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基于5G的城市軌道交通車地?zé)o線通信應(yīng)用

2021-11-16 20:14:15張艷趙國強(qiáng)
關(guān)鍵詞:車地專網(wǎng)城軌

張艷 趙國強(qiáng)

摘要:城市軌道交通行業(yè)采用多種制式技術(shù)承載車地?zé)o線通信業(yè)務(wù),無法滿足未來地鐵多種應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)演進(jìn)需求。通過對未來地鐵應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求演進(jìn)情況進(jìn)行分析,剖析5G技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù),提供了城軌5G專網(wǎng)組網(wǎng)方案及各網(wǎng)絡(luò)層的組網(wǎng)方式。城軌車地?zé)o線5G專網(wǎng)應(yīng)用可以滿足未來地鐵業(yè)務(wù)需求,組網(wǎng)方案符合未來發(fā)展趨勢,為智慧城軌發(fā)展提供了建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞:5G;軌道交通;業(yè)務(wù)需求;組網(wǎng)方案

中圖分類號:TN929文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1008-1739(2021)18-69-5

0引言

在產(chǎn)業(yè)升級、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下,城市軌道交通行業(yè)持續(xù)發(fā)展,信息化建設(shè)的成果初具規(guī)模[1]。軌道交通車地?zé)o線通信在這波浪潮推動下,從窄帶演進(jìn)到寬帶,進(jìn)而衍生出LTE、WLAN等多種技術(shù)。

當(dāng)前階段,Tetra系統(tǒng)可以滿足列車集群調(diào)度需求,LTE系統(tǒng)和WLAN系統(tǒng)可以滿足信號業(yè)務(wù)和綜合承載業(yè)務(wù)需求。但隨著《中國城市軌道交通智慧城規(guī)發(fā)展綱要》的發(fā)布,車地?zé)o線通信的需求發(fā)生了重大改變,當(dāng)前技術(shù)即將無法滿足未來的城軌行業(yè)信息化建設(shè)要求。如何將具備更低時(shí)延、更大帶寬、更大連接密度的5G技術(shù)應(yīng)用到車地?zé)o線通信場景,積極探索城軌行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用已經(jīng)迫在眉睫。

1業(yè)務(wù)需求分析

車地?zé)o線通信系統(tǒng)通過滿足列車自動控制系統(tǒng)(CBTC)、列車狀態(tài)信息(TCMS)、列車集群調(diào)度、乘客信息系統(tǒng)(PIS)/視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)業(yè)務(wù)、緊急文本、乘客緊急對講(IPH)及運(yùn)營維修業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)傳輸需求[2],在列車與信號、列車與調(diào)度、列車與PIS、IMS(視頻監(jiān)控系統(tǒng))、列車與維修等通信主體之間保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定、可靠,達(dá)到安全、有序、可持續(xù)運(yùn)營的列車運(yùn)營目標(biāo)[3],車地?zé)o線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求如表1所示。

車地?zé)o線通信系統(tǒng)一般采用多種技術(shù)來滿足業(yè)務(wù)需求,采用Tetra技術(shù)承載列車集群調(diào)度、LTE-M技術(shù)承載信號業(yè)務(wù)、WLAN技術(shù)承載PIS/CCTV等大帶寬業(yè)務(wù)。車地?zé)o線通信系統(tǒng)也可單獨(dú)采用LTE-M技術(shù)承載所有業(yè)務(wù),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(yùn)里程增加和智慧城軌建設(shè)的發(fā)展,當(dāng)前的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)越來越不能滿足車地?zé)o線通信需求,主要體現(xiàn)在:車載視頻無法實(shí)時(shí)、高清回傳到運(yùn)營中心;運(yùn)營中心無法實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析列車狀態(tài);運(yùn)營中心的PIS數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)、直播式推送給車內(nèi)乘客;日常運(yùn)維、檢修工作缺乏有效通信手段等方面。

2應(yīng)用場景及需求演進(jìn)

軌道交通行業(yè)加快向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向演進(jìn),促使地鐵在運(yùn)營、調(diào)度、應(yīng)急、安防及維護(hù)等場景中演化出新的業(yè)務(wù)需求。按地鐵應(yīng)用場景將業(yè)務(wù)需求劃分成3類,分別是列車安全類、生產(chǎn)管理類和運(yùn)維管理類。

2.1列車安全類

列車安全類業(yè)務(wù)需求包含CBTC、列車調(diào)度及列車狀態(tài)監(jiān)測等業(yè)務(wù),主要保證列車安全運(yùn)行,核心內(nèi)容是保障列車與運(yùn)營中心之間的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、安全。

CBTC業(yè)務(wù)指列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中車-地雙向互聯(lián)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),完成列車位置跟蹤、移動授權(quán)、車次號上報(bào)等功能。在未來場景中,CBTC業(yè)務(wù)對傳輸時(shí)延要求更低,對傳輸可靠性要求更高。

列車調(diào)度業(yè)務(wù)指運(yùn)營中心通過集群語音通信對列車行車計(jì)劃的調(diào)度,包含對列車的出入庫調(diào)度、正線調(diào)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(shù)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(jī)身體狀態(tài)、監(jiān)測司機(jī)室及線路實(shí)時(shí)圖像等可視化調(diào)度手段,保障列車穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來越高。

列車狀態(tài)監(jiān)測指運(yùn)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(shù)傳感器數(shù)據(jù)只在列車控制中心存放,無法實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭\(yùn)營中心,更無法對車輛傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析。隨著我國全自動列車運(yùn)營里程快速增長,列車狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測、預(yù)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(biāo)是實(shí)現(xiàn)具備低時(shí)延、低丟包率、高可靠、系統(tǒng)級冗余配置、高移動性等特征的車地雙向數(shù)據(jù)傳輸,列車安全類演進(jìn)需求如表2所示。

2.2生產(chǎn)管理類

生產(chǎn)管理類業(yè)務(wù)需求包括PIS、IMS等業(yè)務(wù),核心內(nèi)容是提供大帶寬的車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸通道。

PIS系統(tǒng)主要滿足向乘客播報(bào)列車運(yùn)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?cái)?shù)據(jù)傳輸通道,車載PIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(tǒng)主要滿足運(yùn)營中心通過車地?zé)o線鏈路實(shí)時(shí)、集中監(jiān)控列車司機(jī)室、列車車廂等車載圖像信息。IMS系統(tǒng)目前最多監(jiān)控2路1 Mbps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(chǎn)管理類主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)大帶寬傳輸,對丟包率、時(shí)延及可靠性不敏感,列車安全類演進(jìn)需求如表3所示。

2.3運(yùn)維管理類

運(yùn)維管理類有需求應(yīng)急、維修、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、安檢等業(yè)務(wù),核心內(nèi)容是提供廣覆蓋、高連接數(shù)的車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸通道。

運(yùn)維管理工作地點(diǎn)分布在地鐵隧道、高架、車輛段及站廳等,每個(gè)工班都需要進(jìn)行集群語音、可視對講、圖像信息傳輸?shù)葮I(yè)務(wù),對現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷造成巨大挑戰(zhàn)。該類業(yè)務(wù)場景主要實(shí)現(xiàn)廣覆蓋、高連接容量等功能,對吞吐量、可靠性、丟包率不敏感,列車安全類演進(jìn)需求如表4所示。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

5G通信系統(tǒng)由5G核心網(wǎng)、5G基站(gNB)、終端(UE)及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(DN)等組成,支持?jǐn)?shù)據(jù)連接和服務(wù)。5G核心網(wǎng)將用戶平面(UP)和數(shù)據(jù)平面(CP)功能分開,允許獨(dú)立擴(kuò)展運(yùn)行,具備靈活網(wǎng)絡(luò)切片功能,5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

5G通信系統(tǒng)在增強(qiáng)移動寬帶(eMBB)、高可靠低時(shí)延連接(uRLLC)和海量物聯(lián)(mMTC)三大場景中,相比LTE網(wǎng)絡(luò)具有革命性發(fā)展。5G通信的關(guān)鍵指標(biāo)[4]為:支持1Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率;支持低至1 ms的端到端數(shù)據(jù)時(shí)延;支持500 km/h以上的高速移動;支持高于100 Gbps/km2的連接密度;支持99.999%的高可靠性。

(1)大規(guī)模天線技術(shù)

大規(guī)模天線技術(shù)亦稱Massive MIMO,相比LTE系統(tǒng),5G的Massive MIMO支持的基站天線個(gè)數(shù)由傳統(tǒng)2/4/8天線演進(jìn)到64/128/256天線[5],極大提升了小區(qū)峰值吞吐率;支持空間波束賦形技術(shù),提供小區(qū)邊緣信噪比及吞吐率,降低鄰區(qū)干擾。

Massive MIMO技術(shù)配合100 MHz頻譜帶寬及合理的時(shí)隙配比,可以實(shí)現(xiàn)上行高達(dá)650 Mbps、下行高達(dá)2.5 Gbps的峰值速率。

(2)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G核心網(wǎng)的UP和CP獨(dú)立運(yùn)行,網(wǎng)元之間進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì),各網(wǎng)元位置可以靈活部署。5G核心網(wǎng)優(yōu)化了本地路由并將UPF網(wǎng)元下沉到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的部署位置,減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的低時(shí)延傳輸。5G系統(tǒng)在空口優(yōu)化了幀結(jié)構(gòu),節(jié)省調(diào)度開銷,從而降低了空口傳輸時(shí)延,時(shí)延優(yōu)化關(guān)鍵路徑如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)結(jié)合空口優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了低至1 ms的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

(3)QoS流技術(shù)

5G QoS流是QoS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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)。基于QoS流調(diào)度的承載不再設(shè)置專用承載和默認(rèn)承載,每個(gè)數(shù)據(jù)會話必須有一個(gè)默認(rèn)QoS規(guī)則相關(guān)聯(lián)的QoS流,該QoS流在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期都給UE提供連接。

不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在不同的QoS配置上進(jìn)行調(diào)度,高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)被優(yōu)先保障調(diào)度,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

(4)其他技術(shù)

5G系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)變信道估計(jì)[6]設(shè)計(jì),支持多徑信道解調(diào),從而支持更高的終端移動性。設(shè)計(jì)了動態(tài)無線資源管理,優(yōu)化了切換流程,保持了空口數(shù)據(jù)無縫切換的特性。

通過分析關(guān)鍵指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù),5G通信技術(shù)能夠滿足軌道交通行業(yè)未來多種場景的業(yè)務(wù)需求。

4 5G應(yīng)用方案

傳統(tǒng)的城市軌道交通專網(wǎng)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層和終端層,將5G典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)映射到城軌專網(wǎng)上,得到如圖3所示的城軌網(wǎng)絡(luò)5G組網(wǎng)架構(gòu)。

4.1應(yīng)用層組網(wǎng)

隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)等5G技術(shù)的興起,應(yīng)用層組網(wǎng)將不再局限于在運(yùn)營中心設(shè)置本地的物理機(jī)房,實(shí)現(xiàn)自主可控、功能完備、安全可靠的城軌云與大數(shù)據(jù)平臺成為未來趨勢。

城軌云及大數(shù)據(jù)平臺有助于突破數(shù)據(jù)共享壁壘,統(tǒng)一管理各業(yè)務(wù)的運(yùn)維數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)云業(yè)務(wù)的協(xié)同管理。

當(dāng)前階段由于云基礎(chǔ)平臺尚不完備,應(yīng)用層組網(wǎng)采用在運(yùn)營中心建立專網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的模式,統(tǒng)一接入各專業(yè)服務(wù)器,完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理。應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間通過部署安全防火墻,限制數(shù)據(jù)訪問權(quán)限,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全隔離作用。

4.2網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)

城軌專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)5G用戶平面網(wǎng)絡(luò)切片部署和控制平面網(wǎng)絡(luò)基于服務(wù)的交互。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之間共享基礎(chǔ)設(shè)施的范圍,如表5所示。

地鐵公司需綜合考慮成本、安全及業(yè)務(wù)承載可行性等因素,建設(shè)符合自身實(shí)際的城軌5G切片網(wǎng)絡(luò)。

參考傳統(tǒng)城軌專網(wǎng)A/B網(wǎng)建設(shè)模式,5G UPF建設(shè)可以進(jìn)行冗余配置,單個(gè)業(yè)務(wù)可以同時(shí)接入多個(gè)UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),當(dāng)其中一個(gè)出現(xiàn)問題時(shí),另一個(gè)UPF和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立完成業(yè)務(wù)傳輸。一定程度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)冗余傳輸,提高車地?zé)o線鏈路可靠性,UPF網(wǎng)絡(luò)冗余架構(gòu)如圖4所示。

4.3接入層組網(wǎng)

接入層組網(wǎng)指5G基站和傳輸網(wǎng)的組網(wǎng)。傳統(tǒng)LTE在接入層組網(wǎng)時(shí),將BBU集中部署在地鐵沿線集中站機(jī)房,將RRU拉遠(yuǎn)部署在地鐵軌旁,這種方式對機(jī)房資源要求高。5G接入層網(wǎng)絡(luò)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(yùn)營中心或集中站集中部署CU,將DU和AAU(有源天線單元)拉遠(yuǎn)部署,可以有效減少管理成本和節(jié)省機(jī)房資源,5G基站集中部署架構(gòu)如圖5所示。

4.4終端層組網(wǎng)

5G車載終端主要包含TAU、車載臺等,用于承載信號業(yè)務(wù)、集群調(diào)度和綜合承載業(yè)務(wù)。5G車載終端作為列車數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),將列車數(shù)據(jù)發(fā)往空口并傳送到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),同時(shí)接收來自空口的數(shù)據(jù),并下發(fā)給車載業(yè)務(wù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。

4.5城軌5G部署難題

5G技術(shù)能夠滿足城軌專網(wǎng)建設(shè)的業(yè)務(wù)指標(biāo)和組網(wǎng)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(wǎng)批復(fù)的頻率為1 785~1 805 MHz,本頻段不在5G FR1支持的頻率范圍內(nèi),為城軌5G專網(wǎng)部署重新申請專網(wǎng)頻段還是復(fù)用運(yùn)營商頻段,是需要頂層設(shè)計(jì)的問題。

5G基站應(yīng)用Massive MIMO技術(shù)支持在地鐵地面部署64 T64R大規(guī)模天線,但在地鐵隧道內(nèi)不具備條件。主要是隧道內(nèi)部署2根以上的漏纜成本極高,較少的漏纜根數(shù)無法達(dá)到Massive MIMO效果。

5G核心網(wǎng)部署時(shí),運(yùn)營商的UPF切片與城軌專網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑尚不成熟,無法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)專網(wǎng)的安全、獨(dú)立、隔離的目標(biāo),仍需要在優(yōu)享、專享和尊享3種模式中探索。

5結(jié)束語

本文從當(dāng)前城市軌道交通行業(yè)需求出發(fā),分析未來地鐵應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求演進(jìn)情況,為了地鐵應(yīng)用場景趨向于“大帶寬、低時(shí)延、高可靠”等方面發(fā)展。5G通信系統(tǒng)具有超可靠低時(shí)延、大規(guī)模大帶寬接入能力,其關(guān)鍵指標(biāo)正好契合未來地鐵業(yè)務(wù)需求,并能提供較為完善的城軌專網(wǎng)組網(wǎng)方案,是未來車地?zé)o線通信專網(wǎng)的一種解決方案。

5G技術(shù)在地鐵實(shí)際部署中仍存在一些問題,需要城市軌道交通協(xié)會牽頭組織相關(guān)方進(jìn)行深入的試驗(yàn)探索,共同推動智慧城軌加速發(fā)展。

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