轨道交通移动通信技术发展分析及建议

蔺伟 李毅

摘 要：车地间移动通信是智能轨道交通的重要基础支撑，随着移动通信技术的快速发展，需要对轨道交通移动通信的发展方向和策略进行研究。文章首先对轨道交通移动通信业务需求进行分析，并对4G LTE与5G的标准演进、技术指标和关键技术等进行介绍。然后，针对承载能力、无线频谱、服务质量、产业支撑和经济性方面，对4G LTE与5G在轨道交通场景中的适用性进行分析比较。最后，提出点线差异化、公专网结合、跟踪5G行业应用等发展建议，为确定轨道交通移动通信技术的发展方向提供借鉴。

关键词：轨道交通;移动通信;5G;LTE

中图分类号：U285.2

0 引言

在城市轨道交通领域，2017年中国城市轨道交通协会牵头组织完成城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）系列标准的编制工作，逐步取代TETRA和Wi-Fi，形成1张具备综合承载能力的移动通信网络，满足调度通信、列车控制、乘客信息服务（PIS）和视频监控（IMS）等关键业务的通信需求。

在国家铁路领域，2015年中国铁路成立铁路下一代移动通信技术研究工作组，2018年在京沈高速试验段完成LTE-R系统试验，预计2019年基本完成LTE-R系列标准的编制工作。

2019年6月6日，随着工信部5G商用牌照的发放，标志着我国正式进入5G商用元年，5G发展进入快车道。5G不仅是通信行业未来发展的重点，也是从政府到民众全社会关注的焦点。从技术角度讲，目前的5G还未全部实现国际电信联盟（ITU）制定的3大愿景，市场上的基站产品遵从R15版本标准，满足增强移动宽带（eMBB）的要求，这方面特性主要受公众消费市场牵引，关于海量机器类通信（mMTC）、超可靠和低时延通信（uRLLC）等行业应用技术将在R16和R17标准中制定，完善的技术标准预计2020年—2021年以后正式发布。

随着我国轨道交通向智能化方向发展，多媒体调度通信、智能调度指挥、列车车况信息远程实时监测、基础设施实施状态实时感知、优化控制和自动驾驶、智能列车、铁路物联网、移动高清视频监控、增强乘客服务等多类型、全方位的智能业务将不断涌现，同时将广泛应用云计算、大数据、人工智能、移动互联等新技术，移动通信尤其是车地间移动通信能否满足智能业务的需求，成为能否实现智能轨道交通的关键一环。因而，应尽早开展轨道交通移动通信技术的发展研究，合理布局，避免移动通信成为未来轨道交通智能化发展的瓶颈。

轨道交通移动通信技术继续发展4G LTE还是发展5G技术，两者在未来发展中如何定位等问题，不仅仅是技术层面，还需统筹考虑包括业务需求、技术标准、产业支撑、国家频率分配政策、技术经济性等多方面因素。以下就这些问题开展初步分析，以供借鉴。

1 轨道交通主要业务需求分析

从服务对象角度，轨道交通移动通信业务可分为行车应用类、运营和维护类、旅客服务类。其中，行车应用类主要包括调度指挥通信、列车运行控制、自動驾驶等行车调度指挥和控制业务;运营和维护类主要包括移动装备和固定装备的检验检测、养护维修等;旅客服务类包括面向旅客出行、旅客服务、安全保障等通信业务[1]。

无线通信系统的部署通常按区域进行覆盖，应从应用区域和区段上划分应用场景，提出对无线通信系统承载能力的要求。轨道交通大体可划分为正线和站场2类应用场景，2类场景的业务既相互交叉，又有一定的独立性和差异性。

（1）铁路正线，主要包括正线车站和区间线路，该场景下的业务主要包括6类。 ①行车指挥业务：列车调度通信、列车运行控制、列车紧急文本、自动驾驶等;②监测监控业务：IMS、列车安全防护和预警、列车运行监测检测、基础设备设施状态信息、列车定位、站车间信息交互;③地面基础设施监测业务：线桥隧、通信信号、电力和供电等专业基础设施监测检测信息传送;④乘客信息服务：主要包括PIS车载媒体业务;⑤列车车内服务和联络;⑥养护维修、公共安全、应急通信等。

（2）站场和枢纽， 主要包括车站、车辆段等。该场景下，主要为乘客乘降组织、PIS、车站管理和信息传送、车辆段调车作业和安全监控提供通信服务。

目前，在城市轨道交通领域，列控和自动驾驶、调度通信、列车运行状态监测、IMS、PIS为关键业务，关系到系统是否具备开通条件。这些业务是移动通信系统承载的核心业务。

根据《LTE-M总体规范 第3部分：综合承载信息分类与要求》[2]的规定，LTE-M各关键业务的带宽需求如表1所示。

能否满足以上业务的需求，是衡量轨道交通移动通信系统适用性的基本要求。

2 技术标准演进

移动通信技术体制演进如图1所示。

第一代为模拟对讲技术，自2G进入数字通信以来，系统由窄带向宽带演进，数据传输速率不断提高。

4G LTE和5G的3GPP标准演进路线如图2所示[3]。

3GPP在2008年初完成了LTE第1个版本的标准R8，2014年在R10中完成了LTE的演进LTE-Advanced。LTE技术标准不断完善与增强。

5G的第1个标准R15已于2018年6月完成， 主要面向eMBB场景。R15标准只定义了基本的uRLLC场景，没有针对物联网业务再定义新的标准，仍然采用LTE标准下的窄带物联（NB-IoT）和移动物联技术（eMTC）。面向行业应用的mMTC和uRLLC场景在R16版本中定义，预计将于2020年底冻结。最终的5G官方标准将于2020年底由ITU评估、批准后正式发布。

与4G相比，5G技术的标准更加统一，由3GPP国际化标准组织统一制定;服务场景更加多样，支持eMBB场景、mMTC场景和uRLLC场景，如图3所示[4];5G服务对象在过去人与人通信的基础上，增强了人与物、物与物之间的互联。

3 4G LTE 与 5G 技术特点

以下对4G LTE和5G技术指标和关键技术进行简要归纳。

3.1 技术指标

3.1.1 4G LTE技术指标

（1）可变带宽：支持1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz，通过载波聚合技术可以支持更大的带宽。

（2）峰值数据速率：300 Mb/s（下行）和75 Mb/s（上行）。LTE的后续演进LTE-Advanced的峰值速率可达1Gb/s（下行）和500 Mb/s（上行）。

（3）时延：控制面延时为50～100 ms，用户面时延为10 ms。

（4）支持终端移动速度： 350 km/h。

3.1.2 5G 技术指标

（1）可变带宽：在频率为6 GHz以下的中低频段，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;在高频毫米波频段，支持50 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz。通过载波聚合技术可以支持更大的带宽。

（2）峰值速率：20 Gb/s（下行）和10 Gb/s（上行）。

（3）时延：控制面时延为20 ms，用户面时延为4 ms（eMBB场景）和1 ms（uRLLC场景）。

（4）可靠性：在1 ms内发送20字节数据，传输成功率为99.999%。

（5）连接数：100万用户/km2（mMTC场景）。

（6）支持终端移动速度：500 km/h。

（7）切换中断时间：0 ms。

3.2 关键技术

3.2.1 4G LTE 关键技术

（1）调制技术。LTE下行采用正交频分复用技术（OFDM）多载波传输，提高了频谱效率和抗多径衰落的能力;上行采用SC-FDMA单载波传输，以降低信号的峰均功率比。下行调制阶数最高可采用256 QAM，上行最高可采用64 QAM调制，未来具备支持256 QAM的能力。信道编码采用Turbo编码（数据）和TBCC编码（控制）。

（2）多天线（MIMO）技术。LTE采用MIMO技术提高系统的传输速率。下行最高可采用8×8 MIMO;上行最高可采用4×4 MIMO。

（3）服务质量（QoS）保障机制。终端与核心网之间的承载支持9种QoS保障等级。不同优先级的承载具有不同的速率、时延、丢包率等指标。支持业务抢占机制，优先保障高优先级业务的QoS。

3.2.2 5G关键技术

（1）调制技术。5G的调制技术与4G LTE类似，区别在于5G上行在eMBB场景下，可采用多载波传输CP-OFDM，提高传输速率。与4G LTE子载波带宽固定15 kHz不同，5G在中低频段的子载波宽度为15 kHz、30 kHz、60 kHz;在高频段子载波宽度为60 kHz、120 kHz、240 kHz，实现5G在不同带宽、不同场景下的灵活部署。5G上行支持π / 2-BPSK和256 QAM调制，分别应用于低功耗和高速率场景。5G信道编码采用LDPC码（数据）和Polar码（控制），降低译码复杂度并提高编码增益和频谱效率。

（2）大规模天线阵列（massive MIMO）技术。在低频段（1 GHz以下），最高可采用8×8 MIMO;中频段（1～6 GHz）最高可采用64×64 massive MIMO;在高频毫米波频段，理论上可支持更多数量的massive MIMO[6]。

（3）新型核心网架构。5G核心网采用基于服务化的架构（SBA），将传统网元拆分成多个模块化、软件化和相互独立的网络功能，在通用服务器上实现网络功能灵活部署和扩展。此外，实现了控制与用户面分离。用户面功能摆脱“中心化”的約束，使其既可灵活部署于核心网，也可部署于接入网或边缘数据中心，实现网络架构灵活部署[7]。

（4）切片技术。网络切片是指在通用硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片在设备、接入网、传输网以及核心网方面实现逻辑隔离，以更好地满足不同业务场景和不同垂直行业用户的差异化通信需求，如图4所示[8]。首先将用户需求映射为网络切片的性能指标参数，再根据性能指标要求进行资源切片、频率切片和设备切片等。

（5）边缘计算（MEC）。MEC将数据中心部署在在基站或其他网络边缘节点，使得数据的计算、处理和存储更加靠近用户。海量数据可以在本地得到实时、快速处理，减少数据回传压力、网络拥塞和数据传输时延，有利于提高网络安全性和可靠性[9]。

4 产业发展

截至2018年10月底，全球LTE商用网络达715个，LTE用户占比达到42%。预计2019年底全球LTE商用网络将达到760～770个[10]。大范围的部署、众多的用户、公网的长期验证证明LTE是目前最为成熟和稳定的通信系统。

5G在满足公众高速率大带宽的需要方面将得到快速发展，面向垂直行业应用的大连接、高可靠、低时延等特性的需求和技术有待研究和明确，技术标准有待成熟，产业支撑尤其是终端的量产和普及还需要一定周期，5G发展绝非一蹴而就。

我国公网运营商普遍采用4G LTE与5G协同发展的战略。其规划是在大城市和人流量密集的热点区域部署5G，在郊区、农村和其他非热点地区利用4G LTE做广域覆盖[11-12]。

根据全球移动运营商联盟（GSMA）于2018年9月发布的评估报告（图5）[13]。2025年全球连接总量中4G LTE占57%，5G占15%。需要强调的是，LTE系统部署规模在未来一段时间内仍处于快速上升趋势，将得到产业链的长期支持。可以看出，4G LTE与5G系统将长期共存。

5 4G LTE 与 5G 技术在轨道交通场景中的适用性分析

5.1 LTE承载城市轨道交通关键业务能力分析

列控和自动驾驶、调度通信、PIS和IMS业务是地铁关键业务，假设正线1个小区内最多有4列运行列车，基于表1业务带宽需求，4列车同时开展相关业务，其中2列车打开视频监控，所需的数据量如表2所示。

1.8 GHz TD-LTE系统吞吐量实测结果如表3所示[14]。

由表2和表3数据指标可知，采用5 MHz频宽条件下，LTE系统可综合承载正线区段的列控和自动驾驶、调度通信、720P分辨率的PIS视频和720P分辨率IMS视频业务;采用15 MHz频宽条件下，LTE系统可综合承载正线区段的列控和自动驾驶、调度通信、720P分辨率PIS视频和1 080P分辨率IMS视频业务。

5.2 无线频率分配

无线电频谱资源是不可再生自然资源，由国家工信部统一分配。

无线电频率越低，其绕射能力越强，传播距离越远;同时多普勒频移小，适合移动场景使用尤其是中高速移动场景。考虑到建网经济性，减少沿线站点数量，轨道交通一般选择中低频段作为铁路正线连续广覆盖区段的工作用频。然而，中低频段的缺点是频率资源少，而且大多已经被分配。

我国地铁LTE-M使用的1.8 GHz频段共有20 MHz带宽资源，但考虑到与其他行业的兼容并存，一般仅能分配10～15 MHz带宽。在轨道交通可能获取的有限频率资源条件下，5G专网难以充分发挥其技术优势。

目前，我国5G系统规划分配采用2.6 GHz、3.5 GHz和4.9 GHz频段。另外，毫米波频率（30～300 GHz）资源丰富，也是5G未来发展的方向。高频段的优势是频率资源丰富，但传播特性差。

5.3 服务质量指标

以下对5G和4G LTE用于轨道交通场景的系统服务质量技术指标进行对比。

5G和4G LTE均采用OFDM。由于OFDM频谱效率高，进一步提升难度大，因而5G主要利用可调制更宽的频段（100 MHz以上）、大规模天线阵列（64×64及以上）实现的波束赋形和多入多出等技术，大幅提高系统吞吐量。此外，由于轨道交通专用频率资源有限、中低频段的天线尺寸和重量大等问题，5G中增加系统容量的主要关键技术在轨道交通专用频段难以发挥作用。

根据3GPP在2018年12月发布的技术报告TR 37.910[15]的相关数据，下面对4G LTE与5G系统在同等条件下的服务质量进行对比。

5.3.1 频谱效率

轨道交通移动通信系统上行链路速率是系统的瓶颈。设定子载波间隔15 kHz、最高调制阶数256 QAM、双工方式为TDD，频率带宽为10 MHz，在以上条件下，4G LTE与5G系统上行链路归一化频谱效率如图6所示。

在静态条件下， 5G相对4G LTE的上行链路频谱效率提高20.9%;在120 km/h速度条件下，5G相对4G LTE的上行链路频谱效率仅提高0.7%。

这意味着，在轨道交通移动通信专用频率有限的条件下，尤其是在列车中、高速移动场景下，车地间通信采用5G相比4G LTE所能带来的数据传输速率的提升微乎其微。

5.3.2 业务时延

图7为3GPP TR 37.910技术报告中对4G LTE与5G用户数据传输空口的时延对比，5G比4G LTE快1 ms左右。

5G为满足低时延场景要求，主要利用本地交换、终端之间直通模式、边缘计算等技术，避免了数据经过长途传输到核心网交换带来的时延，同时结合可变帧长等技术，使得数据端到端传输时延指标接近空口时延。

对于轨道交通，调度通信类、列车控制类、PIS和IMS等关键核心业务，均需要和调度指挥中心进行通信。例如，调度通信要和调度台、车站台通信，列控和自动驾驶业务时车载设备需要与列控中心通信，PIS和CCTV也需要和中心服务器设备通信。这些业务数据传输时延应在空口延时的基础上，增加到核心网的传输和交换时间。以CBTC数据业务为例，实测的LTE承载CBTC业务数据平均环回时延为32～43 ms[14]，折合为单向传输平均时延为16～22 ms。

因而，对于轨道交通现有的关键、核心应用业务均需要和调度指挥中心通信，5G比4G在空口节约的1ms延时是微不足道的。同时，既有地铁业务对传输时延的要求并没有如此敏感。

未来随着车车通信技术的发展，5G提供的边缘计算、直通模式和低时延技术，或许能够发挥出更大的作用。

5.4 产业支撑

5G虽然已经商用，但是由于标准制定工作尚未完全完成，直接影响设备定型，尤其是行业终端设备距离大规模商用还有一定差距。目前仅有CPE可用，面向用户的手机等移动终端尚未批量投入商用市场。

根据4G发展的经验，从标准到商用经历了5年时间。完整的5G标准预计2021年底颁布，公网运营商5G系统要形成端到端完整、成熟的产业链支撑，至少是2021年以后的3～5年。

当前一段时期内，供货商工作重点在公网运营商5G设备的研发和供货，能够投入轨道交通行业的5G专网系统设备研发的资源有限。

对于轨道交通行业，产业支撑与所分配的频率直接相关，目前没有可用的5G专网频率。即使将来分配了专用频率用于轨道交通行业的5G系统，形成轨道交通专用频率产业支撑也需要一定周期。

5.5 经济性

决定系统经济性主要有2个方面的因素：一是设备布设密度，二是设备单价。

目前，5G系统采用的主流频率远高于轨道交通1.8 GHz專用频率。高频段电磁波路径损耗大，且须视距传播，传播路径阻挡形成的阴影效应明显。为实现良好信号的覆盖，基站布设密度进一步加大，不仅带来了基站设备数量增加，基站选址难度、配套光缆、供电和传输设备数量也将增加。

在隧道等特殊地段，由于传统漏泄同轴电缆技术无法支持高频段信号传输要求，需要使用昂贵的波导管或等电平漏缆等方式延伸信号覆盖，将进一步提高工程造价。

由于5G刚刚步入商用阶段，根据中移动产业研究院专业人士的预测，5G基站设备成本是4G基站设备的3.5～4倍。随着商用市场规模的增加，需经过一定的时间周期，设备价格才会逐步下调。此外，5G基站的耗电量也要高于4G基站。

综上所述，当前阶段采用5G系统的造价要远高于4G系统。

6 轨道交通移动通信技术发展建议

由于国家分配给轨道交通使用的无线电频率带宽有限，不能全面满足智能化应用需要，应綜合利用公、专网资源，根据正线、车站和车辆段等不同应用场景和业务需求，选择适合的通信方式，实现轨道交通移动装备、固定基础设施、运营和维护人员的泛在互联。

6.1 点、线结合差异化发展

正线区段：由于涉及到列车调度指挥、列车控制等安全业务，应立足于采用4G成熟技术构建LTE-M系统，实现统一制式、全程全网。

车辆段和车站热点区域：车辆段是车辆密集地区，车站是人员密集区域，均属于通信热点。这些区域存在大量与行车无关的本区域业务，与正线业务相对独立，可采用多种通信方式进行承载，如Wi-Fi，数字对讲，5G技术、毫米波通信等多种技术解决。

6.2 专网与公网结合发展

以LTE-M专网为主体网络，综合承载调度通信、列车运行控制、PIS和IMS等关键核心业务。

对于车载状态监测、高清视频传输、地面基础设施监测和检测、经营服务等大容量或大连接的非行车相关业务，采用公网4G或5G网络进行承载，是解决轨道交通移动通信频率资源短缺的重要手段。

6.3 积极跟踪 5G 行业应用创新发展

5G改变社会将主要体现在行业应用，有利于提高整个社会的生产力。

5G提供了网络切片、边缘计算、大连接物联网、低时延高可靠等创新技术，为轨道交通行业应用提供了技术可行性。

目前，公网运营商也在积极探索行业应用的模式。受限于频率资源和技术标准不完善，当前发展轨道交通5G专网的可行性较小。应积极跟踪研究，挖掘公网5G技术在轨道交通领域的应用和发展。在应用和发展过程中，还需要考虑以下几方面问题。

（1）建网规划与协调。公网运营商的5G网络主要规划用于城市核心区和热点地区。对于延伸到郊区和农村市域铁路、城际铁路，公网是否能够按照轨道交通的规划在铁路沿线建设5G网络以及在没有大量用户的情况下这些区段的建网成本如何分摊。基于以上问题，实现公网5G建网规划与轨道交通规划完全协调一致，存在一定难度。

（2）网络和信息安全。公网5G系统将提供给公众用户和相关行业用户共享，有利于提高网络利用率，降低单位用户的使用成本，同时公网5G与互联网连接，对于轨道交通专业应用和数据来说，存在网络和信息安全风险。目前，5G切片技术主要是对频率、信道和设备的资源切片。共享条件下的网络和信息安全，需要进行系统性解决。

（3）专用功能适用性。轨道交通业务涉及集群组呼、基于位置的寻址、基于功能角色的寻址、多优先级抢占及强拆等专用业务功能。在5G系统上实现这些功能，还需要进行定制开发。在全IP网络架构下，建议遵循应用与系统解耦的方式，使得专用功能不依赖具体的网络制式，实现两者的分层分离、独立演进。

（4）资产划分和维护。5G网络由公网运营商建设，其设备资产应归公网运营商所有，维护工作应由公网运营商完成，其维护工作同时面向公网用户和行业用户，这2类用户对于网络的服务质量、维护要求完全不同。依靠现有的公网运营商维护体制和人员队伍无法达到轨道交通对网络维护的要求。能否利用自己的专业维护力量对公网系统设备进行维护，公网运营商的维护体制和人员能否按照轨道交通的要求进行完善，以及双方的工作界面划分等问题，需要进一步的研究和探讨。

此外，运营维护数据的管理和划分也需要研究确定，包括哪些数据是支撑通信网络运维需要的，哪些数据是支撑轨道交通各业务应用运维需要的，谁为主体进行数据管理和分析等。

7 结语

发展智能轨道交通，移动通信无疑是最为重要的基础支撑条件之一。

频率资源始终是轨道交通移动通信发展需要考虑的首要因素。在没有大带宽资源的条件下，通过对4G、5G的技术特性对比分析，现阶段构建轨道交通5G专网在技术和经济性上均没有明显优势。

由于可靠性和安全性等特殊要求，在现有条件下，轨道交通移动通信系统应立足于采用技术和标准成熟、产业支撑良好的LTE-M通信制式构建专网。在此基础上，热点地区可以发展多种技术制式。

应积极跟踪5G技术行业应用的发展动态，在解决网络和信息安全的基础上，未来可利用公网5G作为行业应用的有益补充，解决轨道交通移动通信的瓶颈问题。还需要积极探索构建新型生产关系，以适应5G技术在行业应用中带来的建网、维护等问题。

新技术的发展和换代，会带来新的发展契机，应紧密结合轨道交通的特点，应对新形势、新动态，积极推动轨道交通移动通信技术和产业的发展和壮大。

参考文献

[1] 姜永富.我国铁路专用移动通信技术发展思路探讨[J].中国铁路，2019（4）：73-78

[2] 中国城市轨道交通协会.城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）总体规范 第3部分：综合承载信息分类与要求，T/CAMET 04005.3—2018 [S]. 2018.

[3] International Telecommunication Union. 4G to 5G networks and standard releases[Z]. ITU Asia-Pacific Centre of Excellence Training，2018.

[4] International Telecommunication Union M.2083.Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S]. 2015：14-16.

[5] Wu Yong. Enhanced mobile broadband （eMBB） evaluation results [R]. Workshop on 3GPP submission towards IMT-2020，2018.

[6] Global TD-LTE Initiative. GTI massive MIMO white paper [R]. 2018：9-10.

[7] 中国联通. 中国联通 5G 服务化网络白皮书 [R]. 2018：3-5.

[8] 中国联通，中国联通 5G 网络切片白皮书[R]. 2018：2-3.

[9] European Telecommunication Standards Institute. MEC Deployments in 4G and Evolution towards 5G [S]. ISBN No. 979-10-92620-18-4，2018.

[10] Global Mobile Suppliers Association. Evolution from LTE to 5G： Global Market Status[R]. 2019：2-4.

[11] 杨杰. 实施5G+，共迎新未来 [R]. 中国移动“5G+”发布会，2019.

[12] 中国电信. 中国电信 5G 技术白皮书 [R]. 2018：10-11.

[13]  Global System for Mobile Communications Alliance. Global mobile trends： whats driving the mobile industry？[R]. 2018：30-31.

[14] 朱东飞，洪婷.城市轨道交通车地通信综合承载系统（LTE—M）性能测试与分析[J].城市轨道交通研究，2017（5）：171-175

[15] 3rd Generation Partnership Project TR 37.910 V16.00. Study on self evaluation towards IMT-2020 submission[S]. 2019：17-88.

收稿日期 2019-07-03

責任编辑 胡 姬