探討5G 通信在城市軌道交通中的應用

楊慧玲

（重慶機電控股集團機電工程技術有限公司，重慶 400000）

0 引言

在產業(yè)升級、數字化轉型的時代背景下，城市軌道交通行業(yè)持續(xù)發(fā)展，信息化建設的成果初具規(guī)模[1]。軌道交通車地無線通信在這波浪潮推動下，從窄帶演進到寬帶，進而衍生出LTE、WLAN 等多種技術。

當前階段，Tetra 系統可以滿足列車集群調度需求，LTE 系統和WLAN 系統可以滿足信號業(yè)務和綜合承載業(yè)務需求。但隨著《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的發(fā)布，車地無線通信的需求發(fā)生了重大改變，當前技術即將無法滿足未來的城軌行業(yè)信息化建設要求。如何將具備更低時延、更大帶寬、更大連接密度的5G 技術應用到車地無線通信場景，積極探索城軌行業(yè)的創(chuàng)新應用已經迫在眉睫。

1 業(yè)務需求分析

車地無線通信系統通過滿足列車自動控制系統（CBTC）、列車狀態(tài)信息（TCMS）、列車集群調度、乘客信息系統（PIS）/視頻監(jiān)控系統（CCTV）業(yè)務、緊急文本、乘客緊急對講（IPH）及運營維修業(yè)務等數據傳輸需求[2]，在列車與信號、列車與調度、列車與PIS、IMS（視頻監(jiān)控系統）、列車與維修等通信主體之間保證數據傳輸的安全、穩(wěn)定、可靠，達到安全、有序、可持續(xù)運營的列車運營目標。車地無線通信系統一般采用多種技術來滿足業(yè)務需求，采用Tetra 技術承載列車集群調度、LTE-M技術承載信號業(yè)務、WLAN 技術承載PIS/CCTV 等大帶寬業(yè)務。車地無線通信系統也可單獨采用LTE-M 技術承載所有業(yè)務，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。

隨著地鐵客運里程增加和智慧城軌建設的發(fā)展，當前的業(yè)務數據越來越不能滿足車地無線通信需求，主要體現在車載視頻無法實時、高清回傳到運營中心；運營中心無法實時監(jiān)測、分析列車狀態(tài)；運營中心的PIS 數據無法實時、直播式推送給車內乘客；日常運維、檢修工作缺乏有效通信手段等方面。

2 應用場景及需求演進

軌道交通行業(yè)加快向數字化、網絡化和智能化方向演進，促使地鐵在運營、調度、應急、安防及維護等場景中演化出新的業(yè)務需求。按地鐵應用場景將業(yè)務需求劃分成3 類，分別是列車安全類、生產管理類和運維管理類。

2.1 列車安全類

列車安全類業(yè)務需求包含CBTC、列車調度及列車狀態(tài)監(jiān)測等業(yè)務，主要保證列車安全運行，核心內容是保障列車與運營中心之間的數據傳輸實時、安全。

CBTC 業(yè)務指列車運行控制系統中車-地雙向互聯數據業(yè)務，完成列車位置跟蹤、移動授權、車次號上報等功能。在未來場景中，CBTC 業(yè)務對傳輸時延要求更低，對傳輸可靠性要求更高。

列車調度業(yè)務指運營中心通過集群語音通信對列車行車計劃的調度，包括對列車的出入庫調度、正線調度等。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)測分析列車司機身體狀態(tài)、監(jiān)測司機室及線路實時圖像等可視化調度手段，保障列車穩(wěn)定運行的要求越來越高。

列車狀態(tài)監(jiān)測指運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，大多數傳感器數據只在列車控制中心存放，無法實時傳輸到運營中心，更無法對車輛傳感器數據進行預警分析。隨著我國全自動列車運營里程快速增長，列車狀態(tài)遠程監(jiān)測、預警分析、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是實現具備低時延、低丟包率、高可靠、系統級冗余配置、高移動性等特征的車地雙向數據傳輸。

2.2 生產管理類

生產管理類業(yè)務需求包括PIS、IMS 等業(yè)務，核心內容是提供大帶寬的車地無線數據傳輸通道。

PIS 系統主要滿足向乘客播報列車運營信息、公共緊急文本等功能，是信息傳播的重要窗口。受限于車地數據傳輸通道，車載PIS 系統可以實現新聞、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 系統主要滿足運營中心通過車地無線鏈路實時、集中監(jiān)控列車司機室、列車車廂等車載圖像信息。IMS 系統目前最多監(jiān)控2 路1Mbit/s 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。生產管理類主要目標是實現無線網絡大帶寬傳輸，對丟包率、時延及可靠性不敏感。

2.3 運維管理類

運維管理類有需求應急、維修、自動售檢票系統（AFC）、安檢等業(yè)務，核心內容是提供廣覆蓋、高連接數的車地無線數據傳輸通道。

運維管理工作地點分布在地鐵隧道、高架、車輛段及站廳等，每個工班都需要進行集群語音、可視對講、圖像信息傳輸等業(yè)務，對現有的無線網絡負荷造成巨大挑戰(zhàn)。該類業(yè)務場景主要實現廣覆蓋、高連接容量等功能，對吞吐量、可靠性、丟包率不敏感。

3 5G 關鍵技術

5G 通信系統由5G 核心網、5G 基站（gNB）、終端（UE）及數據網絡（DN）等組成，支持數據連接和服務。5G 核心網將用戶平面（UP）和數據平面（CP）功能分開，允許獨立擴展運行，具備靈活網絡切片功能。

5G 通信系統在增強移動寬帶（eMBB）、高可靠低時延連接（uRLLC）和海量物聯（mMTC）三大場景中，相比LTE 網絡具有革命性發(fā)展。5G 通信的關鍵指標為：支持1Gbit/s 以上的數據傳輸速率；支持低至1ms 的端到端數據時延；支持500km/h 以上的高速移動；支持高于每平方千米100Gbit/s 的連接密度；支持99.999%的高可靠性。

3.1 大規(guī)模天線技術

大規(guī)模天線技術亦稱MassiveMIMO，相較于LTE系統，5G 的MassiveMIMO 支持的基站天線個數由傳統2/4/8 天線演進到64/128/256 天線，極大提升了小區(qū)峰值吞吐率；支持空間波束賦形技術，提供小區(qū)邊緣信噪比及吞吐率，降低鄰區(qū)干擾。

MassiveMIMO 技術配合100MHz 頻譜帶寬及合理的時隙配比，可以實現上行高達650Mbit/s、下行高達2.5Gbit/s 的峰值速率。

3.2 網絡切片技術

5G 核心網的UP 和CP 獨立運行，網元之間進行了模塊化設計，各網元位置可以靈活部署。5G 核心網優(yōu)化了本地路由并將UPF 網元下沉到數據網絡的部署位置，減少了網絡節(jié)點，從而實現網絡側的低時延傳輸。5G 系統在空口優(yōu)化了幀結構，節(jié)省調度開銷，從而降低了空口傳輸時延。網絡切片技術結合空口優(yōu)化，實現了低至1ms 的數據傳輸時延。

3.3 QoS 流技術

5GQoS 流是QoS 數據轉發(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 流調度的承載不再設置專用承載和默認承載，每個數據會話必須有一個默認QoS 規(guī)則相關聯的QoS 流，該QoS 流在整個數據傳輸周期都給UE 提供連接。

不同優(yōu)先級的數據業(yè)務在不同的QoS 配置上進行調度，高優(yōu)先級的業(yè)務被優(yōu)先保障調度，實現數據傳輸的高可靠性。

3.4 其他技術

5G 系統進行了時變信道估計設計，支持多徑信道解調，從而支持更高的終端移動性。設計了動態(tài)無線資源管理，優(yōu)化了切換流程，保持了空口數據無縫切換的特性。

通過分析關鍵指標和關鍵技術，5G 通信技術能夠滿足軌道交通行業(yè)未來多種場景的業(yè)務需求。

4 5G 應用方案

傳統的城市軌道交通專網分為應用層、網絡層、接入層和終端層，將5G 典型網絡架構映射到城軌專網上，得到如圖1 所示的城軌網絡5G 組網架構。

圖1 城軌5G 網絡組網架構

4.1 應用層組網

隨著網絡功能虛擬化（NFV） 和軟件定義網絡（SDN）等5G 技術的興起，應用層組網將不再局限于在運營中心設置本地的物理機房，實現自主可控、功能完備、安全可靠的城軌云與大數據平臺成為未來趨勢。

城軌云及大數據平臺有助于突破數據共享壁壘，統一管理各業(yè)務的運維數據，實現云業(yè)務的協同管理。

當前階段由于云基礎平臺尚不完備，應用層組網采用在運營中心建立專網數據中心的模式，統一接入各專業(yè)服務器，完成業(yè)務數據的處理。應用層與網絡層之間通過部署安全防火墻，限制數據訪問權限，實現網絡安全隔離作用。

4.2 網絡層組網

城軌專網網絡層主要實現5G 用戶平面網絡切片部署和控制平面網絡基于服務的交互。當前的網絡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)別在于城軌專網與運營商網絡之間共享基礎設施的范圍。地鐵公司需綜合考慮成本、安全及業(yè)務承載可行性等因素，建設符合自身實際的城軌5G 切片網絡。參考傳統城軌專網A/B 網建設模式，5GUPF 建設可以進行冗余配置，單個業(yè)務可以同時接入多個UPF和數據網絡，當其中一個出現問題時，另一個UPF 和數據網絡可以獨立完成業(yè)務傳輸。一定程度實現網絡的數據業(yè)務冗余傳輸，提高車地無線鏈路可靠性，如圖2所示。

圖2 UPF 網絡冗余架構

4.3 接入層組網

接入層組網指5G 基站和傳輸網的組網。傳統LTE在接入層組網時，將BBU 集中部署在地鐵沿線集中站機房，將RRU 拉遠部署在地鐵軌旁，這種方式對機房資源要求高。5G 接入層網絡可以采用CRAN 集中部署方式：將基站拆分成CU（集中單元）和DU（分布單元），在運營中心或集中站集中部署CU，將DU 和AAU（有源天線單元）拉遠部署，可以有效減少管理成本和節(jié)省機房資源。

4.4 終端層組網

5G 車載終端主要包含TAU、車載臺等，用于承載信號業(yè)務、集群調度和綜合承載業(yè)務。5G 車載終端作為列車數據網關，將列車數據發(fā)往空口并傳送到數據網絡，同時接收來自空口的數據，并下發(fā)給車載業(yè)務設備實現業(yè)務數據的上傳下達。

4.5 城軌5G 部署難題

5G 技術能夠滿足城軌專網建設的業(yè)務指標和組網要求，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批復的頻率為1785MHz～1805MHz，本頻段不在5GFR1 支持的頻率范圍內，為城軌5G 專網部署重新申請專網頻段還是復用運營商頻段，是需要頂層設計的問題。

5G 基站應用MassiveMIMO 技術支持在地鐵地面部署64T64R 大規(guī)模天線，但在地鐵隧道內不具備條件。主要是隧道內部署2 根以上的漏纜成本極高，較少的漏纜根數無法達到MassiveMIMO 效果。

5G 核心網部署時，運營商的UPF 切片與城軌專網之間的數據傳輸路徑尚不成熟，無法實現傳統專網的安全、獨立、隔離的目標，仍需要在優(yōu)享、專享和尊享3 種模式中探索。

5 結語

本文從當前城市軌道交通行業(yè)需求出發(fā)，分析未來地鐵應用場景和業(yè)務需求演進情況，為了地鐵應用場景趨向于“大帶寬、低時延、高可靠”等方面發(fā)展。5G通信系統具有超可靠低時延、大規(guī)模大帶寬接入能力，其關鍵指標正好契合未來地鐵業(yè)務需求，并能提供較為完善的城軌專網組網方案，是未來車地無線通信專網的一種解決方案。5G 技術在地鐵實際部署中仍存在一些問題，需要城市軌道交通協會牽頭組織相關方進行深入的試驗探索，共同推動智慧城軌加速發(fā)展。