丁元鋒，吳 卉，李高科

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司, 北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所, 北京 100081）

地鐵無線網(wǎng)絡(luò)中，WLAN、數(shù)字集群（TETRA，Trans European Trunked Radio）、LTE-M和增強(qiáng)型超高吞吐量（EUHT，Enhanced Ultra High Throughput）等無線專網(wǎng)多網(wǎng)并存、專網(wǎng)專用，滿足特定應(yīng)用而分別獨(dú)立建設(shè)和運(yùn)營[1]，部分網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量并不高。文獻(xiàn)[2]提出了采用多網(wǎng)融合的方法提高傳輸質(zhì)量的方案；文獻(xiàn)[3]提出了綜合承載乘客信息系統(tǒng)（PIS，Passenger Information System）、視頻監(jiān)控（CCTV，Closed Circuit Television）和WiFi的方案，但無法承載基于通信的列車控制（CBTC，Communication Based Train Control）和調(diào)度等應(yīng)用；文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出了LTE-M綜合承載方案，但存在帶寬不足的問題；文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[8]研究了EUHT綜合承載方案，但無法承載調(diào)度和物聯(lián)網(wǎng)（IoT, Internet of Things）應(yīng)用。地鐵綜合承載一直沒有較為理想的可行方案，為此，本文研究基于5G 新空口（5G NR，5G New Radio）的地鐵專網(wǎng)綜合承載方案。

1 地鐵綜合承載需求

1.1 地鐵應(yīng)用系統(tǒng)

地鐵運(yùn)營依賴復(fù)雜而多樣化的應(yīng)用系統(tǒng)支撐，地鐵無線專網(wǎng)負(fù)責(zé)承載地鐵應(yīng)用系統(tǒng)，按照運(yùn)營安全標(biāo)準(zhǔn)分為涉及安全應(yīng)用（簡稱：涉安應(yīng)用）系統(tǒng)和非涉及安全應(yīng)用（簡稱：非涉安應(yīng)用）系統(tǒng)，涉安應(yīng)用系統(tǒng)主要包括：車—地CBTC（A+B冗余）、車—車CBTC、Tetra和寬帶集群（B-TrunC，Broadband Trunking Communication）等；非涉安應(yīng)用系統(tǒng)較多，主要包括：PIS、CCTV、列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS，Train Control and Management System）、公共廣播（PA，Public Address）、乘客WiFi及地鐵IoT應(yīng)用等。

1.2 地鐵應(yīng)用系統(tǒng)車地通信需求

地鐵不同應(yīng)用系統(tǒng)對車地通信的需求差別較大，主要差異體現(xiàn)在可靠性、帶寬、時(shí)延、丟包率及漫游中斷時(shí)間等指標(biāo)上，如表1所示。

表1 地鐵應(yīng)用系統(tǒng)車地通信需求

1.3 地鐵無線專網(wǎng)綜合承載現(xiàn)狀

地鐵環(huán)境下，WLAN、TETRA、LTE-M或EUHT等無線專網(wǎng)的綜合承載現(xiàn)狀如表2所示，專網(wǎng)之間既存在互補(bǔ)和協(xié)作、又存在競爭和替代的關(guān)系。針對當(dāng)前地鐵綜合承載需求，1個專網(wǎng)無法滿足，2個專網(wǎng)可基本滿足；如果還考慮潛在需求，即使4個專網(wǎng)協(xié)作并存也無法滿足。

表2 地鐵無線專網(wǎng)綜合承載現(xiàn)狀

現(xiàn)存地鐵無線專網(wǎng)無法滿足的承載需求包括：

（1）車—車通信和高并發(fā)寬帶集群等低時(shí)延高可靠性應(yīng)用；

（2）車載乘客信息、視頻監(jiān)控、廣播、乘客上網(wǎng)等移動性大寬帶應(yīng)用；

（3）列車控制管理系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施檢測等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

因此地鐵需要新一代的移動通信技術(shù)提升綜合承載能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合，滿足地鐵發(fā)展需求。

1.4 地鐵綜合承載需求

地鐵涉安應(yīng)用系統(tǒng)需要提升地鐵專網(wǎng)綜合承載的通信性能。地鐵信號下一代CBTC系統(tǒng)的發(fā)展可能經(jīng)歷列控和聯(lián)鎖一體化、基于車—車通信的去中心化CBTC系統(tǒng)及車載全自主CBTC系統(tǒng)3個發(fā)展階段[9]，車—車通信成為基本需求，通信性能要滿足高可靠、低時(shí)延、快速漫游切換等要求。下一代的地鐵集群調(diào)度系統(tǒng)也有同樣的發(fā)展需求，從基于語音的調(diào)度向?qū)拵Ф嗝襟w集群調(diào)度升級和演進(jìn)，支持低時(shí)延、高并發(fā)的承載技術(shù)成為基本需求。

地鐵非涉安應(yīng)用系統(tǒng)需要提升地鐵專網(wǎng)綜合承載的移動性大帶寬能力和海量物聯(lián)網(wǎng)接入能力。車載PIS和CCTV系統(tǒng)的帶寬需求一直只能得到部分滿足；TCMS、PA、WiFi等其它車載需求，一直被抑制；提升運(yùn)營效率和安全的地鐵物聯(lián)網(wǎng)需求則一直被忽視。

LTE-M地鐵專網(wǎng)的綜合承載能力得到了廣泛驗(yàn)證和認(rèn)可，正迅速地升級、替代既有的WLAN和TETRA，具備綜合承載PIS、CCTV等的技術(shù)能力，但與WLAN和EUHT相比，大帶寬能力明顯不足。另外，LTE-M也無法滿足下一代CBTC系統(tǒng)的車—車通信需求和地鐵IoT應(yīng)用需求。移動通信技術(shù)已發(fā)展到5G時(shí)代，研究5G NR綜合承載技術(shù)是滿足地鐵發(fā)展需求的必然選擇。

2 5G NR滿足地鐵綜合承載需求的技術(shù)

2.1 終端直連技術(shù)

5G NR R 15[10]標(biāo)準(zhǔn)在LTE的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)之上引入終端直連技術(shù)，把應(yīng)用場景從車聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到公共安全和關(guān)鍵應(yīng)用等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)車輛到車輛的直接通信，R 17標(biāo)準(zhǔn)還將進(jìn)一步優(yōu)化終端直連鏈路的功耗、頻譜效率、可靠性、時(shí)延等參數(shù)，R 17標(biāo)準(zhǔn)可滿足車聯(lián)網(wǎng)及地鐵下一代CBTC系統(tǒng)車—車通信需求。

2.2 低時(shí)延、高可靠性空口技術(shù)

4G單向時(shí)延通常≥20 ms，5G NR的增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB，enhanced Mobile Broadband）業(yè)務(wù)要求單向時(shí)延為4 ms，5G NR的超可靠低時(shí)延通信（uRLLC，ultra-Reliability and Low Latency Communication）業(yè)務(wù)要求單向時(shí)延為0.5 ms。為此，5G NR采用了多子載波技術(shù)，子載波寬度可為15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz或240 kHz，以縮小符號長度，降低時(shí)延。引入微小時(shí)隙，其最小只有一個符號，采用馱背運(yùn)輸方式，在常規(guī)的數(shù)據(jù)傳輸前傳輸微小時(shí)隙，獲得極低時(shí)延。在5 GHz載波偵聽空口環(huán)境中，微小時(shí)隙對保證超低時(shí)延效果明顯。另外，5G NR還引入了很多策略減少時(shí)延，包括：調(diào)度信息自包含在數(shù)據(jù)時(shí)隙中；采用異步混合自動重傳請求（HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest）；MAC和無線鏈路控制（RLC，Radio Link Control）的包頭結(jié)構(gòu)能夠在不知道數(shù)據(jù)負(fù)荷大小的情況下完成數(shù)據(jù)處理；動態(tài)TDD及時(shí)長可變的數(shù)據(jù)傳輸?shù)却胧?，降低了整體時(shí)延，可實(shí)現(xiàn)1 ms的超低時(shí)延，可為地鐵車—地、車—車通信等CBTC關(guān)鍵應(yīng)用提供高于99.999%的可靠性，還支持工業(yè)級時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載。

2.3 5G NR網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G NR核心網(wǎng)顛覆了2G、3G、4G的核心網(wǎng)設(shè)計(jì)，基于云原生和服務(wù)化架構(gòu)（SBA，Service Based Architecture），可以敏捷、高效地創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片[11]。網(wǎng)絡(luò)切片是指在通用硬件基礎(chǔ)設(shè)施中切分出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)切片在終端、無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)方面實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，更好地滿足地鐵涉安應(yīng)用和非涉安應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)隔離，涉安應(yīng)用內(nèi)部不同應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)隔離，及非涉安應(yīng)用內(nèi)部不同應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)隔離。

2.4 5G NR組播和廣播技術(shù)

LTE不支持組播功能，5G NR R17標(biāo)準(zhǔn)將支持該功能，主要針對公共安全組播場景和網(wǎng)絡(luò)視頻直播場景。以公共安全組播為例，如遇到突發(fā)事件可讓特定位置的大量用戶同時(shí)接收到警告或通知。地鐵PIS、PA及CCTV等系統(tǒng)均需要組播功能。

3 5G NR地鐵專網(wǎng)綜合承載方案探討

3.1 CBTC信號系統(tǒng)-DCS子系統(tǒng)

城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)采用冗余架構(gòu)（CBTC-A系統(tǒng)和CBTC-B系統(tǒng)），數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS，Data Communication Subsystem）為CBTC信號系統(tǒng)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，包括有線網(wǎng)絡(luò)和車—地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，要求采用獨(dú)立組網(wǎng)方式，不應(yīng)與外界網(wǎng)絡(luò)發(fā)生直接關(guān)聯(lián)。DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)[12]，為CBTC數(shù)據(jù)信息提供兩條對等獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，兩個網(wǎng)絡(luò)并行工作，完全隔離，同步傳遞數(shù)據(jù)信息。所有信息數(shù)據(jù)都通過兩個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)傳送到終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冗余通信，即DCS-A子系統(tǒng)和DCS-B子系統(tǒng)。目前，在線運(yùn)營的DCS采用兩套物理隔離的WLAN子系統(tǒng)或兩套物理隔離的LTE-M子系統(tǒng)，分別完成CBTC-A和CBTC-B的承載，若采用5G NR承載，同樣需兩套物理獨(dú)立的5G NR子系統(tǒng)。

3.2 5G NR地鐵專網(wǎng)方案探討

第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP，3rd Generation Partnership Project）為5G NR定義了兩種組網(wǎng)模式，非獨(dú)立組網(wǎng)模式（NSA，Non-Standalone）和獨(dú)立組網(wǎng)模式（SA，Standalone）。NSA模式下5G NR無線接入網(wǎng)接入到既有的4G核心網(wǎng)（EPC, Evolved Packet Core），與4G無線接入網(wǎng)共用EPC；SA模式下5G NR無線接入網(wǎng)接入到5G核心網(wǎng)（5GC, 5G Core）。

NSA和SA是全球通用的兩種5G組網(wǎng)模式。從技術(shù)的發(fā)展來看，NSA技術(shù)更成熟，已在多個國家商用，而SA尚處于初期階段。從網(wǎng)絡(luò)覆蓋來說，NSA與LTE融合一體化組網(wǎng)，可快速覆蓋；SA與LTE并行組網(wǎng)，需獨(dú)立完成覆蓋。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來說，NSA和SA均是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從業(yè)務(wù)承載和應(yīng)用來看，SA支持eMBB、uRLLC和海量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（mMTC，massive Machine Type Communication）；NSA僅支持eMBB應(yīng)用。從5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢來看，目前部署5G網(wǎng)絡(luò)的國家，幾乎都是NSA先行，并在此基礎(chǔ)上逐漸實(shí)現(xiàn)SA。

5G NR地鐵專網(wǎng)選用NSA還是SA模式進(jìn)行組網(wǎng)，既需要參考運(yùn)營商“從NSA起步、向SA演進(jìn)”的基本發(fā)展規(guī)律，也需要結(jié)合地鐵網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及應(yīng)用要求。從地鐵應(yīng)用需求來看，無論采用NSA還是SA，均能滿足地鐵專用需求，特別是CBTC等關(guān)鍵應(yīng)用，但不同的地鐵線路，無線專網(wǎng)現(xiàn)狀差異很大，因此在發(fā)展5G NR地鐵專網(wǎng)時(shí)，只能因地、因時(shí)、因頻、因需制宜，兩種組網(wǎng)模式如圖1所示。

圖1 5G NR地鐵專網(wǎng)組網(wǎng)模式

（1）已建設(shè)運(yùn)營LTE-M的地鐵線路，建議采用NSA組網(wǎng)模式建設(shè)5G NR-U，既有的兩套LTEM子系統(tǒng)滿足信號系統(tǒng)CBTC的A網(wǎng)+B網(wǎng)的冗余需求。1.8 GHz頻率資源已被LTE-M完全使用，可用資源只有5.8 GHz開放頻段或高頻專用頻段。因此建設(shè)5G NR-U，滿足TCMS、CCTV、PIS、PA等非涉安、大帶寬應(yīng)用需求，共用既有的EPC-B核心網(wǎng)絡(luò)（EPC-A核心網(wǎng)絡(luò)不共用，僅服務(wù)于涉安應(yīng)用），4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)通過分擔(dān)模式滿足地鐵的應(yīng)用需求。

（2）未建設(shè)LTE-M的地鐵線路，建議采用SA組網(wǎng)模式建設(shè)5G專網(wǎng)，可滿足當(dāng)前需求，也可滿足未來的擴(kuò)展需求。目前地鐵可用專用資源為1.8 GHz頻段的10 MHz頻率，資源極為短缺，可支撐信號系統(tǒng)和寬帶集群的需求，無法滿足地鐵其它大帶寬應(yīng)用需求。因此，應(yīng)將專用頻率用于支撐關(guān)鍵應(yīng)用即涉安應(yīng)用，開放頻率用于支撐非關(guān)鍵應(yīng)用即非涉安應(yīng)用。與3GPP的5G頻段標(biāo)準(zhǔn)吻合，即專用頻段的5G NR和開放頻段的5G NR-U，二者分別獨(dú)立組網(wǎng)。5G NR為CBTC-A信號系統(tǒng)構(gòu)建一套物理獨(dú)立的DCS；5G NR-U為CBTC-B信號系統(tǒng)構(gòu)建另外一套物理獨(dú)立的DCS。5G NR-U因?yàn)轭l率資源相對充足，還可以同時(shí)滿足地鐵TCMS、CCTV、PIS、PA等其它大帶寬應(yīng)用需求。通過一個5G技術(shù)平臺、兩個5G物理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地鐵不同應(yīng)用的綜合承載、業(yè)務(wù)適配和安全隔離。

3.3 5G NR綜合承載和雙層隔離方案探討

3.3.1 5G NR標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)切片

5G NR針對增強(qiáng)型移動寬帶、超可靠低時(shí)延通信和海量機(jī)器類通信3類應(yīng)用場景定義了eMBB、uRLLC和mMTC 3種標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)切片。通信鏈路的技術(shù)指標(biāo)包括：移動性指標(biāo)、帶寬指標(biāo)、時(shí)延指標(biāo)、用戶群規(guī)模指標(biāo)和可靠性指標(biāo)等，可以滿足公網(wǎng)需求，但是對于專網(wǎng)來講，還無法完全滿足涉安應(yīng)用和非涉安應(yīng)用的多樣化需求。

uRLLC網(wǎng)絡(luò)切片最符合地鐵涉安應(yīng)用的需求，但不同的涉安應(yīng)用又存在差異，CBTC應(yīng)用和寬帶集群對uRLLC網(wǎng)絡(luò)切片的安全性定義和通信傳輸性能的定義略有不同，需要通過技術(shù)手段進(jìn)行隔離和進(jìn)一步的差異化定義；eMBB網(wǎng)絡(luò)切片與地鐵非涉安應(yīng)用需求較為吻合，但CCTV、PIS、TCMS、PA等對傳輸性能的要求差異較大，需要通過技術(shù)手段進(jìn)行隔離和進(jìn)一步的差異化定義；mMTC網(wǎng)絡(luò)切片吻合地鐵IoT應(yīng)用，5G NR尚未完成標(biāo)準(zhǔn)定義;5G NR標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)切片是一層的，地鐵需要雙層網(wǎng)絡(luò)切片才能更好地吻合各種應(yīng)用需求，5G NR網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)支持用戶化的擴(kuò)展和開發(fā)。

3.3.2 5G NR網(wǎng)絡(luò)切片的擴(kuò)展—雙層網(wǎng)絡(luò)切片

3GPP定義了切片/業(yè)務(wù)類型（SST，Slice/Service Type），位長8 bit，用于差異化定義網(wǎng)絡(luò)切片。3GPP允許用戶擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)切片規(guī)范，定義了業(yè)務(wù)標(biāo)識碼（SD，Service Differentiator），因此可對切片進(jìn)行二次切片，二次劃分為不同的邏輯切片，不同的SD參數(shù)和配置匹配不同的差異化應(yīng)用。

另外，網(wǎng)絡(luò)切片還可與物理的頻段資源相結(jié)合，uRLLC切片可以匹配1.8 GHz或其它專用頻段，針對地鐵不同的關(guān)鍵應(yīng)用定義不同的SD；eMBB切片可以匹配5.8 GHz或其它高頻段資源，針對地鐵不同帶寬應(yīng)用定義不同的SD，從而為地鐵關(guān)鍵業(yè)務(wù)和寬帶業(yè)務(wù)提供從底層物理信號到業(yè)務(wù)層的端到端的隔離。NR基于雙層網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)適配和網(wǎng)絡(luò)隔離方案如圖2所示。

圖2 5G NR基于雙層網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)適配和網(wǎng)絡(luò)隔離方案

3.4 5G NR地鐵專網(wǎng)綜合承載方案的實(shí)施困難

（1）5G NR目前商用的標(biāo)準(zhǔn)為R 15，R 16標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成，正步入商用，但地鐵綜合承載至少需要R 17標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的完成多次推遲，目前計(jì)劃推遲到2021年底發(fā)布，產(chǎn)品化完成最快在2022年底，所以地鐵部署5G NR不應(yīng)早于2023年。

（2）5G NR地鐵專網(wǎng)無論部署在1.8 GHz頻段或較高頻段，都存在不確定性。若采用1.8 GHz頻段，地鐵隧道環(huán)境下無法應(yīng)用大規(guī)模多入多出技術(shù)（mMIMO，massive Multiple Input Multiple Output）,5G NR相對于LTE-M的技術(shù)優(yōu)勢并不明顯；若采用較高頻段，盡管 LTE-U實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，但一直沒有得到規(guī)模推廣，5G NR-U將面臨同樣問題。

（3）5G NR可完全滿足CBTC目前及將來的通信需求，但在替代TETRA和B-TrunC時(shí)需進(jìn)行比較驗(yàn)證。3GPP在R 14[13]和R 15標(biāo)準(zhǔn)中定義并完善了關(guān)鍵任務(wù)集群（MCPTT，Mission Critical Push to Talk），MCPTT可由LTE或5G NR承載，但尚未完成兼容性測試。因此，在地鐵部署5G NR，需進(jìn)行MCPTT和B-TrunC、MCPTT和TETRA的比較研究。

（4）5G NR網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)施并不容易。核心網(wǎng)、接入網(wǎng)及終端需完成跨廠商的切片兼容性測試；傳輸網(wǎng)需滿足5G NR傳輸指標(biāo)要求、支持網(wǎng)絡(luò)切片功能、完成與5G NR的兼容性測試。

（5）LTE-M服務(wù)于CBTC應(yīng)用，在地鐵已經(jīng)廣泛部署，引入5G NR或5G NR-U需要實(shí)現(xiàn)與LTEM的融合組網(wǎng)，仍待技術(shù)驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

地鐵WLAN、TETRA、LTE-M或EUHT只能承載地鐵的部分應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)完全的綜合承載和網(wǎng)絡(luò)整合。建設(shè)5G NR地鐵專網(wǎng)，在技術(shù)和政策上是可行的，利用5G NR可實(shí)現(xiàn)地鐵應(yīng)用的綜合承載和多個無線專網(wǎng)的整合，滿足地鐵應(yīng)用不斷發(fā)展和長期演進(jìn)的需求；利用5G NR雙層網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用之間的安全隔離和傳輸性能的差異化定義。5G NR標(biāo)準(zhǔn)尚需發(fā)展和完善，亟需在地鐵環(huán)境進(jìn)行5G NR的技術(shù)驗(yàn)證研究及3GPP標(biāo)準(zhǔn)的跟進(jìn)研究。