8xl03W/每路话音带宽W/每路话音带宽\"104公接入\" 104列车 期 列车 期

用

据据于2X105 kbits，乘客无线数据接入注：GOA为列车自动控制等级车地整体，\"200 000单用户，\"500列列车车地整体

于 500 kbits3.1.1 更高的无线频段5G技术未来 高频率阶段方

常运营、效率提升及服务品质。通信技术

， 是的主驱动力，是 长的 2G、3G、4G 即将

求及核心技术的突毫米波频段，这个频段范围拥有大量的频谱资源，破。根据目前主流的移动通信技术 趋势，从一，对带有较大的连续

5G

&的的5G，大约每5年

联网的蓬勃

3.1.2 5G网络的安全性的一大特征是垂直行业与移动

代，

的

型的终移动互联

还存在较大的增长空间。轨道交通无线通信是以满足运营维护需

深度融合，为了适应多种应用场景中

端、多种入方式及多种

一的认证框架，

求等，提供了入凭求为目的，在

势。

的需求方 长的态持种接入方 轨道交通自

可用

期长，对证;提供按需的安全保护，满足多种应用场景中的 的可 求较高，一般使用寿命为15年生命周期要求和业务的

3.1.3多天线传输技术求；提供隐私保护，左右，

无

节奏滞后于主流技术。以满足用户隐私保护及相关法规的要求。从 轨道交通无 通信的 趋势来 ， 车地

一般基于主流无线技术， 体行业特长生命周期等实际需求。铁及的GSM-R和入应用阶大规模

服 行了 密集

阵列技术可以在同一时频资源上的许多功能点，满足高可

个用户&为载 的 容 担轨道交通从最初的450 MHe模拟专用信道的无

负更快的数据下载速率，对MIMO

改进&3.1.4密集网络技术列调 ，直 升级到2G

TETRA技术，之后4G

的LTE逐 是满足行业应用，

段，其间模拟集 3G技术并行 & 轨道交技术即为 密集化的 部容量通无 通信的 是署，该技术是一种有效提升5G技术中

的方法，可提高无 ，点是对边缘用

通信信号的抗干扰能最先进的技术。 从历史 规律来看，5G在城轨道交通行业的大规模 将会受到很多方面的影响。图1为无线通信技术多业务应用示意图&

的提高。在密集网技术的支持下，未来的5G 将会成为“宏蜂窝+长期微蜂窝+临时微蜂窝”的 架构，大大增了 5G的灵活性&3.2.2 需求分析从需求的角度可 ，无论是CBTC、无列调、PIS，还是列车在途数据,一般都包括安全数据、3.2 5G在城市轨道交通的应用发展趋势分析3.2.1 技术发展趋势分析车地无

全数据、语音、 等4大 信息。每种信息的对高可靠、高优先级的数据量的需求 算大，

通信是 轨道交通信息 I全据 等信息 大的，以-77 -的 技术，直影响 轨道交通的正& 充分利用现有LTE-M的可用

图1多业务整合模型示意图的服务质 全策略，通过无线电收敛的模信技术，如Wi-max、HRC、DVB-T等，虽技术较为先

，

式满足多业务的需求。3.2.3技术特V分析有一定特点，但终 很难形成规模。所的的。，目前以LTE和Wi-Fi技术作为地铁车地

5G虽然采用了一 技术可以提高 ，但具主流技术是符合

体 个

轨道交通的应用场 很难发挥作用。大规模MIMO技术 采用大量的、甚 达上百装空4结语通过对5G的

阵子单元，这就

存在较大难度。有较大的 趋势、技术特点及行业需求轨道交通间，但无论对于列车还是隧道 ，安装大尺寸的等进行多角度分析，可知5G技术在

CBTC 一直采用物理上的车地传输方式，

行业应用的充分性、必 及可 还有 F; 是全性、无频谱 及隧道等方

为了尽可能地保证列车控制的安全性，

相隔离& 5G是

他车地度融合的 ，在全性方

垂直行业和运营商深采用 隔离的服务深入 &相 5G

的无线通信 技术优势， ,LTE制式合当前的 隔离技术 等级要求，但是

来保证安全

轨道交通的行业应用。若将已有的TETRA和Wi­Fi 等无线通道进行整合，并 行统一规划、综合

满足CBTC的要求还 一载及合理分配，则可充分利用 轨道交通车地

技术。轨道交通的各种&于5G的频点，国际上并没有相关标准，但普

无线资源，这是合实际 、 为 的'

遍认为 波段较为合理。而该频段的无线信号，隧道内通信

部署

通常采用 一般为，而如参考文献[1]钱承远.5G移动通信关键技术的分析及其未来发展前景

[ 2]

100〜200 m，这就 密集地部署接入

供微波频段的

的接入

，对轨道交通通信 的维护[+] •通讯世界，2017( 14)：125.. 于 5G 移动通信 技术的分析及 未来 前来了一定的 &波 技术可以提+ 3]

分析+ +].中国新通信,2017( 12)：19.，

，但在 计、成本及维题。•对 期5G无线通信技术发展跟踪与应用分析护等方面还存在

无线通信

+ +].通讯世界，2017(9) ：58.+ 4]

3.2.4产业发展趋势分析. 5G无线通信技术的应用前景分析+ J].无线互联科有技术难度大、前期投入大、大等特点&基于4G的LTE试验，历 5技，2016(24)：32.+ 5] 海.5G技术的研究现状及前景分析+ J].通讯世界，2016

期长及产业

专网技术自2011年在 铁

[ 6]

(11):.. 于 5G 移动通信 技术的 分析及 未来 前年多,才在轨道交通行业逐 ，如长。

，缺少景分析+ +].中国新通信,2015( 19)：56.+ 7] HE R，Al B，WANG G，et al. High-speed railway communica­

用4G技术的起 标准

间，周期

tions: from GSM-R to LTE-R[ J] .IEEE Vehiculaa Technology

雄厚产业基础的技术，即便 未Magazine，2016(3) ：49.必适合轨道交通的大规模使用。一 ・78・流的通(收稿日期：2017-09-29)