5G通信技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)車地通信中的應(yīng)用探討

王崇國(guó)，李 云

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019）

1 城市軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)采用的車地?zé)o線通信技術(shù)主要有WLAN技術(shù)和TD-LTE無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)。WLAN技術(shù)具有成本低廉、技術(shù)成熟、極易網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，但其本身也存在較大缺點(diǎn)，它在列車高速行駛下帶寬不足、切換頻繁、極易受到外部干擾等，導(dǎo)致系統(tǒng)極易丟包，對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性造成影響。LTE作為第4代移動(dòng)通信技術(shù)，可完成信號(hào)CBTC、車載PIS、CCTV等業(yè)務(wù)的綜合承載，且使用1.8 GHz專用頻率（1785 ～1805 MHz），在工程實(shí)施階段經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的頻段審批、規(guī)劃和控制，完美地解決了WLAN技術(shù)方面的缺陷，在近幾年內(nèi)成為主流技術(shù)。

隨著城市軌道交通在數(shù)字化、智慧化和綠色低碳發(fā)展領(lǐng)域的不斷探索，城市軌道車地通信業(yè)務(wù)對(duì)通信帶寬的需求不斷提升，LTE系統(tǒng)帶寬不足的問(wèn)題逐漸凸顯[1-2]?？紤]網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，也迫切需求能夠提供一個(gè)統(tǒng)一承載多種業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)，并能夠兼顧不同業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延、帶寬、傳輸可靠性等的特殊需求。5G通信技術(shù)的出現(xiàn)為上述需求提供了新的解決方案。

2 5G移動(dòng)通信技術(shù)

5G作為新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，主要優(yōu)勢(shì)在于：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶，數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)；較低的網(wǎng)絡(luò)延遲，可滿足用戶具有低時(shí)延需求的無(wú)線傳輸；極高的可靠性（低于10-9的錯(cuò)誤率），對(duì)城市軌道交通車地通信業(yè)務(wù)具有重大意義。5G技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將依賴于以下技術(shù)。

（1）MEC移動(dòng)邊緣計(jì)算。采用基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的全新的分布式計(jì)算方式，部署在網(wǎng)絡(luò)邊沿，提供計(jì)算和存儲(chǔ)等功能，使一定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)功能脫離核心網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化、時(shí)延降低、流量?jī)?yōu)化、物理安全和緩存效率增強(qiáng)等目標(biāo)。

（2）切片技術(shù)。將5G網(wǎng)絡(luò)劃分為不同特征的切片子網(wǎng)絡(luò)，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供SLA（服務(wù)等級(jí)協(xié)議）保障的連接、服務(wù)定制化、相互隔離、時(shí)延和丟包可控、端到端的“專網(wǎng)”，滿足多樣化的場(chǎng)景需求[3]。

（3）頻譜資源預(yù)留。頻譜資源帶寬可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行分配預(yù)留，比如分成2個(gè)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模分為60 MHz和40 MHz（或者80 MHz和20 MHz），定義Cell 1（運(yùn)營(yíng)商公共）、Cell 2（專用）兩類小區(qū)，分別配置公共PLMN和sub PLMN（46701/46702）。

（4）5G網(wǎng)絡(luò)QoS?；跇I(yè)務(wù)的QoS需求對(duì)數(shù)據(jù)流標(biāo)記相應(yīng)的QoS處理標(biāo)簽，網(wǎng)絡(luò)側(cè)基于QoS標(biāo)簽，執(zhí)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)；QoS標(biāo)簽可基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的需求實(shí)時(shí)變化，實(shí)時(shí)滿足業(yè)務(wù)需求。

3 5G技術(shù)在南京地鐵的應(yīng)用實(shí)施

為了探索5G技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的融合應(yīng)用，南京地鐵聯(lián)合中國(guó)聯(lián)通、設(shè)備廠家在南京地鐵2號(hào)線馬群試車線進(jìn)行了充分地測(cè)試研究后，最終將測(cè)試成果在寧句城際線進(jìn)行了落地應(yīng)用。

3.1 5G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

為控制工程投資，馬群試車線和寧句城際線5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)均采用了“5G+MEC+基站共享和核心網(wǎng)控制面共享”的模式[4,5]。寧句城際線主要建設(shè)范圍為馬群站至百水橋站站廳以及區(qū)間部分，站廳采用宏站，隧道內(nèi)部采用漏纜進(jìn)行5G覆蓋，載波頻段為3.5～3.6 GHz，帶寬設(shè)置為100 MHz，通過(guò)頻率專享使地鐵業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)快速傳輸，不受公眾訪問(wèn)量干擾，且根據(jù)業(yè)務(wù)需求建立網(wǎng)絡(luò)切片和QoS設(shè)置。運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)5G公專網(wǎng)建設(shè)和移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC設(shè)備的安裝調(diào)試。

信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)和信號(hào)大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)在列車上設(shè)置5G 終端設(shè)備和4×4 MIMO天線，通過(guò)專用5G物聯(lián)網(wǎng)卡與5G網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣計(jì)算MEC本地處理，直接傳輸至信號(hào)軌旁服務(wù)器，做到了“數(shù)據(jù)不出園區(qū)”，不進(jìn)入5G公網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

圖1 寧句城際線5G建設(shè)架構(gòu)圖

3.2 5G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測(cè)試

3.2.1 5G網(wǎng)絡(luò)QoS測(cè)試

考慮車輛智能運(yùn)維數(shù)據(jù)、車載CCTV、信號(hào)大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)等上行業(yè)務(wù)較多，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙配比選用7：3。根據(jù)各業(yè)務(wù)的特性需求，劃分了4個(gè)優(yōu)先級(jí)等級(jí)，進(jìn)行了QoS測(cè)試，其中擬定CBTC業(yè)務(wù)QoS為3，信號(hào)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)QoS為6，其他車地傳輸業(yè)務(wù)QoS為7，軌旁綜合監(jiān)控和車站內(nèi)需要使用5G傳輸數(shù)據(jù)的普通業(yè)務(wù)用戶QoS被設(shè)置為8，對(duì)業(yè)務(wù)上下行資源的搶占情況進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示，不同業(yè)務(wù)的SLA均可以保證。

圖2 不同優(yōu)先級(jí)用戶資源搶占情況測(cè)試

3.2.2 5G網(wǎng)絡(luò)傳輸能力測(cè)試

在優(yōu)先級(jí)測(cè)試的基礎(chǔ)上，多廠家聯(lián)合進(jìn)行了多業(yè)務(wù)并行運(yùn)行測(cè)試。實(shí)際傳輸能力測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)試對(duì)比5G網(wǎng)絡(luò)AAU和漏纜兩種覆蓋方式，最小傳輸速率均在100 Mbps以上，可以滿足城市軌道交通不同業(yè)務(wù)的帶寬需求。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際傳輸能力測(cè)試

3.2.3 5G網(wǎng)絡(luò)切頻測(cè)試

測(cè)試模擬城市軌道交通占用部分5G頻譜資源，設(shè)置20/40/60/80 MHz不同帶寬測(cè)試了傳輸性能。在帶寬為20 MHz，時(shí)隙配比為7：3的情況下，下行傳輸速率在134 Mbps左右，上行傳輸速率在50 Mbps左右，時(shí)延在25 ms左右，驗(yàn)證結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于LTE系統(tǒng)。

3.2.4 信號(hào)車地通信業(yè)務(wù)測(cè)試

根據(jù)信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)時(shí)延和可靠性要求高的應(yīng)用特點(diǎn)，測(cè)試主要關(guān)注5G傳輸?shù)臅r(shí)延和丟包率兩項(xiàng)指標(biāo)，在速率20 Mbps以內(nèi)進(jìn)行了多業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)并行測(cè)試。其中，上下行傳輸速率在5 Mbps以內(nèi)零丟包率，平均傳輸時(shí)延可以控制在10 ms左右，最小時(shí)延在3 ms左右。完全滿足CBTC系統(tǒng)在上下行傳輸速率分別不小于1.5 Mbps時(shí)，其丟包要求不超過(guò)1%，傳輸時(shí)延不超過(guò)100 ms的概率不小于99%的業(yè)務(wù)需求。

根據(jù)信號(hào)大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維系統(tǒng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用特點(diǎn)，測(cè)試主要關(guān)注5G傳輸?shù)拇髱捥匦?，傳輸?shù)據(jù)要求在短時(shí)間內(nèi)快速精準(zhǔn)傳遞大量系統(tǒng)運(yùn)維數(shù)據(jù)和日志信息到室內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)器。多專業(yè)并行運(yùn)行測(cè)試，實(shí)際測(cè)得信號(hào)大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)上行速率最高在180 Mbps左右，下行速率在300 Mbps左右，完全滿足信號(hào)大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)的需求。

綜合來(lái)看，5G系統(tǒng)傳輸性能較現(xiàn)有LTE-M系統(tǒng)和WLAN系統(tǒng)均有巨大的提升，一套5G網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足城市軌道交通眾多業(yè)務(wù)對(duì)于通信傳輸?shù)男枨蟆?/p>

4 需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題

對(duì)于5G系統(tǒng)承載信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)，業(yè)內(nèi)依然存在諸多不同的聲音，其中最主要的還是對(duì)系統(tǒng)安全性的考慮，認(rèn)為公專網(wǎng)模式下的傳輸安全性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，需要考慮5G專網(wǎng)模式。由于專網(wǎng)模式建設(shè)成本較高，且存在重復(fù)投資，所以公專網(wǎng)模式在經(jīng)濟(jì)性上有較大優(yōu)勢(shì)。針對(duì)安全問(wèn)題，建議在公專網(wǎng)模式下開(kāi)發(fā)合適的安全加密系統(tǒng)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，同時(shí)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行授權(quán)認(rèn)證，使系統(tǒng)傳輸安全級(jí)別達(dá)到開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)安全的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，5G技術(shù)與軌道交通業(yè)務(wù)的融合應(yīng)用仍然處于初步探索階段，5G應(yīng)用場(chǎng)景、產(chǎn)業(yè)鏈正在孵化發(fā)展。通過(guò)馬群試車線和寧句城際線的測(cè)試及應(yīng)用，證明5G通信技術(shù)在傳輸可靠性、時(shí)延、帶寬等方面均能滿足城市軌道交通眾多業(yè)務(wù)對(duì)傳輸系統(tǒng)的需求。對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)承載信號(hào)CBTC業(yè)務(wù)的安全性問(wèn)題，未來(lái)仍需結(jié)合5G技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)行探索和研究。■