5G毫米波技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

李瀛生

（南京熊貓信息產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

長期以來，地鐵車地通信系統(tǒng)受制于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，無法實(shí)現(xiàn)車載CCTV、PIS、TCMS等大量數(shù)據(jù)的及時(shí)回傳。目前有如下幾種方式實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)，主要是USB拷貝、人工拔插硬盤和Wi-Fi等方式，導(dǎo)致如下的問題。

（1）USB拷貝：人力成本消耗高，難于拷貝大容量的視頻數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)完整性易受病毒感染、數(shù)據(jù)丟失及系統(tǒng)的接口損壞等影響。

（2）人工拔插硬盤：人力成本消耗高，多次拔插，硬盤損耗較高，數(shù)據(jù)丟失和運(yùn)維成本高以及病毒隱患等。

（3）Wi-Fi：傳輸距離短，速率一般為56 Mbps，數(shù)據(jù)下載超過2小時(shí)，數(shù)據(jù)丟失率達(dá)60%；抗干擾能力弱。

目前，一種新型車地?zé)o線技術(shù)5G毫米波技術(shù)在車地高速通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決了上述問題，采用該技術(shù)的產(chǎn)品，可在車輛段及正線利用列車停站的短暫瞬間，以超過1 Gbps的速率，將車載CCTV系統(tǒng)視頻錄像回傳到地面存儲(chǔ)系統(tǒng)中保存，從而滿足90天存儲(chǔ)需求，同時(shí)，作為車地網(wǎng)絡(luò)之間的一根高速總線，也可以實(shí)現(xiàn)車載其他日志數(shù)據(jù)（如TCMS）的回傳以及地到車業(yè)務(wù)（如PIS）的及時(shí)推送，構(gòu)建車地綜合業(yè)務(wù)通信平臺(tái)。

2 什么是5G毫米波

毫米波（Millimeter wave）：波長為1～10毫米的電磁波稱毫米波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。與光波相比，毫米波利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時(shí)，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減24 GHz微波雷達(dá)傳感器為極小值的頻率）傳播時(shí)的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小[1]。

2.1 毫米波的優(yōu)點(diǎn)

（1）極寬的帶寬。無線頻譜資源相當(dāng)稀缺，Wi-Fi、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字電視、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、點(diǎn)到點(diǎn)微波等都要占用無線頻譜，而上述常見民用頻段（如2G/3G/4G移動(dòng)通信、Wi-Fi/Wi-Fi6等）相當(dāng)擁擠，很難獲取。而毫米波頻段由于頻譜資源豐富，信道帶寬大，根據(jù)香農(nóng)定理，其通信容量也更大，符合大容量傳輸需求。通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300 GHz，帶寬高達(dá)273.5 GHz，超過從直流波到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá)135 GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5倍，這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

（2）波束窄，在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如，同樣12 cm的天線，在微波9.4 GHz時(shí)波束寬度為18度，而在毫米波94 GHz時(shí)波束寬度僅1.8度，因此可以分辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

（3）與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特性。

（4）和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

2.2 毫米波缺點(diǎn)

（1）大氣中傳播衰減嚴(yán)重。

（2）器件加工精度要求高。

3 城市軌道交通場景應(yīng)用

基于5G毫米波技術(shù)的無線通信產(chǎn)品，可專用于軌道交通車地大容量綜合數(shù)據(jù)高速回傳場景，所采用的60 GHz V-Band毫米波，技術(shù)成熟且具備帶寬大、中國區(qū)免頻譜申請(qǐng)（59～64 GHz）、遠(yuǎn)離常用民用頻點(diǎn)干擾小等優(yōu)點(diǎn)；在傳統(tǒng)無線通信中，由于其傳輸過程中氧衰大的特性，難以遠(yuǎn)距離傳輸，使得應(yīng)用受限，而該特性正好契合車地回傳場景對(duì)短距離通信、防信號(hào)泄露的需求。車地?zé)o線傳輸鏈路由軌旁基站和車載終端兩部分組成，無須核心網(wǎng)，也無需接入公網(wǎng)，部署簡單，傳輸安全可靠。

3.1 業(yè)務(wù)特性

通過多種5G關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用[2]，毫米波技術(shù)因其具備大帶寬、抗干擾、部署靈活等優(yōu)勢(shì)，可以在站/段低速移動(dòng)或者靜止場景下將車載大容量CCTV數(shù)據(jù)、TCMS等綜合數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速下載，將地面PIS業(yè)務(wù)推送上車，實(shí)現(xiàn)車地綜合業(yè)務(wù)的高速、可靠承載傳輸。

5G毫米波大帶寬可用頻譜59～64 GHz，上行理論速率為1.7 Gbps，車地轉(zhuǎn)儲(chǔ)業(yè)務(wù)實(shí)際速率為1.5 Gbps，電磁環(huán)境：公用頻段（毫米波高頻段電磁環(huán)境干凈、頻譜干凈、干擾少），TDD智能調(diào)度：根據(jù)實(shí)際上下行帶寬自適應(yīng)調(diào)度上下行業(yè)務(wù)流量，獲得最大帶寬使用效率，多天線技術(shù)：系統(tǒng)增益多天線智能合并（信號(hào)增益大、多天線波束窄、抑制干擾能力強(qiáng)、波束賦形天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、部署靈活而簡單）。

3.2 5G多天線技術(shù)

由于60 GHz頻段波長短，天線就小（天線尺寸和波長成正比），利于使用多天線技術(shù)。多天線技術(shù)利用空間信道衰落的獨(dú)立性，使用不同天線在相同的時(shí)頻資源上同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，獲得傳輸速率/最大系統(tǒng)容量提升；同時(shí)，在發(fā)射總功率相同的前提下，通過多天線陣列分級(jí)的相干合并，對(duì)處理后平均信噪比有較大提升。

⊙ 天線越多，同向疊加，接收信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，可獲得更大的陣列增益。

⊙ 天線越多，波速越窄，干擾更小，可獲得更大的天線抑制增益。

3.3 5G波束賦形

通過5G波束賦形（Beam Forming）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車、地信號(hào)的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和跟蹤，部署靈活、簡單。

（1）通過在發(fā)射端利用信道信息，對(duì)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，使得接收端信號(hào)質(zhì)量獲得較大提升。

（2）可實(shí)現(xiàn)天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，讓列車在不同位置停靠時(shí)，均可獲得最優(yōu)的傳輸性能；適合段內(nèi)/站內(nèi)靈活部署。

（3）利用波束智能跟蹤技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)列車在低速移動(dòng)時(shí)，保持車載數(shù)據(jù)始終以較高速率回傳而鏈路不中斷。

（4）采用定向傳輸而非傳統(tǒng)扇面天線的廣播式傳輸方式，降低信號(hào)泄露風(fēng)險(xiǎn)。

（5）圖波束賦形定向傳輸，增大系統(tǒng)增益，防信號(hào)泄露。波束越窄，天線的方向性越好，能量越集中。相比傳統(tǒng)天線，提高天線增益20 dB+。

（6）相控陣天線波束賦形后，實(shí)現(xiàn)陣的高指向性窄波束接收，波束之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，提升干擾場景的吞吐量。而傳統(tǒng)天線是寬波束，有干擾可能會(huì)影響整個(gè)扇區(qū)。

3.4 5G技術(shù)演進(jìn)

基于5G技術(shù)打造的開發(fā)平臺(tái)，除上述5G關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用之外，未來還具備持續(xù)演進(jìn)和擴(kuò)展能力，保障產(chǎn)品高質(zhì)量及競爭力領(lǐng)先，持續(xù)為客戶創(chuàng)造價(jià)值。

（1）5G在空口高性能方面的演進(jìn)：通過M UMIMO、OFDMA、頻移補(bǔ)償?shù)让嫦蛭磥淼?G關(guān)鍵技術(shù)，支持更大帶寬和高速移動(dòng)性。

（2）5G在綠色智能組網(wǎng)中的演進(jìn)：小區(qū)自動(dòng)尋優(yōu)切換、密集部署干擾抵消、無傳輸時(shí)設(shè)備自動(dòng)休眠等智能技術(shù)確保綠色、高性能傳輸。

（3）5G在高效運(yùn)維中的演進(jìn)：支持全網(wǎng)可視化管理、車載設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維、自動(dòng)升級(jí)等特性，提升運(yùn)維效率。

3.5 安全特性

通過進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全威脅建模分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)，從物理通道安全、空口接入安全、空口數(shù)據(jù)安全等多個(gè)維度，是網(wǎng)絡(luò)具備很高的空口安全能力。

3.5.1 物理通道安全

60 GHz毫米波頻段具有氧衰大，不易泄露和被入侵的特點(diǎn)?？諝庵械难鯕鈱?duì)V-Band（60 GHz）頻段電磁波有很強(qiáng)的共振吸收作用（每傳播1千米，就有96%的能量被吸收掉），大氣中無處不在的氧氣，對(duì)60 GHz的電磁波就像一個(gè)厚厚的屏蔽層，60 GHz頻段的氧氣衰減達(dá)到20 dB/km（1千米能量衰減到原來的1/100，2千米只有原來的1/10000），導(dǎo)致其無法遠(yuǎn)距離傳輸，這在安全上反而成為其顯著優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)衰減大無法遠(yuǎn)距離傳播，泄露風(fēng)險(xiǎn)小，潛在的入侵者就少。

另外，60 GHz頻段具繞射弱和穿透弱的特點(diǎn)，一本書、一堵墻就能對(duì)其產(chǎn)生很大衰減，這也大大降低了其信號(hào)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

60 GHz頻段與常用頻段隔離度高，不易被干擾。與移動(dòng)通信、Wi-Fi、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波等中國區(qū)常用低頻頻段隔離度高，頻點(diǎn)干凈、不易被干擾。

采用波束賦形技術(shù)，收窄傳輸波束定向傳輸，而不是開放的廣播式發(fā)射，降低信號(hào)被竊聽、捕獲的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5.2 空口接入安全

（1）空口密鑰認(rèn)證。軌旁基站和車載設(shè)備通過預(yù)共享秘鑰鑒權(quán)，軌旁基站和車載設(shè)備必須使用相同的預(yù)共享秘鑰，才能通過鑒權(quán)；之后通過多次握手，動(dòng)態(tài)協(xié)商密鑰完成認(rèn)證，由于密鑰隨機(jī)動(dòng)態(tài)協(xié)商，很難被破解和仿冒。

（2）車載設(shè)備認(rèn)證。軌旁設(shè)備可以將合法的車載設(shè)備身份標(biāo)識(shí)注冊(cè)到白名單列表中，開啟白名單后，即使車載設(shè)備已經(jīng)成功完成空口密鑰認(rèn)證，也無法直接接入網(wǎng)絡(luò)，軌旁設(shè)備將進(jìn)一步啟動(dòng)白名單認(rèn)證機(jī)制，只有在軌旁基站完成白名單身份注冊(cè)的車載設(shè)備，才能接入網(wǎng)絡(luò)。空口密鑰認(rèn)證加上白名單認(rèn)證起到雙重身份認(rèn)證的防護(hù)效果，防止仿冒設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

（3）軌旁基站認(rèn)證。車載設(shè)備也可以根據(jù)軌旁設(shè)備的身份標(biāo)識(shí)進(jìn)行接入，該功能類似軌旁設(shè)備對(duì)車載設(shè)備進(jìn)行白名單認(rèn)證，可有效防止軌旁基站仿冒。

3.5.3 空口數(shù)據(jù)安全

（1）空口加密。采用128位的AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）空口加密方式對(duì)空口數(shù)據(jù)加密傳輸；AES算法，即Advanced Encryption Standard（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)），是業(yè)界公認(rèn)的安全對(duì)稱加密算法，目前112位密碼還在商業(yè)應(yīng)用，而128位的復(fù)雜度是112位的幾萬倍，安全性高。該加密方式降低了空口信息可能被盜取而泄露無線鏈路上傳送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。

加密密鑰動(dòng)態(tài)協(xié)商生成，在軌旁基站和車載設(shè)備之間對(duì)稱傳輸，協(xié)商出來的加密密鑰相同，但針對(duì)不同的車載設(shè)備（1對(duì)多場景），各通道加密密鑰互相獨(dú)立，協(xié)商出來的加密密鑰不同，具有更高安全性。

（2）重傳保護(hù)。當(dāng)雨雪等天氣原因?qū)е滦盘?hào)衰落加大，空口出現(xiàn)誤碼時(shí)，可對(duì)錯(cuò)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，并進(jìn)行重傳，保障空口數(shù)據(jù)可靠傳輸。

（3）管理與業(yè)務(wù)隔離?？湛谒鶄鬏?shù)臄?shù)據(jù)包括管理面數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)，管理面主要用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置、維護(hù)、升級(jí)等；而業(yè)務(wù)面則主要是傳輸鐵路系統(tǒng)需要的車載監(jiān)控等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)備采用VLAN隔離技術(shù)，二者雖然通過共享物理通道傳輸，但隔離之后，管理通道的異常（如受攻擊）不影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，5G毫米波技術(shù)因其大帶寬、多天線、波束賦形、安全性高等特點(diǎn)，在城市軌道交通中的應(yīng)用具有極大的優(yōu)勢(shì)，已被全國多條地鐵線路所采用，實(shí)際使用效果良好，他很好的滿足了車地?zé)o線通信的要求，將在后續(xù)地鐵建設(shè)中得到進(jìn)一步是使用和驗(yàn)證?！?/p>