城市軌道交通車地?zé)o線專用通信系統(tǒng)5G 技術(shù)應(yīng)用探討

蒲豫園

（北京城市軌道交通咨詢有限公司，北京 100068）

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通發(fā)展十分迅猛。根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2020 年底，全國(guó)(不含港澳臺(tái))共有44 個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路233 條，運(yùn)營(yíng)里程7 545.5 km，車站4 660 座，實(shí)際開(kāi)行列車2 528 萬(wàn)列次，完成客運(yùn)量175.9 億人次，進(jìn)站量109.1 億人次。2020 年，新增城市軌道交通線路 39 條，新增運(yùn)營(yíng)里程1 240.3 km，較上年增長(zhǎng)20.1%。城市軌道交通的高速發(fā)展也帶動(dòng)了車地?zé)o線通信技術(shù)的發(fā)展，采用4G LTE-M(long term evolution for metro，城市軌道交通長(zhǎng)期演進(jìn))無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行專網(wǎng)車地業(yè)務(wù)承載，逐步成為新線建設(shè)的主流。同時(shí)，隨著5G 通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始采用5G 無(wú)線通信技術(shù)，將公網(wǎng)信號(hào)引入城市軌道交通的新建線路。

城市軌道交通的發(fā)展明顯呈現(xiàn)了業(yè)務(wù)與技術(shù)“雙輪”驅(qū)動(dòng)的特征，業(yè)務(wù)需求的不斷發(fā)展引領(lǐng)了技術(shù)的迭代，技術(shù)的不斷迭代也促生了新的業(yè)務(wù)需求。通常城軌專網(wǎng)無(wú)線通信產(chǎn)品需要在成熟的公網(wǎng)產(chǎn)品基礎(chǔ)上結(jié)合城軌業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)進(jìn)行定制，需要更長(zhǎng)的技術(shù)迭代周期，因此在5G 技術(shù)公網(wǎng)應(yīng)用的初期，對(duì)城軌專網(wǎng)應(yīng)用5G 技術(shù)進(jìn)行研究十分必要。

筆者對(duì)城軌專網(wǎng)5G 技術(shù)的構(gòu)建進(jìn)行探討：首先分析城軌專網(wǎng)4G 技術(shù)的應(yīng)用情況，之后介紹城軌公網(wǎng)5G 應(yīng)用情況，并針對(duì)城軌專網(wǎng)5G 業(yè)務(wù)需求，提出城軌專網(wǎng)5G 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案；最后分析城軌專網(wǎng)5G 技術(shù)在構(gòu)建過(guò)程中的主要問(wèn)題，并提出解決的方法。

2 城軌專網(wǎng)4G 技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 業(yè)務(wù)需求

在城軌系統(tǒng)應(yīng)用4G 技術(shù)之前，無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)是專網(wǎng)車地通信的技術(shù)主流，其主要承載的業(yè)務(wù)首先是乘客信息系統(tǒng)(passenger information system，PIS)[1]，其次是信號(hào)系統(tǒng)。其中，信號(hào)系統(tǒng)由于其重要性強(qiáng)，且車地通信數(shù)據(jù)量需求低，采用雙網(wǎng)冗余機(jī)制，接入點(diǎn)(access point，AP)設(shè)備覆蓋位置優(yōu)先選擇等特點(diǎn)，因此其總體運(yùn)行效果好于PIS。

除了PIS 與信號(hào)系統(tǒng)兩大主要業(yè)務(wù)之外，部分城軌線路也嘗試使用WLAN 承載車載視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)?？傮w來(lái)說(shuō)，在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，車載視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)都作為輔助的非生產(chǎn)業(yè)務(wù)，與PIS 業(yè)務(wù)共享網(wǎng)絡(luò)，受重視程度低。此外，車載視頻監(jiān)視業(yè)務(wù)對(duì)車地通信數(shù)據(jù)吞吐量需求較大，但WLAN 難以保證數(shù)據(jù)傳輸帶寬，因此覆蓋效果不是很理想。

WLAN 的前幾代技術(shù)主要采用IEEE802.11b、802.11a 和802.11g，均源于靜態(tài)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致業(yè)務(wù)帶寬低、無(wú)線切換不平滑、使用的公共頻段易受干擾等諸多問(wèn)題。雖然許多學(xué)者、工程師對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，但改善不大，給業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來(lái)諸多問(wèn)題。

相比WLAN 技術(shù)，4G 技術(shù)具有業(yè)務(wù)帶寬高、無(wú)線切換平滑、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，采用4G 技術(shù)的系統(tǒng)方案，可以很好地滿足城市軌道交通綜合承載的需求，實(shí)現(xiàn)PIS 流媒體、車載視頻監(jiān)控等多項(xiàng)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的綜合承載?？梢钥闯?，4G 技術(shù)在數(shù)據(jù)通信質(zhì)量、傳輸效率和安全性方面都明顯優(yōu)于WLAN 技術(shù)，給城市軌道交通新業(yè)務(wù)的應(yīng)用鋪平了道路[2]。

隨著工信部授權(quán)1.8 GHz 的20 MHz 頻段給各城市專網(wǎng)使用，中國(guó)城軌協(xié)會(huì)發(fā)文推薦各地城軌使用1.8 GHz 專用頻率，從根本上解決了外部系統(tǒng)的同頻干擾問(wèn)題。同時(shí)，中國(guó)城軌協(xié)會(huì)組織各城軌相關(guān)單位編制了LTE-M 系列標(biāo)準(zhǔn)，使4G 技術(shù)在城軌應(yīng)用具備了先決條件[3-4]。因此，4G 技術(shù)已經(jīng)成為各地城市軌道交通首選的通信技術(shù)。

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)和160 km/h 高速線路的出現(xiàn)，促生了新的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)的重要等級(jí)進(jìn)行了重構(gòu)，基本構(gòu)成如下：

1) 列車運(yùn)行直接相關(guān)業(yè)務(wù)：基于通信的列車控制系統(tǒng)(communications based train control，CBTC)的列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、集群調(diào)度語(yǔ)音業(yè)務(wù)、乘客緊急呼叫業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)；

2) 生產(chǎn)業(yè)務(wù)：車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)和PIS視頻業(yè)務(wù)；

3) 維修類業(yè)務(wù)：接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)(含軌檢)業(yè)務(wù)、車輛走行部系統(tǒng)業(yè)務(wù)、集群調(diào)度視頻業(yè)務(wù)(可選)等[5]。

2.2 系統(tǒng)方案

隨著業(yè)務(wù)需求不斷增加，4G 技術(shù)在城軌系統(tǒng)的應(yīng)用演進(jìn)已部分替代WLAN，成為主線。由于1.8 GHz專網(wǎng)頻率可用于公安、電力、城軌、航空等各專網(wǎng)用戶[6-7]，各省無(wú)線管理局均是采用先申請(qǐng)先授權(quán)使用的方式，這導(dǎo)致了各城市城軌公司獲得的頻率資源差異較大，從10～20 MHz 不等，對(duì)車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用的方案有較大影響。頻率資源少的城軌新建線路采用4G 網(wǎng)絡(luò)承載信號(hào)業(yè)務(wù)，采用WLAN 或者其他公共頻段無(wú)線技術(shù)承載PIS 視頻業(yè)務(wù)、車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)；頻率資源多的城軌新建線路采用4G 網(wǎng)絡(luò)綜合承載信號(hào)業(yè)務(wù)、PIS 視頻業(yè)務(wù)、車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)，部分城軌線路也在LTE-M 網(wǎng)絡(luò)上承載寬帶集群(broadband trunking，B-Trunc)業(yè)務(wù)。

以結(jié)合B-Trunc 集群調(diào)度業(yè)務(wù)的綜合承載方案為例，LTE-M 系統(tǒng)由主/備用控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、車輛段/停車場(chǎng)設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載終端設(shè)備和移動(dòng)終端設(shè)備構(gòu)成。一般采用A、B 雙網(wǎng)，A 網(wǎng)承載綜合業(yè)務(wù)，B 網(wǎng)承載信號(hào)業(yè)務(wù)；可選擇方案有雙核心網(wǎng)、三核心網(wǎng)、四核心網(wǎng)等，綜合考慮可靠性與經(jīng)濟(jì)性，采用三核心網(wǎng)較為合適。典型的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 LTE-M 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Figure 1 LTE-M system architecture

核心網(wǎng)一般設(shè)置于A 網(wǎng)主用控制中心、A 網(wǎng)備用控制中心和B 網(wǎng)備用控制中心中，控制中心的配置包括演進(jìn)分組核心網(wǎng)(evolved packet core network，EPC)(含eMME 移動(dòng)性管理實(shí)體、eHSS 歸屬用戶服務(wù)器、x-GW 網(wǎng)關(guān)、TCF 集群控制功能體，以及TMF 集群媒體功能體等)、核心路由器、核心交換機(jī)、1588V2 時(shí)鐘服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器及接口監(jiān)測(cè)設(shè)備等，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)核心路由器與LTE 車地綜合通信系統(tǒng)相連。核心網(wǎng)層面同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余、設(shè)備級(jí)冗余和板卡級(jí)冗余，以確保系統(tǒng)的可靠性[8]。

無(wú)線接入網(wǎng)層面，基站采用分布式架構(gòu)，由基帶處理單元(base band unit，BBU)和遠(yuǎn)端射頻單元(remote radio unit，RRU)組成。BBU 采用分散設(shè)置，RRU 采用同站址雙網(wǎng)方式進(jìn)行覆蓋，A、B 網(wǎng)覆蓋完全相同的區(qū)域[9]。

車載設(shè)備層面，以4 終端接入單元(terminal access unit，TAU)方案為例，LTE-M 車載無(wú)線系統(tǒng)如圖2 所示。系統(tǒng)由車頭、車尾無(wú)線子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)由2 套TAU 設(shè)備、1 套車載調(diào)度設(shè)備、車載天線及天線合路單元組成。車頭配置A 網(wǎng)TAU 設(shè)備2 套，車尾配置A、B 網(wǎng)TAU 各1 套。車頭A-TAU1 和車尾B - TAU1 供列車運(yùn)行直接相關(guān)業(yè)務(wù)使用，頭/尾2 個(gè)TAU相互獨(dú)立；車頭A-TAU2 與車尾A-TAU3 供生產(chǎn)及維修類等業(yè)務(wù)使用，頭/尾2 個(gè)TAU 互為主備。設(shè)置在車頭的2 個(gè)TAU 及集群車載臺(tái)共用車頭位置的天線，設(shè)置在車尾的2 個(gè)TAU 及集群車載臺(tái)共用車尾位置的天線。

圖2 LTE-M 系統(tǒng)車載設(shè)備 Figure 2 LTE-M system equipment on train

3 城軌公網(wǎng)5G 技術(shù)應(yīng)用情況

隨著5G 公網(wǎng)的不斷建設(shè)，部分城市開(kāi)始將5G 公網(wǎng)引入城軌新建線路。和專網(wǎng)的迭代方式不同，5G 并非完全替代傳統(tǒng)2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，而是采用2G/3G/4G/ 5G 網(wǎng)絡(luò)并存的方案，以保證既有不同類型的2G/3G/ 4G 網(wǎng)絡(luò)用戶的正常使用，并逐步向5G 網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。

中國(guó)的4家電信運(yùn)營(yíng)商分別獲得了不同的5G頻率。中國(guó)移動(dòng)獲得的是2.6 G+4.9 GHz，即2 515～2 675 MHz頻段的160 MHz 加上4 800～4 900 MHz 頻段的100 MHz，共計(jì)是260 MHz。中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通獲得的是3.5 GHz，其中中國(guó)電信是3 400～3 500 MHz，中國(guó)聯(lián)通是3 500～3 600 MHz，兩家還可以在5G 上開(kāi)通3.5 GHz 的載波聚合(carrier aggregation，CA)。由于空間所限和覆蓋成本的問(wèn)題，中國(guó)移動(dòng)在城軌區(qū)域只引入了2.6 GHz 系統(tǒng)信號(hào)。第4 家電信運(yùn)營(yíng)商中國(guó)廣電獲得703～733/758～788 MHz 頻段，但是引入城軌尚未開(kāi)始，出于節(jié)約投資的考慮，與其他運(yùn)營(yíng)商共享引入網(wǎng)絡(luò)的可能性較大。一般來(lái)講，前三家運(yùn)營(yíng)商會(huì)委托中國(guó)鐵塔進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一引入[10-11]。

目前，我國(guó)部分城市已經(jīng)在城市軌道交通中引入了5G 技術(shù)。比如：由四川移動(dòng)和四川鐵塔合作完成的成都地鐵10 號(hào)線太平園站，是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于2.6 GHz頻段的5G 數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，站內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋；由大連聯(lián)通公司打造的大連地鐵1 號(hào)線大連北站，5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋了整個(gè)車站站廳，乘客可以在車站接入由聯(lián)通5G 轉(zhuǎn)換的熱點(diǎn)，下載峰值超過(guò)600 Mbit/s；由中國(guó)移動(dòng)吉林公司完成的長(zhǎng)春地鐵2 號(hào)線文化廣場(chǎng)站，將移動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成WiFi 的形式覆蓋，乘客可以在站內(nèi)體驗(yàn)5G 高清視頻等。

車站5G 無(wú)線覆蓋采用分布式皮基站方式，即BBU+pHub+pRRU 方式；隧道5G 無(wú)線覆蓋采用分布式宏基站方式，即5G-RRU+隧道POI 設(shè)備+泄漏電纜方式。由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同，有別于傳統(tǒng)2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，車站內(nèi)3 家運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)天線覆蓋不再采用合用方式，而是采用獨(dú)立設(shè)置；區(qū)間由于考慮頻率差異和投資成本，移動(dòng)獨(dú)用13/8 英寸漏纜，電信和聯(lián)通合用5/4 英寸漏纜。

4 城軌專網(wǎng)5G 技術(shù)應(yīng)用探討

4.1 業(yè)務(wù)需求

用戶業(yè)務(wù)需求層面，5G 時(shí)代主要是面對(duì)業(yè)務(wù)流量提高和業(yè)務(wù)類型拓展兩個(gè)維度。由于在4G 車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中，可保證的帶寬依然受限，所以導(dǎo)致視頻類業(yè)務(wù)受到一定限制。比如，車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)(含軌檢)視頻業(yè)務(wù)、集群視頻調(diào)度業(yè)務(wù)等，這些業(yè)務(wù)都對(duì)視頻流數(shù)量和帶寬有著較高的要求。而4G 網(wǎng)絡(luò)的帶寬受到頻譜資源的限制，并不能滿足一些大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的要求。業(yè)務(wù)的新類型也受限于列車控制類和生產(chǎn)類等業(yè)務(wù)對(duì)基本保證帶寬的擠壓，很難做到動(dòng)態(tài)調(diào)整。在5G 網(wǎng)絡(luò)上，可以更多地滿足視頻類業(yè)務(wù)的數(shù)量和流量要求，同時(shí)給各種即時(shí)檢測(cè)類業(yè)務(wù)和應(yīng)急視頻類業(yè)務(wù)的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

頻率資源層面，除了繼續(xù)深耕1.8 GHz 的20 MHz頻段、提高利用率之外，開(kāi)展更多的業(yè)務(wù)需要主管部門有進(jìn)一步的頻率資源支持，如將1.8 GHz 的20 MHz頻段單獨(dú)用于城軌行業(yè)，以保證業(yè)務(wù)綜合承載的應(yīng)用。線路區(qū)間的無(wú)線覆蓋受限，則更需要進(jìn)一步的頻率資源，以頻率換空間，提高服務(wù)性能。

馬隆子咸，為成都王前鋒。王瑚率□討咸于市。馬咸軍牢不可動(dòng)，胡乃使十騎與戰(zhàn)，□戟馬頭，放令向咸，又使數(shù)十騎各郟于放馬。馬驚奔咸，咸軍即壞。(《北堂書(shū)鈔》)[注] 《北堂書(shū)鈔》卷一百一十六《武功部四·謀策五》，下冊(cè)，第234頁(yè)上欄?！昂奔赐鹾鳎娜绱?。

4.2 系統(tǒng)方案

以結(jié)合B-Trunc 集群調(diào)度業(yè)務(wù)的綜合承載方案為例，5G 車地?zé)o線通信系統(tǒng)由主/備用控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、車輛段/停車場(chǎng)設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載終端設(shè)備和移動(dòng)終端設(shè)備構(gòu)成，采用A、B 雙網(wǎng)，A 網(wǎng)進(jìn)行綜合承載，B 網(wǎng)承載信號(hào)業(yè)務(wù)和集群調(diào)度業(yè)務(wù)等與列車運(yùn)行直接相關(guān)的業(yè)務(wù)，典型的系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

核心網(wǎng)一般設(shè)置于A 網(wǎng)主用控制中心、A 網(wǎng)備用控制中心和B 網(wǎng)備用控制中心，控制中心配置包括核心網(wǎng)EPC、核心路由器、核心交換機(jī)、IEEE1588V2時(shí)鐘服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器及接口監(jiān)測(cè)設(shè)備等，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)核心路由器與5G 車地綜合通信系統(tǒng)相連。

無(wú)線接入網(wǎng)層面，基站采用分布式架構(gòu)，車站5G無(wú)線覆蓋采用分布式皮基站方式，即BBU+pHub+pRRU方式，BBU 采用分散設(shè)置，A、B 網(wǎng)覆蓋完全相同的區(qū)域。皮基站覆蓋半徑為20～50 m。

無(wú)線覆蓋層面，站廳、設(shè)備區(qū)、辦公區(qū)、出入口采用pRRU 內(nèi)置天線覆蓋。島式站臺(tái)采用漏纜覆蓋，側(cè)式站臺(tái)及不規(guī)則站臺(tái)采用pRRU 內(nèi)置天線覆蓋；隧道/地面區(qū)間采用漏纜覆蓋；車輛段/停車場(chǎng)采用pRRU內(nèi)置天線、室外定向/全向天線及漏纜覆蓋。

隧道5G 覆蓋采用分布式宏基站方式，即5G-RRU+ 隧道POI 設(shè)備+泄漏電纜方式，RRU 設(shè)備布置間距與工作頻段有關(guān)，采用和LTE-M 系統(tǒng)同樣的1.8 GHz 頻段為800～1 000 m。

圖3 城軌專網(wǎng)5G 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Figure 3 Network architecture of 5G in urban rail

車載設(shè)備層面與4G 網(wǎng)絡(luò)模式相同。目前4G 車載采用下行2×2 多輸入多輸出(multi input multi output，MIMO)，而要發(fā)揮5G 優(yōu)勢(shì)，則需要4×4以上的MIMO。

4.3 發(fā)展前景

4.3.1 業(yè)務(wù)發(fā)展

視頻類業(yè)務(wù)和綜合業(yè)務(wù)承載將促進(jìn)5G 技術(shù)快速應(yīng)用。5G 專網(wǎng)應(yīng)用將融合地鐵專用通信系統(tǒng)，公務(wù)電話、專用電話、無(wú)線通信系統(tǒng)將融合為統(tǒng)一通信系統(tǒng)，有線無(wú)線一體化成為新趨勢(shì)。

4.3.2 全自動(dòng)運(yùn)行

全自動(dòng)運(yùn)行將運(yùn)行控制重心由車站值班員轉(zhuǎn)向中心調(diào)度員。隨著全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，人工介入運(yùn)行場(chǎng)景將越來(lái)越少，線網(wǎng)化運(yùn)營(yíng)成為新需求，對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)的依賴將越來(lái)越大，故障模式下如何快速利用5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)急處理將成為新課題。

4.3.3 公專網(wǎng)絡(luò)融合

公網(wǎng)將越來(lái)越多地服務(wù)于城軌業(yè)務(wù)場(chǎng)景，同時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)兩種趨勢(shì)：一種是5G 公網(wǎng)部分替代5G 專網(wǎng)承載的部分業(yè)務(wù)，如PIS 或檢測(cè)類業(yè)務(wù)；另一種是5G公網(wǎng)直接承載新業(yè)務(wù)，如維修類通信業(yè)務(wù)。公網(wǎng)與專網(wǎng)也將嘗試進(jìn)行融合，如在視頻應(yīng)用方面進(jìn)行嘗試。5G 網(wǎng)絡(luò)還將NB-IoT(narrowband internet of things)物聯(lián)網(wǎng)引入城軌，給城軌的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)新的助力。

4.3.4 無(wú)線覆蓋

隨著2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)逐步停用，如何將地鐵隧道有限空間內(nèi)原7 根漏纜(專用2+公安政務(wù)1+公網(wǎng)4)統(tǒng)籌規(guī)劃，在不排除公網(wǎng)和專網(wǎng)適度合用漏纜的情況下，充分發(fā)揮5G MIMO 的作用，這對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的提升將有至關(guān)重要的影響。

5G 技術(shù)給新業(yè)務(wù)的應(yīng)用提供了廣闊前景，新業(yè)務(wù)也不斷促生5G 應(yīng)用的新場(chǎng)景，依托業(yè)務(wù)與技術(shù)的“雙輪”驅(qū)動(dòng)，城軌建設(shè)將迎來(lái)更美好的明天。

4.4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與城軌4G 專網(wǎng)LTE-M 系統(tǒng)方案相比，城軌5G專網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1) 更高的速率滿足生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求。LTE-M 系統(tǒng)在保證滿足列車運(yùn)行相關(guān)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，不能完全滿足視頻監(jiān)控、PIS 業(yè)務(wù)和維修類業(yè)務(wù)需求，特別是無(wú)人駕駛線路需要更高的速率。5G 技術(shù)提供更高的傳輸速率，能更好地滿足非列車運(yùn)行的相關(guān)業(yè)務(wù)需求。

2) 更低的時(shí)延適用于下一代列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。下一代列車運(yùn)行控制系統(tǒng)將采用的車車通信技術(shù)，以及正在研究的虛擬編組技術(shù)，都要求更低的通信時(shí)延，而5G 的低時(shí)延特性將更好地滿足列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的需求。

3) 萬(wàn)物互聯(lián)便于業(yè)務(wù)拓展。5G 的萬(wàn)物互聯(lián)特性用于城市軌道交通設(shè)備的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，且可降低傳感器、處理器的成本，非常適合智能運(yùn)維業(yè)務(wù)。

除此之外，使用5G 給人員和設(shè)備定位，可用于智慧工地建設(shè)；5G 通信的大容量、低時(shí)延，可保障數(shù)字鏡像逼真復(fù)現(xiàn)或模擬實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)的各種場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)故障的診斷和預(yù)測(cè)，進(jìn)而保障城市軌道交通運(yùn)行的高效和可靠性。

5 城軌專用5G 應(yīng)用的問(wèn)題與建議

在城市軌道交通環(huán)境中，應(yīng)用5G 在無(wú)線覆蓋、核心網(wǎng)切換時(shí)延、可靠性與經(jīng)濟(jì)性、承載網(wǎng)的安全構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)同步方面還存在一些問(wèn)題。

5.1 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線覆蓋

5G 頻譜利用率是4G 頻譜利用率的10 倍以上，但這需要采用MIMO 天線。在城軌線路地下區(qū)間，由于空間限制，MIMO 天線無(wú)法安裝，需要采用漏纜覆蓋，且目前最多只能有4根5G漏纜，最多4×4的MIMO使5G 吞吐量受限，導(dǎo)致覆蓋性能大打折扣。

解決建議：隨著2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)用戶不斷轉(zhuǎn)向5G，2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)逐步停用，5G 漏纜可以有更好的覆蓋條件。另外，也可以對(duì)公網(wǎng)專網(wǎng)合用漏纜開(kāi)展試點(diǎn)研究，提高漏纜利用率，發(fā)揮MIMO 優(yōu)勢(shì)。

5.2 核心網(wǎng)切換時(shí)延

LTE-M 系統(tǒng)核心網(wǎng)設(shè)備的切換時(shí)延為分鐘級(jí)，5G核心網(wǎng)切換還未驗(yàn)證。在核心網(wǎng)故障切換期間，對(duì)于業(yè)務(wù)有潛在風(fēng)險(xiǎn)，雖然信號(hào)專業(yè)采用A/B 網(wǎng)雙發(fā)選收機(jī)制從業(yè)務(wù)層面應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，但其他業(yè)務(wù)強(qiáng)烈依賴A 網(wǎng)的健壯性，受核心網(wǎng)切換的影響較大。

解決建議：設(shè)備系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)主要面向公網(wǎng)用戶，普通用戶業(yè)務(wù)中斷的影響遠(yuǎn)低于專網(wǎng)用戶，其風(fēng)險(xiǎn)對(duì)設(shè)計(jì)要求并不高。對(duì)于5G 專網(wǎng)來(lái)說(shuō)，需要結(jié)合業(yè)務(wù)針對(duì)性，研究核心網(wǎng)的切換機(jī)制，優(yōu)化核心網(wǎng)的切換時(shí)延，以降低業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 可靠性與經(jīng)濟(jì)性

4G/5G 車地網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)層面同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余、設(shè)備級(jí)冗余和板卡級(jí)冗余，系統(tǒng)的可靠性很高。而在考慮多核心網(wǎng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的可靠性和投資情況綜合考慮，不能一味追求可靠性而追加投資。以四核心網(wǎng)方案為例，主備控制中心分別設(shè)置A/B 網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)備，A/B 網(wǎng)同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余、設(shè)備級(jí)冗余和板卡級(jí)冗余，系統(tǒng)的可靠性很高。但是，由于單網(wǎng)內(nèi)主備核心網(wǎng)的切換時(shí)間長(zhǎng)，單網(wǎng)業(yè)務(wù)仍舊需要中斷，所以沒(méi)有起到應(yīng)有的作用。

解決方案：網(wǎng)絡(luò)的可靠性一般以預(yù)防單點(diǎn)故障為前提，如果將業(yè)務(wù)層面保護(hù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)級(jí)冗余，就能有效預(yù)防單點(diǎn)失效。此時(shí)，設(shè)備級(jí)冗余設(shè)計(jì)的必要性就值得探討。

5.4 承載網(wǎng)安全構(gòu)建

4G/5G 車地網(wǎng)絡(luò)依托承載網(wǎng)進(jìn)行骨干信號(hào)傳輸，大多采用多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)(multi-service transport platform，MSTP)/光傳輸網(wǎng)絡(luò)(optical transport network，OTN)進(jìn)行承載。光傳輸系統(tǒng)的冗余保護(hù)方式普遍采用環(huán)網(wǎng)保護(hù)，設(shè)備具備板卡級(jí)冗余，一般不考慮設(shè)備級(jí)冗余。在實(shí)際承載業(yè)務(wù)時(shí)，這種方式有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。以信號(hào)專業(yè)承載為例，信號(hào)冗余碼流由控制中心與車地網(wǎng)絡(luò)中心的核心路由器相連，再?gòu)膫鬏斚到y(tǒng)傳輸至各車站/區(qū)間的BBU/RRU，最后通過(guò)空口發(fā)至列車。信號(hào)系統(tǒng)主備碼流均依賴光傳輸系統(tǒng)，而主用控制中心只有一臺(tái)光傳輸設(shè)備，兩條碼流均經(jīng)過(guò)于此，如果該傳輸設(shè)備發(fā)生故障，將對(duì)業(yè)務(wù)造成嚴(yán)重影響。

解決方案：建議5G 無(wú)線網(wǎng)和承載網(wǎng)的設(shè)計(jì)都要充分分析各種故障工況，特別是單點(diǎn)故障，從設(shè)計(jì)層面提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，消除潛在風(fēng)險(xiǎn)。

5.5 網(wǎng)絡(luò)同步

4G/5G 車地?zé)o線通信系統(tǒng)需要同步時(shí)鐘源，目前的同步方式以全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)/北斗時(shí)鐘源為主用，IEEE1588V2 時(shí)鐘源為備用。如果某種情況下，GPS 信號(hào)中斷，將可能導(dǎo)致通信中斷，對(duì)業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。

解決方案：北斗網(wǎng)絡(luò)有其自身的發(fā)展歷程，也在不斷提高同步精度，建議在新建線路中，加強(qiáng)對(duì)北斗同步和1588V2 同步模式下車地?zé)o線通信系統(tǒng)的調(diào)試驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用，逐步做到以北斗網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘源為主用，防止同步時(shí)鐘源發(fā)生意外時(shí)通信業(yè)務(wù)受到影響。

6 結(jié)語(yǔ)

筆者總結(jié)了城市軌道交通車地通信主要承載的業(yè)務(wù)，給出了LTE-M 綜合承載列車運(yùn)行、生產(chǎn)和維修等不同類型業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合城市軌道交通業(yè)務(wù)需求和發(fā)展，構(gòu)建了5G 專網(wǎng)并設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)方案，分析了城軌5G 的發(fā)展前景，并對(duì)應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題提出了相關(guān)的解決方法。