基于3.5GHz頻段的5G新空口系統(tǒng)在海南環(huán)島高鐵的應(yīng)用前景研究

童 偉，宋春鳳

（海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)學(xué)院，海口 570127）

0 引言

自4G（第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)）逐漸普及之后，5G已經(jīng)成為通信行業(yè)的研究熱點(diǎn)，中國使用3.5GHz頻段中的200MHz頻譜進(jìn)行了5G測(cè)試。在未來幾年的標(biāo)準(zhǔn)和頻率規(guī)劃方面，預(yù)計(jì)5G測(cè)試將進(jìn)一步推動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。與此同時(shí)無線通信理論和技術(shù)迅速發(fā)展并在高鐵和軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括：3.5GHz頻段的5G新空口系統(tǒng)、CBTC（基于通信的列車控制）、乘客向?qū)?、廣播和視頻監(jiān)控。

由于5G技術(shù)在高速鐵路中的應(yīng)用無法采用公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)頻段，類似于4G-LTE在高速鐵路和軌道交通中的應(yīng)用，還需要特殊的頻段。因此，高速鐵路和軌道交通行業(yè)在申請(qǐng)合法頻率后會(huì)與國家無線電監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行溝通，需要提前做相關(guān)的應(yīng)用研究和測(cè)試。

1 基于3.5GHz頻段的5G技術(shù)的高帶寬特點(diǎn)

基于3.5GHz頻段的5G技術(shù)具有足夠的帶寬，可以為島上的高速火車應(yīng)用提供全面的業(yè)務(wù)服務(wù)。從需求的角度來看，無論是CBTC，無線火車，PIS和火車運(yùn)輸數(shù)據(jù)，通常都包括兩種類型的信息：安全數(shù)據(jù)和非安全數(shù)據(jù)。安全數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)量不大，但有嚴(yán)格的延時(shí)、可靠性約束；非安全數(shù)據(jù)等信息則需要較大的帶寬，3.5GHz頻段的5G技術(shù)高帶寬特點(diǎn)可以較好地滿足。因此，需對(duì)車地?zé)o線傳輸資源進(jìn)行有效的整合和合理的分配（如圖1），尤其是針對(duì)不同的業(yè)務(wù)，提供不同等級(jí)的服務(wù)，充分利用無線通信資源。

圖1 環(huán)島高鐵交通的車地通信應(yīng)用

2 環(huán)島高速列車通信業(yè)務(wù)

2.1 安全相關(guān)的業(yè)務(wù)

主要負(fù)責(zé)列車的安全運(yùn)行。典型的基于安全服務(wù)需要最高的安全等級(jí)（SIL4），低帶寬（小于每車1kb/s），嚴(yán)格的延時(shí)約束（最壞情況下的延時(shí)為500-800ms），通信模式通常采用實(shí)時(shí)可變速率（RT-VBR）；話音呼叫需要業(yè)務(wù)需要64Kb/s（取決于編碼器），且最大的抖動(dòng)為30ms。

2.2 非安全業(yè)務(wù)

包括與安全無關(guān)的各種服務(wù)，如CCTV、乘客信息、遠(yuǎn)程維護(hù)及感知等；為乘客提供互聯(lián)網(wǎng)接入及其它通信業(yè)務(wù)。

安全業(yè)務(wù)對(duì)可靠性、可用性、時(shí)效性及信息安全有很強(qiáng)的要求；無線電話屬于公共安全領(lǐng)域（包括組呼，功能性尋址，設(shè)備與設(shè)備的通信等）；部分非安全業(yè)務(wù)對(duì)帶寬有很高的要求；互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)要求能提供在高速運(yùn)行條件下的接入服務(wù)，如350km/h運(yùn)行情況下的接入服務(wù)。

3 環(huán)島高鐵交通無線通信需求分析

3.1 頻段選擇

5G沒有針對(duì)頻點(diǎn)的國際標(biāo)準(zhǔn)，但通常使用毫米波段。低功率設(shè)備通常用于頻帶內(nèi)的無線電信號(hào)傳播，隧道的通信距離通常為100-200 m，并且接入設(shè)備的放置和鐵路運(yùn)輸通信系統(tǒng)的維護(hù)也存在問題。盡管波導(dǎo)技術(shù)可用于微波頻帶，但它具有出色的傳播特性，但在設(shè)計(jì)，成本和維護(hù)方面仍在研究許多問題。

在3.5 GHz頻帶中，將200 MHz頻譜用于5G測(cè)試。根據(jù)香農(nóng)定律，5G技術(shù)的高帶寬需要頻譜寬度來支持它。 2016年，工業(yè)和信息化部批準(zhǔn)了3.4-3.5GHZ頻段5G系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)和測(cè)試。與低于6GHz的頻譜相比，毫米波頻譜不僅非常豐富，而且使用過程涉及到許可證很少，并且仍在討論針對(duì)特定5G頻率的全面國際計(jì)劃。在3.5 GHz頻帶中，200G頻譜用于5G測(cè)試。在未來幾年中，預(yù)計(jì)5G測(cè)試將進(jìn)一步促進(jìn)5G標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。（如圖2）

圖2 基于3.5GHz頻段-200MHz頻譜測(cè)試

3.2 覆蓋方式

覆蓋5G使用毫米波和Massive MIMO技術(shù)，目前不支持在高速鐵路交通中使用的泄漏同軸電纜和波導(dǎo)。在獲得合法頻譜之后，有必要根據(jù)頻率情況采用適當(dāng)?shù)臒o線電范圍方法。

大規(guī)模MIMO技術(shù)：根據(jù)頻率條件采用適當(dāng)?shù)臒o線電范圍方法，大規(guī)模MIMO陣列技術(shù)可以在相同的時(shí)頻資源上同時(shí)為多個(gè)用戶提供更多信息。對(duì)于MIMO天線的許多功能，提高了小區(qū)容量和更快的數(shù)據(jù)下載速度?？紤]到頻率資源的嚴(yán)格情況，5G移動(dòng)通信使用高頻特別是毫米波頻段，在此頻率范圍內(nèi)頻譜資源眾多且連續(xù)帶寬較大。

3.3 5G系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)化

SDN分離了網(wǎng)絡(luò)控制平面和承載，而NFV分離了現(xiàn)有的專用硬件設(shè)備，虛擬化了網(wǎng)元功能，并加快了5G原型和商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)階段?；趯?duì)高速鐵路應(yīng)用場(chǎng)景的分析，各種業(yè)務(wù)應(yīng)用都有與5G系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的接口，例如Zigbee，RF，

RS232/RS485等。為了使接口標(biāo)準(zhǔn)化并考慮傳輸網(wǎng)絡(luò)接口問題，必須配置相關(guān)協(xié)議。

5G新空中接口技術(shù)的商用化解決了接口標(biāo)準(zhǔn)化的問題。端到端5G新型空中接口系統(tǒng)在3.5GHz頻段上運(yùn)行，并支持100MHz的大帶寬，OFDM參數(shù)配置、先進(jìn)的新型信道編碼與調(diào)制方案和低延遲的獨(dú)立框架結(jié)構(gòu)可以有效的實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)單用戶Gbit級(jí)傳輸速率，并且可以滿足高速鐵路內(nèi)的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 基于5G在環(huán)島高鐵交通安全性方面的措施

用于島上高速鐵路運(yùn)輸?shù)牧熊嚳刂葡到y(tǒng)CBTC使用物理上獨(dú)立的列車對(duì)地面?zhèn)鬏敺椒?，地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)隔離，以盡可能地確保列車控制的安全性。在物理級(jí)別上，通常采用（如圖3）所示的雙重覆蓋范圍來確保車輛與地面通信的可靠性。5G的安全措施提出主要通過非物理隔離虛擬隔離技術(shù)來滿足列車控制系統(tǒng)的要求，以確保安全性和不同的服務(wù)水平要求。

圖3 物理層采用雙覆蓋，以確?？煽啃?/p>

高速鐵路安全服務(wù)可安全通信的基礎(chǔ)采用虛擬耦合（Vitual Couple）實(shí)現(xiàn)。列車可在較短的時(shí)間間隔內(nèi)（甚至比剎車距離還要短的時(shí)間間隔內(nèi)行駛），因?yàn)閷?shí)際上列車是超可靠的實(shí)時(shí)通信無線連接，每一個(gè)列車都有相同的數(shù)據(jù)（速度，剎車，mands等）。就像一列火車，但它們之間的耦合只是虛擬的。這還是一個(gè)概念，還沒有現(xiàn)實(shí)，但它可幫助鐵路提升運(yùn)輸效率，因?yàn)樘摂M列車僅占據(jù)一個(gè)時(shí)隙（Slot），這就提出了安全的V2V（車車通信）的要求。

5 結(jié)束語

充分使用3GPP標(biāo)準(zhǔn)的端到5G新空口商用基站、新空口終端設(shè)備系統(tǒng)成熟條件，采用3.5GHz頻段利用200MHz頻譜，進(jìn)行環(huán)島高鐵通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景研究，無論標(biāo)準(zhǔn)還是頻點(diǎn)規(guī)劃角度出發(fā)，在頻譜利用、寬帶和移動(dòng)性等方面不僅能改善了現(xiàn)有的海南高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能和質(zhì)量，同時(shí)也對(duì)促進(jìn)環(huán)島高速鐵路交通智能化和自動(dòng)化具有重要的意義。