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。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，快来了解一下。

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、自动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测检测、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。

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：车地间视频监控（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、视频监控（IMS）、乘客信息服务（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》的规定，LTE-M各关键业务的带宽需求如表1所示。

3.1技术指标

3.1.1 4G LTE技术指标

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

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

（3）时延：控制面延时为50～100ms，用户面时延为10ms。

（4）支持终端移动速度：350km/h。

3.1.2 5G 技术指标

（1）可变带宽：在频率为6GHz 以下的中低频段，支持5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz、40MHz、50MHz、60MHz、70MHz、80MHz、90MHz、100MHz ；在高频毫米波频段，支持50MHz、100MHz、200MHz、400MHz。通过载波聚合技术可以支持更大的带宽。

（2）峰值速率：20Gb/s（下行）和10Gb/s（上行）。

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

（4）可靠性：在1ms 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：500km/h。

（7）切换中断时间：0ms。

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256QAM，上行最高可采用64QAM调制，未来具备支持256QAM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8×8MIMO；上行最高可采用4×4MIMO。

（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15kHz不同，5G在中低频段的子载波宽度为15kHz、30 kHz、60kHz；在高频段子载波宽度为60 kHz、120 kHz、240kHz，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256QAM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（1GHz以下），最高可采用8×8MIMO；中频段（1~6GHz）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。

（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”的约束，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。

（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。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。

5.2 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1.8GHz频段共有20MHz带宽资源，但考虑到与其他行业的兼容并存，一般仅能分配10~15MHz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2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz频段。另外，毫米波频率（30~300GHz）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（100MHz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15kHz、最高调制阶数256QAM、双工方式为TDD，频率带宽为10MHz，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。

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32～43ms，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专用频率。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系统的造价要要远高于4G系统。

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，应综合利用公、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。

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通信技制式构建专网。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。