公專融合5G車地?zé)o線通信系統(tǒng)

李 輝，張新波

(1.中信科移動(dòng)通信技術(shù)有限公司，武漢 430205； 2.武漢虹信科技發(fā)展有限責(zé)任公司，武漢 430205)

0 引 言

當(dāng)前城市軌道交通中的無(wú)線通信體系按專業(yè)劃分主要包括：列車自動(dòng)運(yùn)行通信控制(Communication Based Train Control, CBTC)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System, PIS)、車輛視頻監(jiān)控(Closed-Circuit Television, CCTV)系統(tǒng)以及其他集群和專用通信系統(tǒng)等。這些專業(yè)涉及不同部門，采用不同技術(shù)體制，使用不同無(wú)線頻段，需要獨(dú)立投資建設(shè)及維護(hù)管理。

在專網(wǎng)頻段申請(qǐng)日趨困難的情況下，很多城市只能使用較小帶寬(5～10 MHz)重點(diǎn)保障CBTC系統(tǒng)業(yè)務(wù)，而CCTV和集群調(diào)度指揮等專門業(yè)務(wù)還無(wú)法擺脫傳統(tǒng)的多網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式。

在第五代移動(dòng)通信技術(shù)(The 5th Generation Mobile Communication Technology，5G)標(biāo)準(zhǔn)趨于成熟和產(chǎn)業(yè)鏈加速發(fā)展的背景下，由于5G有著大帶寬和高速率的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、支持海量連接的大規(guī)模機(jī)器通信(massive Machine Type of Communication, mMTC)以及穩(wěn)定可靠和低時(shí)延(ultra-Relaible and Low Latency Communication , uRLLC)特性，那么在緩解PIS/CCTV高清多路視頻傳輸?shù)膸捚款i、隧道環(huán)境監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集及列車運(yùn)行控制等方面，如何應(yīng)用5G技術(shù)推動(dòng)城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)革新和應(yīng)用服務(wù)升級(jí)，同樣也是一個(gè)值得探索的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[1-2]。

1 公專融合5G車地?zé)o線通信系統(tǒng)方案

原有的第四代移動(dòng)通信技術(shù)(The 4th Generation Mobile Communication Technology, 4G)網(wǎng)絡(luò)因受頻段限制而無(wú)法兼顧專門業(yè)務(wù)和綜合承載業(yè)務(wù)的服務(wù)，本方案將在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)應(yīng)用模式等方面探索如何以5G技術(shù)為載體，更好地服務(wù)于軌道交通行業(yè)專門應(yīng)用，保障軌道專網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全性，從而提升軌道交通專網(wǎng)服務(wù)水平[3]。

本方案利用4G軌道1.8 G專網(wǎng)，通過軟件升級(jí)方式將現(xiàn)有4G專網(wǎng)升級(jí)為支持5G非獨(dú)立(Non-Standalone, NSA)組網(wǎng)技術(shù)的增強(qiáng)型4G專網(wǎng)?；?G運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)基站，使用基站資源共享方式，利用5G基站的大帶寬，承載軌道交通專網(wǎng)的PIS和CCTV系統(tǒng)等大帶寬業(yè)務(wù)及集群和隧道監(jiān)控等其他業(yè)務(wù)[4]。其中CBTC為列車控制信號(hào)，其重要性和優(yōu)先級(jí)最高，其方案要求雙網(wǎng)冗余，所以本方案利用4G專網(wǎng)作為CBTC業(yè)務(wù)的主網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)作為承載CBTC業(yè)務(wù)的備份網(wǎng)絡(luò)。PIS和CCTV系統(tǒng)等屬于綜合承載業(yè)務(wù)，其重要性和優(yōu)先級(jí)次之。隨著車輛的增加以及CCTV系統(tǒng)攝像頭的高清化，4G 長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)技術(shù)上行帶寬受限越來越明顯，5G公網(wǎng)會(huì)極大地補(bǔ)充4G軌道交通專網(wǎng)的大帶寬傳輸需求。圖1所示為公專融合5G車地?zé)o線通信系統(tǒng)方案圖。

本方案的地鐵業(yè)務(wù)方案之一為控制面共享切片部署，其業(yè)務(wù)路徑與公網(wǎng)物理隔離、公網(wǎng)控制網(wǎng)元共享，用戶平面功能(User Plane Function，UPF)下沉，包括接入和移動(dòng)管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能(Unified Data Management，UDM)、認(rèn)證服務(wù)功能(Authentication Server Function，AUSF)和策略控制功能(Policy Control Function，PCF)等網(wǎng)元。圖2所示為專網(wǎng)控制面信令和用戶面數(shù)據(jù)流，如圖所示，控制信令順序?yàn)橛脩粼O(shè)備(User Equipment，UE)—5G基站(Generation NodeB，gNB)—AMF(UDM/AUSF/網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能(Network Slice Selection Function，NSSF)/網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能(Network Repository Function，NRF))—會(huì)話管理功能(Session Management Function，SMF)(PCF/NRF)—UPF；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)UE(僅訪問專網(wǎng))—gNB—UPF—地鐵網(wǎng)。公網(wǎng)進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)管理和身份鑒權(quán)處理等管理，保存用戶簽約數(shù)據(jù)和協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)會(huì)話相關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等信息。用戶面的數(shù)據(jù)可根據(jù)要求進(jìn)行軟或硬加密等處理，以保障地鐵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性，運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一對(duì)公網(wǎng)和專網(wǎng)UPF設(shè)備進(jìn)行資源管理和運(yùn)營(yíng)[5]。

圖1 公專融合5G車地?zé)o線通信系統(tǒng)方案

圖2 專網(wǎng)控制面信令和用戶面數(shù)據(jù)流

本方案采用創(chuàng)新的1.8 G NSA組網(wǎng)架構(gòu)，利用4G 1.8 G專網(wǎng)作為4G的主基站，5G公網(wǎng)基站作為輔基站，其中具體采用NSA option 3X架構(gòu)。需將4G專網(wǎng)核心網(wǎng)小幅升級(jí)為NSA雙連接，4G基站升級(jí)為支持X2的R15協(xié)議雙連接，TAU升級(jí)為支持1.8 G LTE+3.5或2.6 G雙連接。由于運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)需要同時(shí)承載5G公網(wǎng)業(yè)務(wù)和地鐵業(yè)務(wù)，本方案采用靜態(tài)結(jié)合動(dòng)態(tài)資源劃分的方式分配5G 新空口(New Radio，NR)的空口資源。隧道內(nèi)部部署雙漏纜用于支持兩天線多入多出 (Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO)，露天區(qū)域采用極化天線進(jìn)行覆蓋[6]。

2 方案搭建

2.1 4G專網(wǎng)基站

目前國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)參與構(gòu)建數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(Data Communication System, DCS)信號(hào)系統(tǒng)的LTE設(shè)備一般采用分布式基站組網(wǎng)方式(如圖3所示)，可通過軟件升級(jí)支持5G NSA Option 3X方式組網(wǎng)。其中BBU負(fù)責(zé)基帶信號(hào)的處理， RRU負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的處理，兩者之間通過光纖傳輸進(jìn)行拉遠(yuǎn)。RRU設(shè)備既可安裝在地鐵車站設(shè)備機(jī)房，也可安裝在隧道內(nèi)部，覆蓋地鐵列車運(yùn)行軌道，其采用1 785～1 805 MHz專網(wǎng)頻段，承載CBTC系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)和PIS等綜合承載業(yè)務(wù)。

圖3 分布式基站組網(wǎng)方式

通過升級(jí)BBU軟件使其支持5G NSA功能，配合5G公網(wǎng)基站，可接入5G車載終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更高帶寬要求的綜合承載業(yè)務(wù)。

2.2 5G公網(wǎng)NSA基站

本方案采用NSA組網(wǎng)方案，通過公網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬能力承載未來地鐵行業(yè)更高帶寬的綜合承載業(yè)務(wù)需求。利用NSA組網(wǎng)技術(shù)接入到目前的4G LTE專網(wǎng)，所有業(yè)務(wù)獨(dú)立于5G公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)的隔離，滿足業(yè)主對(duì)地鐵業(yè)務(wù)的安全要求。

未來5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中大量應(yīng)用分布式皮基站來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量將成為主流的部署方案，軌道交通典型的隧道場(chǎng)景非常適合用分布式皮基站來覆蓋。

分布式皮基站是一種新型的數(shù)字化基站主設(shè)備，采用3級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。5G BBU負(fù)責(zé)基站信號(hào)的處理，射頻信號(hào)集線器(Radio Hub, RHUB)主要完成上連BBU Ir光接口到下連皮站射頻拉遠(yuǎn)單元(pico-Remote Radio Unit, pRRU) Ir光接口的數(shù)據(jù)分發(fā)和匯聚功能、天線數(shù)據(jù)合并和天線數(shù)據(jù)分發(fā)功能、通過Ir光接口從BBU獲取系統(tǒng)時(shí)鐘和系統(tǒng)同步功能及通過Ir光接口進(jìn)行設(shè)備級(jí)聯(lián)的功能。pRRU實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)處理功能，pRRU通過有源以太網(wǎng)(Power over Ethernet, PoE)或光電復(fù)合纜接口與RHUB連接。接口連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 分布式皮基站3級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 4G專網(wǎng)核心網(wǎng)

本方案通過對(duì)現(xiàn)有軌道交通項(xiàng)目LTE核心網(wǎng)進(jìn)行軟件升級(jí)，支持5G NSA連接功能，同時(shí)接入現(xiàn)有的LTE 演進(jìn)型Node B(evolved Node B，eNB)和公網(wǎng)gNB，實(shí)現(xiàn)對(duì)LTE系統(tǒng)的帶寬擴(kuò)容。改造后的LTE網(wǎng)絡(luò)將專用于CBTC系統(tǒng)和列車狀態(tài)信息等低帶寬業(yè)務(wù)的傳輸，以滿足CBTC系統(tǒng)等業(yè)務(wù)的高可靠性和高安全性要求。5G公網(wǎng)將專用于CCTV和PIS等綜合承載業(yè)務(wù)，以滿足未來更高帶寬要求的綜合承載業(yè)務(wù)。

演進(jìn)的分組核心網(wǎng)(Evolved Packet Core, EPC)由移動(dòng)管理實(shí)體(Mobility Management Entity, MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(Serving Gateway, S-GW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(Packet Data Network Gateway, P-GW)等網(wǎng)元組成，圖5所示為EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。其中，MME負(fù)責(zé)接入鑒權(quán)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、切換控制、MME Pool管理、跨地域漫游和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol, NTP)客戶端等功能；S-GW負(fù)責(zé)承載管理、路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)控制等功能；P-GW負(fù)責(zé)UE網(wǎng)際互連協(xié)議(Internet Protocol，IP)地址管理、承載管理、路由選擇與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及QoS控制等功能。

2.4 5G車載終端

2.4.1 車載TAU

車載TAU的主要模塊設(shè)計(jì)包括客戶終端設(shè)備(Customer Premise Equipment，CPE)模塊、電源模塊和功放(Power Amplifier，PA)模塊，如圖6所示。

圖5 EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖6 車載TAU

(1) CPE模塊

圖7所示為CPE模塊示意圖。如圖所示，CPE系統(tǒng)板由以下幾個(gè)單元構(gòu)成：

· 1片主控芯片系統(tǒng)(中央處理器(Central Processing Unit,CPU))；

· 1片5G/4G雙模無(wú)線模塊；

· 1片無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Fidelity，WiFi)模塊及相關(guān)的外設(shè)芯片；

· 1片千兆以太網(wǎng)交換機(jī)(Gigabit Ethernet Switch,GE Switch)芯片及1片千兆物理層換口(Gigabit Ethernet Physical interface,GE PHY)芯片時(shí)鐘單元；

· 電源模塊

· 對(duì)外接口(RS485、RS232、USIM接口)。

圖7 CPE模塊

其中，核心網(wǎng)部件為5G/4G無(wú)線模塊。該模塊支持中國(guó)全網(wǎng)通，即支持5G：n78,n79,n41和LTE：B1,B3,B7,B8,B34,B38,B39,B40,B41以及LTE-M規(guī)定的1.8 G專網(wǎng)頻段，即1 785～1 805 MHz。

主控CPU與模組之間采用AT(Attention)指令方式進(jìn)行交互，如圖8所示。

圖8 AT指令交互

(2) 電源模塊

該模塊負(fù)責(zé)給CPE系統(tǒng)板和PA系統(tǒng)供電。可同時(shí)雙路輸出+12和+28 V。考慮現(xiàn)場(chǎng)不同方案的需要，提供交流220 V AC、直流110 V DC和直流48 V DC 3種輸入。

(3) PA模塊

2和10 W設(shè)備的PA模塊采用相同的PA管，其中2 W設(shè)備的PA模塊采用線性回退技術(shù)，10 W設(shè)備的PA模塊采用模擬預(yù)失真(Analog Pre Distortion，APD)技術(shù)，如圖9所示。

圖9 PA模塊

2.4.2 車載雙鏈路備份

在部分應(yīng)用中，為提高系統(tǒng)可靠性，需要提供主備兩條傳輸鏈路，其中一條鏈路工作在主模式，另一條鏈路工作在備份模式。

假設(shè)圖10中的鏈路1(有線鏈路1+CPE1+無(wú)線鏈路1)為主鏈路；鏈路2(有線鏈路2+CPE2+無(wú)線鏈路2)為備份鏈路。當(dāng)CPE1檢測(cè)到無(wú)線鏈路1的鏈路質(zhì)量不足以支撐業(yè)務(wù)要求或CPE1故障或有線鏈路1故障時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)流切換到鏈路2；當(dāng)鏈路1恢復(fù)正常后，應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)流也恢復(fù)到鏈路1。

圖10 傳輸鏈路

路由備份：分別將鏈路1和2配置為交換機(jī)的主備路由。當(dāng)無(wú)線設(shè)備檢測(cè)到無(wú)線鏈路故障時(shí)，關(guān)閉有線鏈路，通知交換機(jī)路由故障，然后由交換機(jī)完成路由切換。

鏈路聚合：指將多個(gè)物理端口捆綁在一起成為一個(gè)邏輯端口，鏈路聚合可增加鏈路帶寬和鏈路冗余備份。

鏈路聚合支持兩種工作模式：負(fù)荷分擔(dān)和非負(fù)荷分擔(dān)模式(主備模式)。負(fù)荷分擔(dān)模式：聚合組的各成員鏈路上同時(shí)都有流量存在，它們共同進(jìn)行負(fù)載分擔(dān)，采用負(fù)荷分擔(dān)后可以給鏈路帶來更高的帶寬，當(dāng)聚合組成員發(fā)生改變，或部分鏈路發(fā)生失效時(shí)，流量會(huì)自動(dòng)重新分配；非負(fù)荷分擔(dān)模式(主備模式)：聚合組只有一條成員鏈路有流量存在，其他鏈路則處于Standby 狀態(tài)，這實(shí)際上提供了一種“熱備份”的機(jī)制，因?yàn)楫?dāng)聚合中的活動(dòng)鏈路失效時(shí)，系統(tǒng)將從聚合組中處于Standby狀態(tài)的鏈路中選出一條作為活動(dòng)鏈路，以屏蔽失效鏈路，切換速度為毫秒級(jí)。

將鏈路1和2捆綁在一起，成為一個(gè)邏輯端口。當(dāng)CPE檢測(cè)到無(wú)線鏈路故障時(shí)，通過鏈路聚合控制協(xié)議(Link Aggregation Control Protocol ，LACP)完成與交換機(jī)間的聚合信息交互，啟動(dòng)備份鏈路。

虛擬路由器冗余：虛擬路由冗余協(xié)議(Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP)通過把幾臺(tái)路由設(shè)備聯(lián)合組成一臺(tái)虛擬的路由設(shè)備，使用一定機(jī)制保證當(dāng)主機(jī)的下一跳交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)將業(yè)務(wù)切換到其他交換機(jī)，從而保持通信的連續(xù)性和可靠性。

VRRP將該虛擬路由器動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)到承擔(dān)傳輸業(yè)務(wù)的物理設(shè)備上，當(dāng)該設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，再次選擇新設(shè)備來接替業(yè)務(wù)傳輸工作，整個(gè)過程對(duì)用戶完全透明，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)不間斷通信。快速切換可以使VRRP主備切換的時(shí)間控制在200 ms以內(nèi)。將兩個(gè)CPE設(shè)備構(gòu)成一個(gè)VRRP備份組。當(dāng)CPE檢測(cè)到無(wú)線鏈路故障時(shí)，通過VRRP再次選擇新設(shè)備來接替業(yè)務(wù)傳輸工作。

路由備份、鏈路聚合和虛擬路由器冗余3種組網(wǎng)方案的對(duì)比如表1所示。

表1 組網(wǎng)方案對(duì)比

2.4.3 車載TAU組網(wǎng)方案

本方案所用的車載終端采用LTE/5G雙模TAU終端，終端通過雙連接技術(shù)同時(shí)接入到LTE和5G網(wǎng)絡(luò)，其中CBTC業(yè)務(wù)通過LTE專網(wǎng)傳輸，CCTC和PIS等綜合承載業(yè)務(wù)則通過5G公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸[7]。

圖11所示為一典型的車載TAU組網(wǎng)方案，在列車兩端分別布置兩臺(tái)TAU實(shí)現(xiàn)CBTC信號(hào)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(Fire Alam System,FAS)和車輛狀態(tài)信息等業(yè)務(wù)綜合承載接入。單端兩臺(tái)TAU通過合路器合路，共用兩個(gè)車載垂直化魚鰭天線和兩個(gè)平板天線進(jìn)行通信。所有業(yè)務(wù)通過車載交換機(jī)與TAU連接。

圖11 車載TAU組網(wǎng)方案

2.5 隧道覆蓋方案及業(yè)務(wù)需求

結(jié)合5G設(shè)備規(guī)格屬性，針對(duì)地鐵典型隧道覆蓋場(chǎng)景需求，本方案采用高防護(hù)等級(jí)的室分分布式天線系統(tǒng)(Distribute Antenna System，DAS)覆蓋，圖12所示為室分DAS覆蓋圖。

如圖所示，車站安裝了BBU和交換機(jī)，軌旁間500 m左右安裝RRU和雙漏纜，BBU至RRU光纖

星型連接，車輛改裝2.6 G頻段天線或靠窗臨時(shí)連接測(cè)試終端。

同時(shí)，需要滿足相應(yīng)的地鐵專用業(yè)務(wù)需求，不同業(yè)務(wù)類型具有不同的帶寬需求：下行(地→車)以PIS業(yè)務(wù)需求量為最大(4～6 Mbit/s)，結(jié)合多車CBTC業(yè)務(wù)需求，至少需保留10 Mbit/s以上傳輸帶寬；上行(車→地)以車輛CCTV回傳業(yè)務(wù)需求量為最大(每路2～4 Mbit/s)，14路并發(fā)視頻回傳需至少保留60 Mbit/s以上傳輸帶寬，具體業(yè)務(wù)需求如表2所示，部署要求如表3所示。

圖12 室分DAS覆蓋

表2 專用業(yè)務(wù)需求

表3 部署要求

3 結(jié)束語(yǔ)

本方案提出的車地?zé)o線通信系統(tǒng)有效地保護(hù)了已有的4G 投資，對(duì)原有4G 專網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行平滑升級(jí)，5G作為4G的補(bǔ)充覆蓋來承載大帶寬需求，固定投資較小。基于5G NSA網(wǎng)絡(luò)來承載地鐵業(yè)務(wù)，可以第一時(shí)間利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用案例，由于運(yùn)營(yíng)商早期都是部署NSA網(wǎng)絡(luò)，軌道可盡早利用現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)盡快部署軌道行業(yè)應(yīng)用。同時(shí)采用4G/5G雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)增強(qiáng)可靠性，采用3X架構(gòu)組網(wǎng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可同時(shí)在4G/5G上傳輸，當(dāng)4G/5G任意一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不影響軌道業(yè)務(wù)傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性；采用單TAU綜合承載方案可大幅減少車載設(shè)備和系統(tǒng)復(fù)雜度，終端通過雙連接技術(shù)同時(shí)接入到LTE和5G網(wǎng)絡(luò)，其中CBTC業(yè)務(wù)通過LTE專網(wǎng)傳輸，CCTV和PIS等綜合承載業(yè)務(wù)則通過5G公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，經(jīng)實(shí)踐測(cè)試，承載業(yè)務(wù)能滿足高速率和多路承載的要求，并且該系統(tǒng)具有很好的靈活性和適應(yīng)性，在保證CBTC核心業(yè)務(wù)的前提下，可根據(jù)5G覆蓋情況無(wú)縫開通CCTV和PIS等各項(xiàng)業(yè)務(wù)。本方案在沒有5G覆蓋的地方可以用4G承載CBTC業(yè)務(wù)，在5G覆蓋達(dá)標(biāo)后可立即無(wú)縫完成雙網(wǎng)對(duì)接。