淺談軌道交通5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)方案

寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 浙江 寧波 315000

1 前言

2013年4月由工信部、發(fā)展改革委、科技部共同成立IMT-2020標(biāo)準(zhǔn)組織，推動(dòng)5G 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展[1]。5G通信在傳輸速率、傳輸距離、傳輸安全性等方面都優(yōu)于4G通信技術(shù)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)軌道交通正飛速發(fā)展，特別是在安全、可靠、舒適及便利四個(gè)方面提出更高的要求。在城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)備中，通信系統(tǒng)主要承載列車(chē)運(yùn)行信息、綜合監(jiān)控信息以及PIS等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。隨著全自動(dòng)駕駛技術(shù)的運(yùn)用，乘客服務(wù)需求的提高，城市軌道交通的通信技術(shù)也提出了新的需求。

2 5G通信關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G的三大場(chǎng)景[2]：e MBB(增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)，m MTC(大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng))，URLLC(超高可靠超低時(shí)延通信)，三大場(chǎng)景分別在VR/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、無(wú)人駕駛/工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù)上應(yīng)用。5G場(chǎng)景應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，歸功于其十大主要關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型多址、新型多載波、先進(jìn)調(diào)制編碼、終端直通技術(shù)、靈活雙工、全雙工、頻譜共享[3]。5G的高速率、低時(shí)延、高可靠性及大帶寬優(yōu)勢(shì)，為軌道交通場(chǎng)景應(yīng)用提供技術(shù)支持，尤其能夠滿(mǎn)足軌道交通通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)、大業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑫r(shí)5G網(wǎng)絡(luò)自身具有的智能化優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署節(jié)能有效性[4]，并通過(guò)采用綠色通信方案，實(shí)現(xiàn)能耗降低[5]。

3 5G場(chǎng)景在軌道交通應(yīng)用

采用5G技術(shù)構(gòu)建智慧運(yùn)營(yíng)體系的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道，構(gòu)建從基礎(chǔ)設(shè)施層、能力平臺(tái)層到智慧應(yīng)用層的一體化平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能感知、智能聯(lián)動(dòng)、智能分析的能力，支撐上層運(yùn)營(yíng)、服務(wù)、運(yùn)維三大場(chǎng)景。同時(shí)基于5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬技術(shù)，建立“車(chē)-地”通信高速通路，實(shí)現(xiàn)車(chē)載信號(hào)數(shù)據(jù)下載、車(chē)載視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用；依托5G網(wǎng)絡(luò)廣連接特性，對(duì)信號(hào)、通信、機(jī)電、供電、車(chē)輛、工務(wù)等多專(zhuān)業(yè)設(shè)備統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)跨專(zhuān)業(yè)的故障診斷、數(shù)據(jù)分析管理等創(chuàng)新應(yīng)用；引入5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延技術(shù)，將人工智能和計(jì)算能力前置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、列車(chē)控制的實(shí)時(shí)處理，為列車(chē)自動(dòng)駕駛提供穩(wěn)定、安全無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持。為此本文將從軌道交通5G組網(wǎng)的方式進(jìn)行分析對(duì)比，探究5G網(wǎng)絡(luò)可行性。

4 5G組網(wǎng)方案分析

4.1 獨(dú)立自建 軌道交通獨(dú)立自主建議一張網(wǎng)，區(qū)別在于垂直民用通信行業(yè)，獨(dú)立自建一張從核心網(wǎng)到無(wú)線接入網(wǎng)的端到端5G專(zhuān)網(wǎng)，可以與運(yùn)營(yíng)商的5G公網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)完全的物理隔離。如下圖所示：

圖1 獨(dú)立組網(wǎng)圖

5G網(wǎng)絡(luò)主要由UDM、5GCCP、UPF、MEC和g NB組成，其中：

(1)UDM(統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)，管理用戶(hù)數(shù)據(jù)，包括用戶(hù)標(biāo)識(shí)、用戶(hù)簽約數(shù)據(jù)、鑒權(quán)數(shù)據(jù)等；

(2)5GCCP(5G核心網(wǎng)控制面)，5G核心網(wǎng)控制面包括AMF、SMF等多種功能，本文簡(jiǎn)化統(tǒng)稱(chēng)為控制面，其主要負(fù)責(zé)處理連接管理、會(huì)話(huà)管理、移動(dòng)性管理，承載信令或控制消息；

(3)UPF(用戶(hù)面功能)，指5G核心網(wǎng)的用戶(hù)面，承載數(shù)據(jù)流量，負(fù)責(zé)在無(wú)線接入網(wǎng)和Internet之間轉(zhuǎn)發(fā)流量、報(bào)告流量使用情況、QoS策略實(shí)施等；

(4)(4)MEC(多接入邊緣計(jì)算)，5G核心網(wǎng)用戶(hù)面UPF下沉與MEC可組成邊緣節(jié)點(diǎn)，將千里之外的云計(jì)算能力下沉到靠近數(shù)據(jù)源的邊緣，讓數(shù)據(jù)在本地就能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和處理，從而可降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，更好的保護(hù)本地?cái)?shù)據(jù)的安全性和隱私性，使能各種5G專(zhuān)網(wǎng)應(yīng)用；

(5)g NB，為5G基站，其劃分為CU、DU和RU三部分：CU，中央單元，處理RRC、PDCP等高層協(xié)議，負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)的配置和控制決策；DU，分布式單元，處理對(duì)實(shí)時(shí)性較高的層2功能和部分物理層功能；RU，天線單元，指部分物理層和RF、天線部分。

其中，CU可采用云化部署方式，可以與核心網(wǎng)UPF和MEC融合部署。DU/RU通過(guò)F1接口連接CU。

圖2 5G基站架構(gòu)圖

建立獨(dú)立5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)：該方式所建成專(zhuān)網(wǎng)可以充分保障專(zhuān)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及樹(shù)的安全性及可靠性，專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)過(guò)程具備高度自主性，同時(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)如下：

(1)國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)目前對(duì)于軌道交通并無(wú)授權(quán)5G專(zhuān)用頻段；

(2)原1.8G行業(yè)專(zhuān)用通信網(wǎng)【1785-1805 MHz頻段時(shí)分雙工(TDD)】頻寬無(wú)法保證地鐵軌道交通場(chǎng)景下各種設(shè)備接入及專(zhuān)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)主要設(shè)備廠家暫無(wú)設(shè)備及相關(guān)5G模組支持，存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；

(3)其他非授權(quán)或共享頻段部署5GNR受限于3GPP

R16版本凍結(jié)推遲，目前產(chǎn)業(yè)環(huán)境不成熟，存在法規(guī)及商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 基于運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)5G頻段建設(shè)軌道交通5G專(zhuān)網(wǎng) 與獨(dú)立自建類(lèi)似，主要區(qū)別在于采用的頻率資源不是5G專(zhuān)網(wǎng)頻段，而是運(yùn)營(yíng)商的5G頻段，由運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)。目前暫無(wú)業(yè)界相關(guān)案例作為參考，軌道交通如需在建設(shè)專(zhuān)網(wǎng)時(shí)采用該種方式，在與運(yùn)營(yíng)商溝通談判頻段使用及談判時(shí)，存在一定商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及法規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 與運(yùn)營(yíng)商共建5G專(zhuān)網(wǎng)，共用運(yùn)營(yíng)商接入網(wǎng) 通常由軌道交通自建核心網(wǎng)，并與運(yùn)營(yíng)商共建共享無(wú)線接入網(wǎng)。與運(yùn)營(yíng)商合作，租用運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的無(wú)線接入基站及傳輸匯聚網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)經(jīng)由運(yùn)營(yíng)商基站接入并匯聚到自建核心網(wǎng)或MEC。如下圖所示：

圖3 共建5G專(zhuān)網(wǎng)架構(gòu)圖

共建5G專(zhuān)網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：專(zhuān)網(wǎng)接入層共用運(yùn)營(yíng)商接入網(wǎng)，建設(shè)成本花費(fèi)交少。同時(shí)也存在一些不足，行業(yè)用戶(hù)數(shù)據(jù)上下行傳輸都要經(jīng)由運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，對(duì)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量有一定要求。在項(xiàng)目建設(shè)及后期改造升級(jí)、維保中，需依賴(lài)運(yùn)營(yíng)商，缺少一定的自主性。

4.4 租用運(yùn)營(yíng)商的5G切片 軌道交通租用運(yùn)營(yíng)商5G公網(wǎng)的一張或幾張端到端網(wǎng)絡(luò)切片，從UDM、5GCCP、UPF、MEC到5G基站，包括控制面和用戶(hù)面，5G專(zhuān)網(wǎng)與公網(wǎng)端到端共享，完全不用自建網(wǎng)絡(luò)。由運(yùn)營(yíng)商根據(jù)行業(yè)用戶(hù)需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行重組。重組是根據(jù)SLA(服務(wù)等級(jí)協(xié)議)為特定的通信服務(wù)類(lèi)型選擇所需的虛擬和物理資源，包括用戶(hù)數(shù)、QoS、帶寬等參數(shù)。運(yùn)營(yíng)商基于5G公網(wǎng)，為5G專(zhuān)網(wǎng)端到端切出一個(gè)“切片子網(wǎng)絡(luò)”。

5G網(wǎng)絡(luò)切片優(yōu)點(diǎn)：在這種部署方式下，用戶(hù)信息和數(shù)據(jù)流量的安全性取決于網(wǎng)絡(luò)切片能力。而低時(shí)延保障取決于運(yùn)營(yíng)商的邊緣云(UPF和MEC)的部署位置。5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)圖如下所示：

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)圖

5G網(wǎng)絡(luò)切片缺點(diǎn)：該種方案前期建設(shè)投入低，完全依賴(lài)運(yùn)營(yíng)商包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)在內(nèi)的整套網(wǎng)絡(luò)。在城市軌道交通這樣高流量高密度的使用場(chǎng)景下，大量普通公眾用戶(hù)與專(zhuān)網(wǎng)用戶(hù)同時(shí)接入，可能導(dǎo)致隨機(jī)接入擁塞問(wèn)題，存在專(zhuān)網(wǎng)客戶(hù)無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)。另外，專(zhuān)網(wǎng)的設(shè)備采購(gòu)、建設(shè)施工、日常維護(hù)由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)，行業(yè)用戶(hù)自主性低，若采用網(wǎng)絡(luò)租用模式，長(zhǎng)時(shí)間跨度下的投資較高。

5 總結(jié)

軌道交通5G專(zhuān)網(wǎng)選擇哪種方式來(lái)建設(shè)，主要根據(jù)自身需求而定。軌道交通作為城市公共交通中的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)大量運(yùn)力，專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)場(chǎng)景僅限于車(chē)站站廳、臺(tái)，軌道線路及指揮中心，覆蓋范圍較小。然而其中涉及到的車(chē)輛班次、乘客信息以及站線管理信息對(duì)保密以及數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求非常高。如果要保障絕對(duì)的所有權(quán)和控制權(quán)，建議選擇獨(dú)立自建的方式，但在目前階段獨(dú)立自建方案存在無(wú)頻段可用且無(wú)主設(shè)備廠家支持，或是原有頻段帶寬不足以滿(mǎn)足5GNR部署要求的情況。軌道交通專(zhuān)網(wǎng)選擇與運(yùn)營(yíng)商合作，選擇在多個(gè)站線實(shí)施中能夠依靠規(guī)模優(yōu)勢(shì)降低總體建設(shè)成本，保障投資收益。