從服務對象角度，軌道交通移動通信業務可分為行車應用類、運營和維護類、旅客服務類。其中，行車應用類主要包括調度指揮通信、列車運行控制、自動駕駛等行車調度指揮和控制業務；運營和維護類主要包括移動裝備和固定裝備的檢測檢測、養護維修等；旅客服務類包括面向旅客出行、旅客服務、安全保障等通信業務。
無線通信系統的部署通常按區域進行覆蓋，應從應用區域和區段上劃分應用場景，提出對無線通信系統承載能力的要求。軌道交通大體可劃分為正線和站場2類應用場景，2類場景的業務既相互交叉，又有一定的獨立性和差異性。
（1）鐵路正線，主要包括正線車站和區間線路，該場景下的業務主要包括6類。①行車指揮業務：列車調度通信、列車運行控制、列車緊急文本、自動駕駛等；②監測監控業務：車地間視頻監控（IMS）、列車安全防護和預警、列車運行監測檢測、基礎設備設施狀態信息、列車定位、站車間信息交互；③地面基礎設施監測業務：線橋隧、通信信號、電力和供電等專業基礎設施監測檢測信息傳送；④乘客信息服務：主要包括PIS車載媒體業務；⑤列車車內服務和聯絡；⑥養護維修、公共安全、應急通信等。
（2）站場和樞紐，主要包括車站、車輛段等。該場景下，主要為乘客乘降組織、PIS、車站管理和信息傳送、車輛段調車作業和安全監控提供通信服務。
目前，在城市軌道交通領域，列控和自動駕駛、調度通信、列車運行狀態監測、視頻監控（IMS）、乘客信息服務（PIS）為關鍵業務，關係到系統是否具備開通條件。這些業務是移動通信系統承載的核心業務。
根據《LTE-M總體規範 第3部分：綜合承載信息分類與要求》的規定，LTE-M各關鍵業務的帶寬需求如表1所示。
能否滿足以上業務的需求，是衡量軌道交通移動通信系統適用性的基本要求。3.1技術指標
3.1.1 4G LTE技術指標
（1） 可變帶寬：支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz，通過載波聚合技術可以支持更大的帶寬。
（2） 峰值數據速率：300Mb/s（下行）和75Mb / s（上行）。LTE 的後續演進LTE-Advanced的峰值速率可達1Gb/s（下行）和500Mb/s（上行）。
（3）時延：控制面延時為50～100ms，用戶面時延為10ms。
（4）支持終端移動速度：350km/h。
3.1.2 5G 技術指標
（1）可變帶寬：在頻率為6GHz 以下的中低頻段，支持5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz、40MHz、50MHz、60MHz、70MHz、80MHz、90MHz、100MHz ；在高頻毫米波頻段，支持50MHz、100MHz、200MHz、400MHz。通過載波聚合技術可以支持更大的帶寬。
（2）峰值速率：20Gb/s（下行）和10Gb/s（上行）。
（3）時延：控制面時延為20ms，用戶面時延為4ms（eMBB場景）和1ms（uRLLC場景）。
（4）可靠性：在1ms 內發送20位元組數據，傳輸成功率為99.999%。
（5）連接數：100萬用戶/km2（mMTC場景）。
（6）支持終端移動速度：500km/h。
（7）切換中斷時間：0ms。
3.2 關鍵技術
3.2.1 4G LTE 關鍵技術
（1）調製技術。LTE下行採用正交頻分復用技術（OFDM）多載波傳輸,提高了頻譜效率和抗多徑衰落的能力；上行採用SC-FDMA單載波傳輸，以降低信號的峰均功率比。下行調製階數最高可採用256QAM，上行最高可採用64QAM調製，未來具備支持256QAM的能力。信道編碼採用Turbo編碼（數據）和TBCC編碼（控制）。
（2）多天線（MIMO）技術。LTE採用MIMO技術提高系統的傳輸速率。下行最高可採用8×8MIMO；上行最高可採用4×4MIMO。
（3）服務質量（QoS）保障機制。終端與核心網之間的承載支持9種QoS保障等級。不同優先級的承載具有不同的速率、時延、丟包率等指標。支持業務搶佔機制，優先保障高優先級業務的QoS。
3.2.2 5G關鍵技術
（1）調製技術。5G的調製技術與4G LTE類似，區別在於5G上行在eMBB場景下，可採用多載波傳輸CP-OFDM，提高傳輸速率。與4G LTE子載波帶寬固定15kHz不同，5G在中低頻段的子載波寬度為15kHz、30 kHz、60kHz；在高頻段子載波寬度為60 kHz、120 kHz、240kHz，實現5G在不同帶寬、不同場景下的靈活部署。5G上行支持π/2-BPSK和256QAM調製，分別應用於低功耗和高速率場景。5G信道編碼採用LDPC碼（數據）和Polar碼（控制），降低解碼複雜度並提高編碼增益和頻譜效率。
（2）大規模天線陣列（massive MIMO）技術。在低頻段（1GHz以下），最高可採用8×8MIMO；中頻段（1~6GHz）最高可採用64×64 massive MIMO；在高頻毫米波頻段，理論上可支持更多數量的massive MIMO。
（3）新型核心網架構。5G核心網採用基於服務化的架構（SBA），將傳統網元拆分成多個模塊化、軟體化和相互獨立的網絡功能，在通用伺服器上實現網絡功能靈活部署和擴展。此外，實現了控制與用戶面分離。用戶面功能擺脫「中心化」的約束，使其既可靈活部署於核心網，也可部署於接入網或邊緣數據中心，實現網絡架構靈活部署。
（4）切片技術。網絡切片是指在通用硬體基礎設施中切分出多個虛擬的端到端網絡，每個網絡切片在設備、接入網、傳輸網以及核心網方面實現邏輯隔離，以更好地滿足不同業務場景和不同垂直行業用戶的差異化通信需求，如圖4所示。首先將用戶需求映射為網絡切片的性能指標參數，再根據性能指標要求進行資源切片、頻率切片和設備切片等。
（5）邊緣計算（MEC）。MEC將數據中心部署在在基站或其他網絡邊緣節點，使得數據的計算、處理和存儲更加靠近用戶。海量數據可以在本地得到實時、快速處理，減少數據回傳壓力、網絡擁塞和數據傳輸時延，有利於提高網絡安全性和可靠性[9]。截至2018年10月底，全球LTE商用網絡達715個，LTE用戶佔比達到42%。預計2019年底全球LTE商用網絡將達到760～770個。大範圍的部署、眾多的用戶、公網的長期驗證證明LTE是目前最為成熟和穩定的通信系統。5G在滿足公眾高速率大帶寬的需要方面將得到快速發展，面向垂直行業應用的大連接、高可靠、低時延等特性的需求和技術有待研究和明確，技術標準有待成熟，產業支撐尤其是終端的量產和普及還需要一定周期，5G發展絕非一蹴而就。我國公網運營商普遍採用4G LTE與5G協同發展的戰略。其規劃是在大城市和人流量密集的熱點區域部署5G，在郊區、農村和其他非熱點地區利用4G LTE做廣域覆蓋。根據全球移動運營商聯盟（GSMA）於2018年9月發布的評估報告，如圖5所示。2025年全球連接總量中4G LTE佔57%，5G佔15%。需要強調的是，LTE系統部署規模在未來一段時間內仍處於快速上升趨勢，將得到產業鏈的長期支持。可以看出，4G LTE與5G系統將長期共存。4G LTE與5G技術
在軌道交通場景中的適用性分析
列控和自動駕駛、調度通信、PIS和IMS業務是地鐵關鍵業務，假設正線1個小區內最多有四列運行列車，基於表1業務帶寬需求，4列車同時開展相關業務，其中2列車打開視頻監控，所需的數據量如表2所示。5.2 無線頻率分配
無線電頻譜資源是不可再生自然資源，由國家工信部統一分配。
無線電頻率越低，其繞射能力越強，傳播距離越遠；同時都卜勒頻移小，適合移動場景使用尤其是中高速移動場景。考慮到建網經濟性，減少沿線站點數量，軌道交通一般選擇中低頻段作為鐵路正線連續廣覆蓋區段的工作用頻。然而，中低頻段的缺點是頻率資源少，而且大多已經被分配。
我國地鐵LTE-M使用的1.8GHz頻段共有20MHz帶寬資源，但考慮到與其他行業的兼容並存，一般僅能分配10~15MHz帶寬。在軌道交通可能獲取的有限頻率資源條件下，5G專網難以充分發揮其技術優勢。
目前，我國5G系統規劃分配採用2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz頻段。另外，毫米波頻率（30~300GHz）資源豐富，也是5G未來發展的方向。高頻段的優勢是頻率資源豐富，但傳播特性差。
5.3 服務質量指標
以下對5G和4G LTE用於軌道交通場景的系統服務質量技術指標進行對比。
5G和4G LTE均採用OFDM。由於OFDM頻譜效率高，進一步提升難度大，因而5G主要利用可調製更寬的頻段（100MHz以上）、大規模天線陣列（64×64及以上）實現的波束賦形和多入多出等技術，大幅提高系統吞吐量。此外，由於軌道交通專用頻率資源有限、中低頻段的天線尺寸和重量大等問題，5G中增加系統容量的主要關鍵技術在軌道交通專用頻段難以發揮作用。
根據3GPP在2018年12月發布的技術報告TR 37.910的相關數據，下面對4G LTE與5G系統在同等條件下的服務質量進行對比。
5.3.1頻譜效率
軌道交通移動通信系統上行鏈路速率是系統的瓶頸。設定子載波間隔15kHz、最高調製階數256QAM、雙工方式為TDD，頻率帶寬為10MHz，在以上條件下，4G LTE與5G系統上行鏈路歸一化頻譜效率如圖6所示。
在靜態條件下， 5G相對4G LTE的上行鏈路頻譜效率提高20.9%；在120km/h速度條件下，5G相對4G LTE的上行鏈路頻譜效率僅提高0.7%。這意味著，在軌道交通移動通信專用頻率有限的條件下，尤其是在列車中、高速移動場景下，車地間通信採用5G相比4G LTE所能帶來的數據傳輸速率的提升微乎其微。圖7為3GPP TR 37.910技術報告中對4G LTE與5G用戶數據傳輸空口的時延對比，5G比4G LTE快1ms左右。5G為滿足低時延場景要求，主要利用本地交換、終端之間直通模式、邊緣計算等技術，避免了數據經過長途傳輸到核心網交換帶來的時延，同時結合可變幀長等技術，使得數據端到端傳輸時延指標接近空口時延。
對於軌道交通，調度通信類、列車控制類、PIS和IMS等關鍵核心業務，均需要和調度指揮中心進行通信。例如，調度通信要和調度臺、車站臺通信，列控和自動駕駛業務時車載設備需要與列控中心通信，PIS和CCTV也需要和中心伺服器設備通信。這些業務數據傳輸時延應在空口延時的基礎上，增加到核心網的傳輸和交換時間。以CBTC數據業務為例，實測的LTE承載CBTC業務數據平均環回時延為32～43ms，折合為單向傳輸平均時延為16~22 ms。
因而，對於軌道交通現有的關鍵、核心應用業務均需要和調度指揮中心通信，5G比4G在空口節約的1ms延時是微不足道的。同時，既有地鐵業務對傳輸時延的要求並沒有如此敏感。
未來隨著車車通信技術的發展，5G提供的邊緣計算、直通模式和低時延技術，或許能夠發揮出更大的作用。
5.4產業支撐
5G雖然已經商用，但是由於標準制定工作尚未完全完成，直接影響設備定型，尤其是行業終端設備距離大規模商用還有一定差距。目前僅有CPE可用，面向用戶的手機等移動終端尚未批量投入商用市場。
根據4G發展的經驗，從標準到商用經歷了5年時間。完整的5G標準預計2021年底頒布，公網運營商5G系統要形成端到端完整、成熟的產業鏈支撐，至少是2021年以後的3~5年。
當前一段時期內，供貨商工作重點在公網運營商5G設備的研發和供貨，能夠投入軌道交通行業的5G專網系統設備研發的資源有限。
對於軌道交通行業，產業支撐與所分配的頻率直接相關，目前沒有可用的5G專網頻率。即使將來分配了專用頻率用於軌道交通行業的5G系統，形成軌道交通專用頻率產業支撐也需要一定周期。
5.5 經濟性
決定系統經濟性主要有2個方面的因素：一是設備布設密度，二是設備單價。
目前，5G系統採用的主流頻率遠高於軌道交通1.8 GHz專用頻率。高頻段電磁波路徑損耗大，且須視距傳播，傳播路徑阻擋形成的陰影效應明顯。為實現良好信號的覆蓋，基站布設密度進一步加大，不僅帶來了基站設備數量增加，基站選址難度、配套光纜、供電和傳輸設備數量也將增加。
在隧道等特殊地段，由於傳統漏洩同軸電纜技術無法支持高頻段信號傳輸要求，需要使用昂貴的波導管或等電平漏纜等方式延伸信號覆蓋，將進一步提高工程造價。
由於5G剛剛步入商用階段，根據中移動產業研究院專業人士的預測，5G基站設備成本是4G基站設備的3.5~4倍。隨著商用市場規模的增加，需經過一定的時間周期，設備價格才會逐步下調。此外，5G基站的耗電量也要高於4G基站。
綜上所述，當前階段採用5G系統的造價要要遠高於4G系統。
由於國家分配給軌道交通使用的無線電頻率帶寬有限，不能全面滿足智能化應用需要，應綜合利用公、專網資源，根據正線、車站和車輛段等不同應用場景和業務需求，選擇適合的通信方式，實現軌道交通移動裝備、固定基礎設施、運營和維護人員的泛在互聯。
6.1點、線結合差異化發展
正線區段：由於涉及到列車調度指揮、列車控制等安全業務，應立足於採用4G成熟技術構建LTE-M系統，實現統一制式、全程全網。
車輛段和車站熱點區域：車輛段是車輛密集地區，車站是人員密集區域，均屬於通信熱點。這些區域存在大量與行車無關的本區域業務，與正線業務相對獨立，可採用多種通信方式進行承載，如Wi-Fi，數字對講，5G技術、毫米波通信等多種技術解決。
6.2專網與公網結合發展
以LTE-M專網為主體網絡，綜合承載調度通信、列車運行控制、PIS和IMS等關鍵核心業務。
對於車載狀態監測、高清視頻傳輸、地面基礎設施監測和檢測、經營服務等大容量或大連接的非行車相關業務，採用公網4G或5G網絡進行承載，是解決軌道交通移動通信頻率資源短缺的重要手段。
6.3積極跟蹤5G行業應用創新發展
5G改變社會將主要體現在行業應用，有利於提高整個社會的生產力。
5G提供了網絡切片、邊緣計算、大連接物聯網、低時延高可靠等創新技術，為軌道交通行業應用提供了技術可行性。
目前，公網運營商也在積極探索行業應用的模式。受限於頻率資源和技術標準不完善，當前發展軌道交通5G專網的可行性較小。應積極跟蹤研究，挖掘公網5G技術在軌道交通領域的應用和發展。在應用和發展過程中，還需要考慮以下幾方面問題。
（1）建網規劃與協調。公網運營商的5G網絡主要規劃用於城市核心區和熱點地區。對於延伸到郊區和農村市域鐵路、城際鐵路，公網是否能夠按照軌道交通的規劃在鐵路沿線建設5G網絡以及在沒有大量用戶的情況下這些區段的建網成本如何分攤。基於以上問題，實現公網5G建網規劃與軌道交通規劃完全協調一致，存在一定難度。
（2）網絡和信息安全。公網5G系統將提供給公眾用戶和相關行業用戶共享，有利於提高網絡利用率，降低單位用戶的使用成本，同時公網5G與網際網路連接，對於軌道交通專業應用和數據來說，存在網絡和信息安全風險。目前，5G切片技術主要是對頻率、信道和設備的資源切片。共享條件下的網絡和信息安全，需要進行系統性解決。
（3）專用功能適用性。軌道交通業務涉及集群組呼、基於位置的尋址、基於功能角色的尋址、多優先級搶佔及強拆等專用業務功能。在5G系統上實現這些功能，還需要進行定製開發。在全IP網絡架構下，建議遵循應用與系統解耦的方式，使得專用功能不依賴具體的網絡制式，實現兩者的分層分離、獨立演進。
（4）資產劃分和維護。5G網絡由公網運營商建設，其設備資產應歸公網運營商所有，維護工作應由公網運營商完成，其維護工作同時面向公網用戶和行業用戶，這2類用戶對於網絡的服務質量、維護要求完全不同。依靠現有的公網運營商維護體制和人員隊伍無法達到軌道交通對網絡維護的要求。能否利用自己的專業維護力量對公網系統設備進行維護，公網運營商的維護體制和人員能否按照軌道交通的要求進行完善，以及雙方的工作界面劃分等問題，需要進一步的研究和探討。
此外，運營維護數據的管理和劃分也需要研究確定，包括哪些數據是支撐通信網絡運維需要的，哪些數據是支撐軌道交通各業務應用運維需要的，誰為主體進行數據管理和分析等。
發展智能軌道交通，移動通信無疑是最為重要的基礎支撐條件之一。
頻率資源始終是軌道交通移動通信發展需要考慮的首要因素。在沒有大帶寬資源的條件下，通過對4G、5G的技術特性對比分析，現階段構建軌道交通5G專網在技術和經濟性上均沒有明顯優勢。
由於可靠性和安全性等特殊要求，在現有條件下，軌道交通移動通信系統應立足於採用技術和標準成熟、產業支撐良好的LTE-M通信技制式構建專網。在此基礎上，熱點地區可以發展多種技術制式。
應積極跟蹤5G技術行業應用的發展動態，在解決網絡和信息安全的基礎上，未來可利用公網5G作為行業應用的有益補充，解決軌道交通移動通信的瓶頸問題。還需要積極探索構建新型生產關係，以適應5G技術在行業應用中帶來的建網、維護等問題。
新技術的發展和換代，會帶來新的發展契機，應緊密結合軌道交通的特點，應對新形勢、新動態，積極推動軌道交通移動通信技術和產業的發展和壯大。
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