城市軌道交通 5G 公專網建設思路探討

何 濤，黨選麗

（1.華為技術有限公司咨詢與系統(tǒng)集成部，廣東東莞 523808；2.鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

1 引言

軌道交通行業(yè)的5G應用逐漸豐富，在5G網絡建設上，國內已累計建成5G基站71.8萬個，三大運營商網絡建設速度和規(guī)模超出預期。5G網絡逐步實現(xiàn)軌道交通全面覆蓋，網絡能力既提升乘客的出行感知，又可以帶給軌道交通車地數(shù)據業(yè)務傳輸?shù)目赡?，實現(xiàn)一網多用的經濟效益。雖然5G公用網絡（以下簡稱“5G公網”）完成了覆蓋，但是針對軌道交通行業(yè)的網絡覆蓋要求和公網還有很大區(qū)別，在5G公網的基礎上建設好1張專網，需要探索新的建設思路。

2 5G 移動通信技術簡介

5G移動通信網絡采用全新的服務化架構、全新的頻譜資源，結合多天線系統(tǒng)和先進的算法，可滿足靈活多樣的鏈接需求。

在無線性能上，5G采用低密度校驗碼（LDPC）、Polar新型信道編碼方案、性能更強的大規(guī)模天線技術等。為支持低時延、高可靠，5G采用短幀、快速反饋、多層/多站數(shù)據重傳等技術。

在網絡架構上，5G采用云化核心網，支持靈活部署。基于網絡功能虛擬化/軟件定義網絡（NFV/SDN），實現(xiàn)硬件和軟件解耦，控制和轉發(fā)分離；支持邊緣計算，云計算平臺下沉到網絡邊緣，支持基于應用的網關靈活選擇和邊緣分流。

在滿足5G差異化需求上，5G采用切片技術讓運營商能夠在一個物理網絡之上構建多個專用的、虛擬的、隔離的、按需定制的邏輯網絡，用于滿足不同行業(yè)客戶對網絡能力的不同要求（如時延、帶寬、連接數(shù)等）。目前定義了3種網絡切片類型，即增強移動寬帶、低時延高可靠、大連接物聯(lián)網。

3 5G 網絡對于城市軌道交通的意義

截止2019年底，在城市軌道交通建設規(guī)模上，中國已經有7座城市躋身全球前10位，運營里程總長度6 730.27 km，城市軌道交通總客流量達227.8億人次。在建設“量”上已是全球領先，但在軌道智能化方面，還未跟上發(fā)展的步伐。受限于網絡能力，城市軌道交通大量業(yè)務數(shù)據無法實現(xiàn)實時上傳，只能采用本地存儲、人工拷貝的方式來進行數(shù)據管理。因此，城市軌道交通有必要協(xié)同5G技術實現(xiàn)更進一步的發(fā)展。而5G網絡在城市軌道交通中的定位，需要朝著解決各業(yè)務模塊痛點的方向努力。

當前城市軌道交通存在幾大業(yè)務痛點。

（1）無線帶寬不足導致視頻無法回傳。視頻的回傳訴求主要在車載視頻攝像頭上。車載視頻分為2個部分，第一部分在司機駕駛室，需要安裝多個攝像頭對司機行為進行監(jiān)控，確保安全運行。第二部分在車廂內，對車廂情況進行監(jiān)控，確保乘客的安全。受限于軌道專網頻譜，視頻只能存儲在駕駛室內，到站后下載拷貝。

（2）無線帶寬不足導致應急通信難。在應急狀況下，車站需要臨時部署無線視頻攝像頭，并且與站外安保人員實現(xiàn)實時通信。以當前地鐵的專網帶寬以及通信方式，是無法實現(xiàn)多終端的視頻回傳，信息實時交互存在困難。

（3）現(xiàn)有集群通信手段有限，無線帶寬不足。地鐵采用的是低頻集群通信系統(tǒng)，目前采用的400 MHz/800 MHz集群通信，受限于頻段能力，同時又要避免對室外的干擾，目前存在的困難是地下喊不到地面，地面喊不到地下，不同線路制式無法互通，不同站臺無法互通。

（4）城市軌道交通專網頻點被干擾。城市軌道交通列車控制系統(tǒng)承載于1 800 MHz專網頻譜上，該專網頻譜同時供機場、電力使用。部分頻點與其他區(qū)域的同頻網絡會產生重疊或干擾，導致列車斷線停車。

除此之外，列車乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）等，都因無線帶寬受限，無法確保數(shù)據有效傳輸。為解決這些問題，城市軌道交通業(yè)主和運營商共同研究5G的應用場景，南京市軌道交通率先實現(xiàn)了全國首個5G+MEC的切片網絡，武漢市軌道交通也在將部分專網業(yè)務遷移到5G網絡上。中國城市軌道交通協(xié)會對運營商5G網絡給軌道交通的切片專網做了定義——軌道交通5G公專網：基于運營商5G公網，通過資源隔離等技術手段，提供專屬網絡能力，承載軌道交通相關數(shù)據業(yè)務，覆蓋軌道交通全場景，從而實現(xiàn)5G公網專用。當前運營商在城市軌道交通內建設的5G公網主要為乘客提供服務，而在城市軌道交通中還存在大量的無人區(qū)、機房等。要實現(xiàn)5G的應用，信號覆蓋是基礎。同時在網絡容量設計方面，也需按區(qū)別于公網的思路進行規(guī)劃。首先需要完成業(yè)務畫像，其次梳理話務模型，再次設計業(yè)務匹配的網絡架構。完成網絡建設后，通過部署平臺對業(yè)務進行可視化管理。

4 城市軌道交通 5G 應用的業(yè)務畫像

業(yè)務畫像如同用戶畫像一樣，是將城市軌道交通具體的5G應用轉化成網絡語言，根據每種業(yè)務應用的特征、鏈接數(shù)、上行速率、下行速率、時延、可靠性、并發(fā)率等要求，形成網絡類型的數(shù)據標簽。

以車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務為例，該業(yè)務是將車載主機、各子系統(tǒng)采集的列車狀態(tài)、故障等信息實時傳送到地面監(jiān)測中心。該業(yè)務實際應用場景為正線、車輛基地/停車場。當前局限于網絡能力，車輛運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據并未實現(xiàn)實時傳輸，未來通過5G完成列車運行狀態(tài)實時監(jiān)測，業(yè)務可用性應滿足如下技術要求，也等同于網絡指標的要求。

車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務傳輸時延要求不超過100 ms的概率不小于99%，業(yè)務丟包率不超過1%。車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務要求每列車傳輸速率上行不小于10 Mbps，下行不小于1 Mbps。實現(xiàn)業(yè)務功能的終端分別安裝在車頭、車尾駕駛室內。列車在跑動過程中，終端需要100%在線。

根據要求梳理的車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務畫像如表1所示。除了車輛狀態(tài)監(jiān)測應用外，還有車載PIS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）等多種應用，都可以分別實現(xiàn)業(yè)務畫像。

表1 5G業(yè)務畫像

通過調研，當前城市軌道交通行業(yè)的5G應用可以有如下需求，應用清單如表2所示。

表2 城市軌道交通的5G應用清單

為確保每一種應用的實現(xiàn)，業(yè)務畫像只關注在單個5G扇區(qū)覆蓋范圍內最大并發(fā)的終端數(shù)，以及在特定時段內的終端并發(fā)率。如CCTV視頻承載，就是在列車運行過程中啟動，通過車載終端接入單元（TAU）將數(shù)據回傳。但應急通信業(yè)務，只有在應急狀態(tài)中才會使用，平時不需要占用帶寬。因此在業(yè)務的網絡能力設計中，就需要充分考慮到各業(yè)務同時在線的范圍與時段。

5 城市軌道交通5G應用的話務模型

在完成對城市軌道交通5G應用的業(yè)務畫像后，需要根據業(yè)務發(fā)生的時間與地點確定業(yè)務的話務模型。區(qū)別于5G公網業(yè)務服務，城市軌道交通5G終端的在線時長基本要求為100%。部分業(yè)務發(fā)生在列車內，部分業(yè)務發(fā)生在軌道旁，但當列車與軌旁業(yè)務同一時間發(fā)生在同一5G覆蓋扇區(qū)，其業(yè)務并發(fā)所占用的帶寬資源就需要統(tǒng)一考慮。

在城市軌道交通線路隧道中，運營商已經部署5G網絡，主要面向乘客提供服務。5G采用TDD制式，下行時隙配比高于上行，當前普遍采用的是7 : 3，8 : 2，時隙配比已經固化。城市軌道交通所用的業(yè)務模型主要是上行數(shù)據，通過計算，在多個終端并發(fā)時，軌行區(qū)5G單扇區(qū)需要提供給車載與軌旁終端的上行吞吐率在70 Mbps左右，下行在30 Mbps左右。

隧道內的5G網絡覆蓋一般采用泄漏電纜的部署模式，通過測試數(shù)據表明，采用100 MHz頻譜，部署雙纜或四纜，在時隙配比為7 : 3的網絡中，雙纜2T2R理想吞吐率為150 Mbps，四纜4T4R為252 Mbps。

根據話務模型與雙纜2T2R網絡建設的吞吐率基線，城市軌道交通5G應用會占用40%左右的5G上行網絡資源，由于下行應用業(yè)務量較少，對5G下行網絡資源占用率為5%左右。

與此同時，還需要考慮乘客使用5G網絡資源的情況。由于目前5G手機普及率不高，因此話務模型可以參考4G。未來隨著5G用戶的增加，乘客使用的網絡資源與軌道交通使用的資源是否會沖突，在規(guī)劃設計中需要提前考慮。

6 承載城市軌道交通業(yè)務的5G 網絡設計

承載城市軌道交通業(yè)務的5G網絡設計涉及無線、傳輸、核心網的端到端3個部分，并通過網絡端到端（無線、傳輸、核心網）的切片隔離來實現(xiàn)對軌道交通業(yè)務的保障。切片保障主要包括3種方案，分別為基于服務質量（Qos）保障、專屬5G服務、專用5G網絡。5G 切片隔離方案如表3所示。

表3 5G切片隔離方案

6.1 5G 無線接入網建設原則

城市軌道交通5G公專網主要需求是覆蓋連續(xù)性。目前5G公網只針對有乘客區(qū)域進行覆蓋，如站臺、站廳、隧道等。而城市軌道交通車輛段、機房等無人區(qū)域并未被完全覆蓋。比較特殊的高架橋區(qū)域則通過宏站實現(xiàn)兼顧覆蓋。未來要實現(xiàn)5G業(yè)務的承載，并確保業(yè)務的服務等級協(xié)議（SLA），那么城市軌道交通沿線就需要實現(xiàn)專網覆蓋，以確保網絡資源供城市軌道交通乘客和列車獨享。5G無線接入網建設中，推薦在信號覆蓋方面采用室外專項5G連續(xù)覆蓋，在頻譜規(guī)劃方面采用異頻組網方式；5G車載業(yè)務復用共享5G基站，通過5QI優(yōu)先級或RB資源預留的方式實現(xiàn)邏輯隔離；室外部分盡量采用與公網宏站不同的頻譜，降低干擾，減少切換，以保證終端可持續(xù)駐留于5G公專網內。

當前5G頻譜具備700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz以及4.9 GHz多種選擇。采用業(yè)務的承載頻譜需要遵循以下原則：頻譜干凈，室外干擾最??；5G載波帶寬大，若單載波在100 MHz，可以滿足車載業(yè)務的承載；選用的頻譜可以在泄漏電纜等基礎設施里使用。

5G網絡部署后，需要完成無線資源的切片方案，實現(xiàn)資源調度，靈活適配軌道交通不同業(yè)務場景的隔離需求，5G切片方案如圖1所示。

圖1 5G切片方案

為滿足城市軌道交通不同業(yè)務場景的隔離需求，針對5G 專網的切片方案應遵循以下原則。

（1）采用全線漏纜+小區(qū)合并技術，減少列車切換，提升終端穩(wěn)定性。

（2）軌行區(qū)扇區(qū)規(guī)劃與車速相關，如假設列車平均速度為 80 km/h，為減少切換，30 s行駛無切換，扇區(qū)覆蓋距離要大于667 m。

（3）根據每扇區(qū)的最大覆蓋距離、射頻拉遠單元（RRU）的間距要求，采用多RRU小區(qū)合并特性，合理劃分及合并小區(qū)，使其既滿足容量需求，又減少切換及小區(qū)間的干擾。扇區(qū)規(guī)劃組網圖如圖2所示。

圖2 小區(qū)合并示意圖

6.2 5G 承載網建設原則

針對城市軌道交通業(yè)務的5G專用承載網的建設原則包含以下幾個方面。

（1）承載網基于靈活以太網技術（FlexE）硬隔離技術創(chuàng)建獨立網絡切片，確保城市軌道交通業(yè)務安全可靠；超低時延類業(yè)務采用獨立切片承載，確保業(yè)務低時延承載。

（2）承載網物理組網需要具備雙路由，結合雙歸屬保護功能，實現(xiàn)鏈路、節(jié)點故障的50 ms恢復能力。

（3）低時延業(yè)務關聯(lián)的軌道設備，規(guī)劃階段要求接入到同一區(qū)域的傳輸網設備，實現(xiàn)業(yè)務就近轉發(fā)，避免由于傳輸跨區(qū)域業(yè)務調度導致無法滿足時延要求，每100 km傳輸距離會產生0.5 ms傳輸時延，在評估承載網時延時需要綜合評估無線設備到用戶端口功能/邊緣計算技術（UPF/MEC）的光纖距離。

（4）按需端到端部署選擇重傳（SR）協(xié)議，簡化5G業(yè)務協(xié)議配置。5G業(yè)務承載端到端（E2E）采用SR協(xié)議，簡化協(xié)議配置（協(xié)議數(shù)量由10個減少到2個），配合網絡連接元件（NCE）一次性完成鏈路協(xié)議配置，實現(xiàn)業(yè)務快速發(fā)放。通過SR與NCE的配合使能網絡自動化，可以將網絡設備的利用率由原來的40%提升到80%，從而節(jié)約擴容成本。

6.3 5G 核心網建設原則

城市軌道交通5G公專網建設復雜度最高、行業(yè)定制化特點最強的子域就是5G核心網。5G核心網可以分為控制面和用戶面，控制面網元主要包含接入和移動性能管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、網絡切片選擇（NSSF）、認證服務器功能（AUSF）、統(tǒng)一數(shù)據管理功能（UDM）、策略控制功能（PCF）等，用戶面主要為UPF。其中與城市軌道交通業(yè)務轉發(fā)相關性最強的網元為UPF。在城市軌道交通業(yè)務終端接入5G網絡基本信令及連接建立后，UPF負責城市軌道交通業(yè)務的路由轉發(fā)、策略實施、流量報告、QoS處理等，相當于業(yè)務出口網關。從網絡安全隔離角度出發(fā)，綜合網絡建設成本以及軌道交通安全策略，建議獨立部署城市軌道交通專用 UPF。

綜上所述，城市軌道交通5G公專網核心網的建設思路如下。

（1）城市軌道交通行業(yè)設置專用UPF網元對用戶數(shù)據隔離、業(yè)務質量自定義、計費稽查、安全增強等方面具有較大意義，建議城市軌道交通5G切片配置專用的UPF。

（2）考慮到城市軌道交通運營企業(yè)一般為市屬企業(yè)，每條線路分別與不同運營商進行商業(yè)合作，因此各運營商為城市軌道交通提供的專用UPF網元需要獨立部署，不能復用。

（3）除了5G網絡內部隔離之外，5G核心網用戶面UPF/MEC和城市軌道交通各線路主站/子站之間的N6接口，也需要通過專線承載，以確保E2E安全隔離。

（4）從差異化+確定性SLA業(yè)務體驗保障視角出發(fā)，考慮到傳輸距離對時延的影響，需要根據時延要求考慮UPF/MEC的下沉位置，UPF/MEC部署位置盡量和城市軌道交通主站/子站等業(yè)務系統(tǒng)的部署原則對齊，避免路由迂回。

（5）從可靠性視角出發(fā)，基于城市軌道交通業(yè)務高可靠性/高可用需求，生產控制、管理信息對應的城市軌道交通專用UPF應考慮冗災備份（同城或異地）方案。并且在用戶面和控制面斷連場景下，要考慮業(yè)務的持續(xù)運行不中斷/快速恢復，即應急控制面下沉到主站/子站，和UPF共部署。

7 5G 基礎網絡覆蓋的優(yōu)化與業(yè)務保障

7.1 業(yè)務保障

要做好城市軌道交通5G專網的切片效果，基礎網絡覆蓋的質量非常重要。基礎網絡覆蓋的方案決定了車載業(yè)務的效果。

建設一張良好的城市軌道交通5G公專網，根據測試總結，建議滿足以下關鍵業(yè)務指標（KPI）：

（1）5G全場景參考信號接收功率（RSRP）≥-95 dBm的采樣點比例≥99%；

（2）信號與干擾加噪聲比（SINR）≥5 dB的采樣點比例≥98%；

（3）通過軌行區(qū)5G公專網小區(qū)合并減少切換次數(shù)，小區(qū)合并長度不超過1.5 km，業(yè)務駐留率≥99%；

（4）5G公專網需滿足城市軌道交通平均上行業(yè)務并發(fā)帶寬不小于72 Mbps；

（5）通過切片設計實現(xiàn)業(yè)務保障、時延滿足城市軌道交通各業(yè)務標準要求。

7.2 針對軌行區(qū)的網絡優(yōu)化

在公網設計中，每450 m會有一個設備開斷點，為解決用戶切換問題，450 m漏纜兩頭會接上不同基站的信號，在一條漏纜里會存在兩個不同的扇區(qū)。對于乘客來說，由于業(yè)務連續(xù)性不強，當前設計可以滿足業(yè)務需求。但是對于車載業(yè)務來說，一條漏纜里有兩個扇區(qū)的信號，會造成切換頻繁，導致業(yè)務時延增加。部分區(qū)域由于切換失敗，導致車載終端駐留失敗。通過扇區(qū)合并，在不損失容量的情況下，減少列車終端的切換次數(shù)，可以極大程度提升業(yè)務感知，減少業(yè)務時延。

5G網絡建設后，通過持續(xù)網絡優(yōu)化，可實現(xiàn)小區(qū)吞吐率的提升。同理，在城市軌道交通的5G業(yè)務中，每種業(yè)務定義的優(yōu)先級不同，在速率、時延上，都需做好業(yè)務保障。每種業(yè)務在使用過程中均會發(fā)生資源搶占，網絡切片方案在資源上做了一定的隔離。另外，針對相同切片中的不同業(yè)務，還可以采用兩種機制保障：采用最低速率（PMBR） 可確保單上網用戶級速率穩(wěn)定；采用保證比特速率（GBR） 可確保網絡級用戶速率穩(wěn)定。

8 城市軌道交通 5G 業(yè)務的可視化管理

為確保城市軌道交通5G公專網的高效運營與運維，避免5G公專網成為“黑匣子”，運營商需要基于城市軌道交通行業(yè)對專網自管理的需求，提供業(yè)務可視化平臺。一方面，借助大規(guī)模數(shù)據采集技術，實現(xiàn)5G公專網從終端、網元到業(yè)務應用等多域、多類型數(shù)據的融合；另一方面，借助業(yè)界成熟的大數(shù)據可視化相關組件，在數(shù)據展現(xiàn)層，構建技術先進、體驗良好的人機交互方式，包括數(shù)據實時展示、圖表靈活操作、指標定制、多屏協(xié)同等能力，實現(xiàn)豐富絢麗的數(shù)據表達與數(shù)據洞察。最終向城市軌道交通5G公專網運營運維人員展現(xiàn)一張數(shù)據融合、透明可視、體驗便捷、運營高效的網絡，實現(xiàn)從網絡到業(yè)務的全方位立體化可管、可控、可視，助力運營運維高效決策，保障業(yè)務穩(wěn)定可靠。

城市軌道交通公專網的可視化，從底向上，包含終端設備可視化、端到端網絡可視化、業(yè)務質量可視化以及網絡故障可視化。

（1）終端設備可視化。實現(xiàn)城市軌道交通公專網中各類終端的集中化納管、可視化連接，確保所有終端的屬性被完整描述，可視呈現(xiàn)，實現(xiàn)終端資源與業(yè)務的映射。

（2）E2E網絡可視化。完整呈現(xiàn)城市軌道交通公專網中從終端、接入網、承載網、邊緣節(jié)點、核心網以及應用服務器等端到端的網絡拓撲，實現(xiàn)網絡設備自發(fā)現(xiàn)、網絡節(jié)點的TOPO自動生成，以及網絡性能指標的動態(tài)呈現(xiàn)。借助E2E網絡可視結果，網絡管理人員可以了解當前的網絡整體結構、網絡運行狀態(tài)，判斷和定位網絡性能瓶頸，從而實現(xiàn)對整個網絡的運行狀態(tài)進行及時有效的監(jiān)測和控制。

（3）業(yè)務質量可視化。一方面可還原業(yè)務的邏輯拓撲路徑，使得每個業(yè)務流可獨立的呈現(xiàn)與分析，另一方面，將反應業(yè)務體驗的指標進行靈活呈現(xiàn)，使得業(yè)務的真實體驗信息可感知可管理。一旦出現(xiàn)業(yè)務質量的劣化，可快速被發(fā)現(xiàn)、跟蹤和定位。業(yè)務質量可視，是軌道交通公專網業(yè)務SLA保障的基礎。

（4）網絡故障可視化?；趯Χ说蕉司W絡設備的資源、告警、性能等信息的綜合采集與融合分析，提供城市軌道交通專網的網絡故障可視能力，包括基于網絡TOPO的告警呈現(xiàn)、事件預警與分析、故障定界與定位、故障根因鉆取分析等能力，此外，還提供一鍵報障入口，讓網絡管理人員可快速將故障呈報到運營商網維部門，快速響應、協(xié)同定位并及時處理網絡故障。

9 結語

對于5G公專網的建設，還需要國內更多城市軌道交通公司啟動試點，互相貢獻知識、相互借鑒經驗，相互學習，取長補短，才能推動整個5G產業(yè)的發(fā)展，最終確定針對城市軌道交通5G公專網的建設標準。