基于5G的城市軌道交通車地?zé)o線通信應(yīng)用

張艷 趙國強(qiáng)

摘要：城市軌道交通行業(yè)采用多種制式技術(shù)承載車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，無法滿足未來地鐵多種應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)演進(jìn)需求。通過對未來地鐵應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求演進(jìn)情況進(jìn)行分析，剖析5G技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)，提供了城軌5G專網(wǎng)組網(wǎng)方案及各網(wǎng)絡(luò)層的組網(wǎng)方式。城軌車地?zé)o線5G專網(wǎng)應(yīng)用可以滿足未來地鐵業(yè)務(wù)需求，組網(wǎng)方案符合未來發(fā)展趨勢，為智慧城軌發(fā)展提供了建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：5G;軌道交通;業(yè)務(wù)需求;組網(wǎng)方案

中圖分類號：TN929文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）18-69-5

0引言

在產(chǎn)業(yè)升級、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，城市軌道交通行業(yè)持續(xù)發(fā)展，信息化建設(shè)的成果初具規(guī)模[1]。軌道交通車地?zé)o線通信在這波浪潮推動下，從窄帶演進(jìn)到寬帶，進(jìn)而衍生出LTE、WLAN等多種技術(shù)。

當(dāng)前階段，Tetra系統(tǒng)可以滿足列車集群調(diào)度需求，LTE系統(tǒng)和WLAN系統(tǒng)可以滿足信號業(yè)務(wù)和綜合承載業(yè)務(wù)需求。但隨著《中國城市軌道交通智慧城規(guī)發(fā)展綱要》的發(fā)布，車地?zé)o線通信的需求發(fā)生了重大改變，當(dāng)前技術(shù)即將無法滿足未來的城軌行業(yè)信息化建設(shè)要求。如何將具備更低時(shí)延、更大帶寬、更大連接密度的5G技術(shù)應(yīng)用到車地?zé)o線通信場景，積極探索城軌行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用已經(jīng)迫在眉睫。

1業(yè)務(wù)需求分析

車地?zé)o線通信系統(tǒng)通過滿足列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）、列車狀態(tài)信息（TCMS）、列車集群調(diào)度、乘客信息系統(tǒng)（PIS）/視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）業(yè)務(wù)、緊急文本、乘客緊急對講（IPH）及運(yùn)營維修業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)傳輸需求[2]，在列車與信號、列車與調(diào)度、列車與PIS、IMS（視頻監(jiān)控系統(tǒng)）、列車與維修等通信主體之間保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定、可靠，達(dá)到安全、有序、可持續(xù)運(yùn)營的列車運(yùn)營目標(biāo)[3]，車地?zé)o線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求如表1所示。

車地?zé)o線通信系統(tǒng)一般采用多種技術(shù)來滿足業(yè)務(wù)需求，采用Tetra技術(shù)承載列車集群調(diào)度、LTE-M技術(shù)承載信號業(yè)務(wù)、WLAN技術(shù)承載PIS/CCTV等大帶寬業(yè)務(wù)。車地?zé)o線通信系統(tǒng)也可單獨(dú)采用LTE-M技術(shù)承載所有業(yè)務(wù)，但受限于頻率帶寬及頻譜效率，僅處于基本滿足承載需求的水平。

隨著地鐵客運(yùn)里程增加和智慧城軌建設(shè)的發(fā)展，當(dāng)前的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)越來越不能滿足車地?zé)o線通信需求，主要體現(xiàn)在：車載視頻無法實(shí)時(shí)、高清回傳到運(yùn)營中心;運(yùn)營中心無法實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析列車狀態(tài);運(yùn)營中心的PIS數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)、直播式推送給車內(nèi)乘客;日常運(yùn)維、檢修工作缺乏有效通信手段等方面。

2應(yīng)用場景及需求演進(jìn)

軌道交通行業(yè)加快向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向演進(jìn)，促使地鐵在運(yùn)營、調(diào)度、應(yīng)急、安防及維護(hù)等場景中演化出新的業(yè)務(wù)需求。按地鐵應(yīng)用場景將業(yè)務(wù)需求劃分成3類，分別是列車安全類、生產(chǎn)管理類和運(yùn)維管理類。

2.1列車安全類

列車安全類業(yè)務(wù)需求包含CBTC、列車調(diào)度及列車狀態(tài)監(jiān)測等業(yè)務(wù)，主要保證列車安全運(yùn)行，核心內(nèi)容是保障列車與運(yùn)營中心之間的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、安全。

CBTC業(yè)務(wù)指列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中車-地雙向互聯(lián)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，完成列車位置跟蹤、移動授權(quán)、車次號上報(bào)等功能。在未來場景中，CBTC業(yè)務(wù)對傳輸時(shí)延要求更低，對傳輸可靠性要求更高。

列車調(diào)度業(yè)務(wù)指運(yùn)營中心通過集群語音通信對列車行車計(jì)劃的調(diào)度，包含對列車的出入庫調(diào)度、正線調(diào)度等。隨著客流量的快速增加，地鐵行車間隔降低和正線行車數(shù)量增多，乘客對列車延誤率容忍度在逐漸降低，因此通過監(jiān)測分析列車司機(jī)身體狀態(tài)、監(jiān)測司機(jī)室及線路實(shí)時(shí)圖像等可視化調(diào)度手段，保障列車穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來越高。

列車狀態(tài)監(jiān)測指運(yùn)營中心對列車上多種傳感器狀態(tài)的監(jiān)測。目前由于車地通信帶寬限制，大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)只在列車控制中心存放，無法實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭\(yùn)營中心，更無法對車輛傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析。隨著我國全自動列車運(yùn)營里程快速增長，列車狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測、預(yù)警分析、故障診斷等功能的重要性逐漸增加。

列車安全類需求主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具備低時(shí)延、低丟包率、高可靠、系統(tǒng)級冗余配置、高移動性等特征的車地雙向數(shù)據(jù)傳輸，列車安全類演進(jìn)需求如表2所示。

2.2生產(chǎn)管理類

生產(chǎn)管理類業(yè)務(wù)需求包括PIS、IMS等業(yè)務(wù)，核心內(nèi)容是提供大帶寬的車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸通道。

PIS系統(tǒng)主要滿足向乘客播報(bào)列車運(yùn)營信息、公共緊急文本等功能，是信息傳播的重要窗口。受限于車地?cái)?shù)據(jù)傳輸通道，車載PIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)新聞、廣告推送，但不能滿足電視新聞直播、高清廣告投送、體育賽事直播等場景，可以推送應(yīng)急文本信息，但不能滿足播發(fā)高清疏散通道圖、可視化緊急呼叫等場景。

IMS系統(tǒng)主要滿足運(yùn)營中心通過車地?zé)o線鏈路實(shí)時(shí)、集中監(jiān)控列車司機(jī)室、列車車廂等車載圖像信息。IMS系統(tǒng)目前最多監(jiān)控2路1 Mbps以上的車載視頻，未來IMS需要集中監(jiān)控更多列車圖像信息。

生產(chǎn)管理類主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)大帶寬傳輸，對丟包率、時(shí)延及可靠性不敏感，列車安全類演進(jìn)需求如表3所示。

2.3運(yùn)維管理類

運(yùn)維管理類有需求應(yīng)急、維修、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、安檢等業(yè)務(wù)，核心內(nèi)容是提供廣覆蓋、高連接數(shù)的車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸通道。

運(yùn)維管理工作地點(diǎn)分布在地鐵隧道、高架、車輛段及站廳等，每個(gè)工班都需要進(jìn)行集群語音、可視對講、圖像信息傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)，對現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷造成巨大挑戰(zhàn)。該類業(yè)務(wù)場景主要實(shí)現(xiàn)廣覆蓋、高連接容量等功能，對吞吐量、可靠性、丟包率不敏感，列車安全類演進(jìn)需求如表4所示。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G通信系統(tǒng)由5G核心網(wǎng)、5G基站（gNB）、終端（UE）及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DN）等組成，支持?jǐn)?shù)據(jù)連接和服務(wù)。5G核心網(wǎng)將用戶平面（UP）和數(shù)據(jù)平面（CP）功能分開，允許獨(dú)立擴(kuò)展運(yùn)行，具備靈活網(wǎng)絡(luò)切片功能，5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

5G通信系統(tǒng)在增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、高可靠低時(shí)延連接（uRLLC）和海量物聯(lián)（mMTC）三大場景中，相比LTE網(wǎng)絡(luò)具有革命性發(fā)展。5G通信的關(guān)鍵指標(biāo)[4]為：支持1Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率;支持低至1 ms的端到端數(shù)據(jù)時(shí)延;支持500 km/h以上的高速移動;支持高于100 Gbps/km2的連接密度;支持99.999%的高可靠性。

（1）大規(guī)模天線技術(shù)

大規(guī)模天線技術(shù)亦稱Massive MIMO，相比LTE系統(tǒng)，5G的Massive MIMO支持的基站天線個(gè)數(shù)由傳統(tǒng)2/4/8天線演進(jìn)到64/128/256天線[5]，極大提升了小區(qū)峰值吞吐率;支持空間波束賦形技術(shù)，提供小區(qū)邊緣信噪比及吞吐率，降低鄰區(qū)干擾。

Massive MIMO技術(shù)配合100 MHz頻譜帶寬及合理的時(shí)隙配比，可以實(shí)現(xiàn)上行高達(dá)650 Mbps、下行高達(dá)2.5 Gbps的峰值速率。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G核心網(wǎng)的UP和CP獨(dú)立運(yùn)行，網(wǎng)元之間進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，各網(wǎng)元位置可以靈活部署。5G核心網(wǎng)優(yōu)化了本地路由并將UPF網(wǎng)元下沉到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的部署位置，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的低時(shí)延傳輸。5G系統(tǒng)在空口優(yōu)化了幀結(jié)構(gòu)，節(jié)省調(diào)度開銷，從而降低了空口傳輸時(shí)延，時(shí)延優(yōu)化關(guān)鍵路徑如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)結(jié)合空口優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低至1 ms的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

（3）QoS流技術(shù)

5G QoS流是QoS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理的最小粒度，支持保證比特速率（GBR）和非保證比特速率（Non-GBR）?；赒oS流調(diào)度的承載不再設(shè)置專用承載和默認(rèn)承載，每個(gè)數(shù)據(jù)會話必須有一個(gè)默認(rèn)QoS規(guī)則相關(guān)聯(lián)的QoS流，該QoS流在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期都給UE提供連接。

不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在不同的QoS配置上進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)被優(yōu)先保障調(diào)度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

（4）其他技術(shù)

5G系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)變信道估計(jì)[6]設(shè)計(jì)，支持多徑信道解調(diào)，從而支持更高的終端移動性。設(shè)計(jì)了動態(tài)無線資源管理，優(yōu)化了切換流程，保持了空口數(shù)據(jù)無縫切換的特性。

通過分析關(guān)鍵指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)，5G通信技術(shù)能夠滿足軌道交通行業(yè)未來多種場景的業(yè)務(wù)需求。

4 5G應(yīng)用方案

傳統(tǒng)的城市軌道交通專網(wǎng)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層和終端層，將5G典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)映射到城軌專網(wǎng)上，得到如圖3所示的城軌網(wǎng)絡(luò)5G組網(wǎng)架構(gòu)。

4.1應(yīng)用層組網(wǎng)

隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等5G技術(shù)的興起，應(yīng)用層組網(wǎng)將不再局限于在運(yùn)營中心設(shè)置本地的物理機(jī)房，實(shí)現(xiàn)自主可控、功能完備、安全可靠的城軌云與大數(shù)據(jù)平臺成為未來趨勢。

城軌云及大數(shù)據(jù)平臺有助于突破數(shù)據(jù)共享壁壘，統(tǒng)一管理各業(yè)務(wù)的運(yùn)維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云業(yè)務(wù)的協(xié)同管理。

當(dāng)前階段由于云基礎(chǔ)平臺尚不完備，應(yīng)用層組網(wǎng)采用在運(yùn)營中心建立專網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的模式，統(tǒng)一接入各專業(yè)服務(wù)器，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理。應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間通過部署安全防火墻，限制數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全隔離作用。

4.2網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)

城軌專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)5G用戶平面網(wǎng)絡(luò)切片部署和控制平面網(wǎng)絡(luò)基于服務(wù)的交互。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)切片部署方案主要分成3類，分別為優(yōu)享、專享和尊享模式，主要區(qū)別在于城軌專網(wǎng)與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之間共享基礎(chǔ)設(shè)施的范圍，如表5所示。

地鐵公司需綜合考慮成本、安全及業(yè)務(wù)承載可行性等因素，建設(shè)符合自身實(shí)際的城軌5G切片網(wǎng)絡(luò)。

參考傳統(tǒng)城軌專網(wǎng)A/B網(wǎng)建設(shè)模式，5G UPF建設(shè)可以進(jìn)行冗余配置，單個(gè)業(yè)務(wù)可以同時(shí)接入多個(gè)UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其中一個(gè)出現(xiàn)問題時(shí)，另一個(gè)UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立完成業(yè)務(wù)傳輸。一定程度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)冗余傳輸，提高車地?zé)o線鏈路可靠性，UPF網(wǎng)絡(luò)冗余架構(gòu)如圖4所示。

4.3接入層組網(wǎng)

接入層組網(wǎng)指5G基站和傳輸網(wǎng)的組網(wǎng)。傳統(tǒng)LTE在接入層組網(wǎng)時(shí)，將BBU集中部署在地鐵沿線集中站機(jī)房，將RRU拉遠(yuǎn)部署在地鐵軌旁，這種方式對機(jī)房資源要求高。5G接入層網(wǎng)絡(luò)可以采用CRAN集中部署方式：將基站拆分成CU（集中單元）和DU（分布單元），在運(yùn)營中心或集中站集中部署CU，將DU和AAU（有源天線單元）拉遠(yuǎn)部署，可以有效減少管理成本和節(jié)省機(jī)房資源，5G基站集中部署架構(gòu)如圖5所示。

4.4終端層組網(wǎng)

5G車載終端主要包含TAU、車載臺等，用于承載信號業(yè)務(wù)、集群調(diào)度和綜合承載業(yè)務(wù)。5G車載終端作為列車數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，將列車數(shù)據(jù)發(fā)往空口并傳送到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)接收來自空口的數(shù)據(jù)，并下發(fā)給車載業(yè)務(wù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。

4.5城軌5G部署難題

5G技術(shù)能夠滿足城軌專網(wǎng)建設(shè)的業(yè)務(wù)指標(biāo)和組網(wǎng)要求，但仍存在部分亟待解決的難題。

工信部無線委員會給城軌專網(wǎng)批復(fù)的頻率為1 785～1 805 MHz，本頻段不在5G FR1支持的頻率范圍內(nèi)，為城軌5G專網(wǎng)部署重新申請專網(wǎng)頻段還是復(fù)用運(yùn)營商頻段，是需要頂層設(shè)計(jì)的問題。

5G基站應(yīng)用Massive MIMO技術(shù)支持在地鐵地面部署64 T64R大規(guī)模天線，但在地鐵隧道內(nèi)不具備條件。主要是隧道內(nèi)部署2根以上的漏纜成本極高，較少的漏纜根數(shù)無法達(dá)到Massive MIMO效果。

5G核心網(wǎng)部署時(shí)，運(yùn)營商的UPF切片與城軌專網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑尚不成熟，無法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)專網(wǎng)的安全、獨(dú)立、隔離的目標(biāo)，仍需要在優(yōu)享、專享和尊享3種模式中探索。

5結(jié)束語

本文從當(dāng)前城市軌道交通行業(yè)需求出發(fā)，分析未來地鐵應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求演進(jìn)情況，為了地鐵應(yīng)用場景趨向于“大帶寬、低時(shí)延、高可靠”等方面發(fā)展。5G通信系統(tǒng)具有超可靠低時(shí)延、大規(guī)模大帶寬接入能力，其關(guān)鍵指標(biāo)正好契合未來地鐵業(yè)務(wù)需求，并能提供較為完善的城軌專網(wǎng)組網(wǎng)方案，是未來車地?zé)o線通信專網(wǎng)的一種解決方案。

5G技術(shù)在地鐵實(shí)際部署中仍存在一些問題，需要城市軌道交通協(xié)會牽頭組織相關(guān)方進(jìn)行深入的試驗(yàn)探索，共同推動智慧城軌加速發(fā)展。

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