基于3.5GHz频段的5G新空口系统在海南环岛高铁的应用前景研究

童 伟，宋春凤

（海口经济学院网络学院，海口 570127）

0 引言

自4G（第四代移动通信系统）逐渐普及之后，5G已经成为通信行业的研究热点，中国使用3.5GHz频段中的200MHz频谱进行了5G测试。在未来几年的标准和频率规划方面，预计5G测试将进一步推动5G标准的发展和产业链的成熟。与此同时无线通信理论和技术迅速发展并在高铁和轨道交通领域得到了广泛的应用，包括：3.5GHz频段的5G新空口系统、CBTC（基于通信的列车控制）、乘客向导、广播和视频监控。

由于5G技术在高速铁路中的应用无法采用公网网络频段，类似于4G-LTE在高速铁路和轨道交通中的应用，还需要特殊的频段。因此，高速铁路和轨道交通行业在申请合法频率后会与国家无线电监管机构进行沟通，需要提前做相关的应用研究和测试。

1 基于3.5GHz频段的5G技术的高带宽特点

基于3.5GHz频段的5G技术具有足够的带宽，可以为岛上的高速火车应用提供全面的业务服务。从需求的角度来看，无论是CBTC，无线火车，PIS和火车运输数据，通常都包括两种类型的信息：安全数据和非安全数据。安全数据所需的数据量不大，但有严格的延时、可靠性约束；非安全数据等信息则需要较大的带宽，3.5GHz频段的5G技术高带宽特点可以较好地满足。因此，需对车地无线传输资源进行有效的整合和合理的分配（如图1），尤其是针对不同的业务，提供不同等级的服务，充分利用无线通信资源。

图1 环岛高铁交通的车地通信应用

2 环岛高速列车通信业务

2.1 安全相关的业务

主要负责列车的安全运行。典型的基于安全服务需要最高的安全等级（SIL4），低带宽（小于每车1kb/s），严格的延时约束（最坏情况下的延时为500-800ms），通信模式通常采用实时可变速率（RT-VBR）；话音呼叫需要业务需要64Kb/s（取决于编码器），且最大的抖动为30ms。

2.2 非安全业务

包括与安全无关的各种服务，如CCTV、乘客信息、远程维护及感知等；为乘客提供互联网接入及其它通信业务。

安全业务对可靠性、可用性、时效性及信息安全有很强的要求；无线电话属于公共安全领域（包括组呼，功能性寻址，设备与设备的通信等）；部分非安全业务对带宽有很高的要求；互联网接入服务要求能提供在高速运行条件下的接入服务，如350km/h运行情况下的接入服务。

3 环岛高铁交通无线通信需求分析

3.1 频段选择

5G没有针对频点的国际标准，但通常使用毫米波段。低功率设备通常用于频带内的无线电信号传播，隧道的通信距离通常为100-200 m，并且接入设备的放置和铁路运输通信系统的维护也存在问题。尽管波导技术可用于微波频带，但它具有出色的传播特性，但在设计，成本和维护方面仍在研究许多问题。

在3.5 GHz频带中，将200 MHz频谱用于5G测试。根据香农定律，5G技术的高带宽需要频谱宽度来支持它。 2016年，工业和信息化部批准了3.4-3.5GHZ频段5G系统技术的开发和测试。与低于6GHz的频谱相比，毫米波频谱不仅非常丰富，而且使用过程涉及到许可证很少，并且仍在讨论针对特定5G频率的全面国际计划。在3.5 GHz频带中，200G频谱用于5G测试。在未来几年中，预计5G测试将进一步促进5G标准的发展和产业链的成熟。（如图2）

图2 基于3.5GHz频段-200MHz频谱测试

3.2 覆盖方式

覆盖5G使用毫米波和Massive MIMO技术，目前不支持在高速铁路交通中使用的泄漏同轴电缆和波导。在获得合法频谱之后，有必要根据频率情况采用适当的无线电范围方法。

大规模MIMO技术：根据频率条件采用适当的无线电范围方法，大规模MIMO阵列技术可以在相同的时频资源上同时为多个用户提供更多信息。对于MIMO天线的许多功能，提高了小区容量和更快的数据下载速度。考虑到频率资源的严格情况，5G移动通信使用高频特别是毫米波频段，在此频率范围内频谱资源众多且连续带宽较大。

3.3 5G系统相对应的接口标准化

SDN分离了网络控制平面和承载，而NFV分离了现有的专用硬件设备，虚拟化了网元功能，并加快了5G原型和商业产品开发阶段。基于对高速铁路应用场景的分析，各种业务应用都有与5G系统相对应的接口，例如Zigbee，RF，

RS232/RS485等。为了使接口标准化并考虑传输网络接口问题，必须配置相关协议。

5G新空中接口技术的商用化解决了接口标准化的问题。端到端5G新型空中接口系统在3.5GHz频段上运行，并支持100MHz的大带宽，OFDM参数配置、先进的新型信道编码与调制方案和低延迟的独立框架结构可以有效的实现每秒数单用户Gbit级传输速率，并且可以满足高速铁路内的各种业务应用。

4 基于5G在环岛高铁交通安全性方面的措施

用于岛上高速铁路运输的列车控制系统CBTC使用物理上独立的列车对地面传输方法，地面传输网络隔离，以尽可能地确保列车控制的安全性。在物理级别上，通常采用（如图3）所示的双重覆盖范围来确保车辆与地面通信的可靠性。5G的安全措施提出主要通过非物理隔离虚拟隔离技术来满足列车控制系统的要求，以确保安全性和不同的服务水平要求。

图3 物理层采用双覆盖，以确保可靠性

高速铁路安全服务可安全通信的基础采用虚拟耦合（Vitual Couple）实现。列车可在较短的时间间隔内（甚至比刹车距离还要短的时间间隔内行驶），因为实际上列车是超可靠的实时通信无线连接，每一个列车都有相同的数据（速度，刹车，mands等）。就像一列火车，但它们之间的耦合只是虚拟的。这还是一个概念，还没有现实，但它可帮助铁路提升运输效率，因为虚拟列车仅占据一个时隙（Slot），这就提出了安全的V2V（车车通信）的要求。

5 结束语

充分使用3GPP标准的端到5G新空口商用基站、新空口终端设备系统成熟条件，采用3.5GHz频段利用200MHz频谱，进行环岛高铁通信网络应用前景研究，无论标准还是频点规划角度出发，在频谱利用、宽带和移动性等方面不仅能改善了现有的海南高速铁路移动通信系统的性能和质量，同时也对促进环岛高速铁路交通智能化和自动化具有重要的意义。