楊 剛

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司北京城市軌道工程公司，北京 100043）

1 概述

2020年，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》，明確加大5G通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)用。同時(shí)豐富應(yīng)用場(chǎng)景，以新一代信息技術(shù)與鐵路建設(shè)深度融合為牽引，打造現(xiàn)代化鐵路智慧體系。

按照前期國(guó)內(nèi)智能高鐵系統(tǒng)體系架構(gòu)模型，智慧鐵路的建設(shè)涉及到建設(shè)、裝備、運(yùn)營(yíng)等幾個(gè)主線開展。

面向智能化建設(shè)的方向需求，鐵路建設(shè)工地的智慧化管理需要滿足整體智慧鐵路的建設(shè)要求。而鐵路智慧工地將人工智能、傳感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等高科技技術(shù)植入到建筑、機(jī)械、人員穿戴設(shè)施、場(chǎng)地進(jìn)/出關(guān)口等各類物體中，并且被普遍互聯(lián)，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，再與“互聯(lián)網(wǎng)”整合在一起，實(shí)現(xiàn)工程管理體系與工程施工現(xiàn)場(chǎng)的整合。

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）具有大帶寬、廣連接、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，不僅可以為現(xiàn)場(chǎng)的人員、環(huán)境提供管理手段，還可以通過(guò)5G 新空口（NR）車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為鐵路工地上各種作業(yè)車輛提供智慧管理手段。與此同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的泛在互聯(lián)，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施。

2 5G特性及場(chǎng)景

5G新空口協(xié)議需要支持各種參數(shù)集、新編碼、新調(diào)制、多流與大規(guī)模天線技術(shù)，并通過(guò)先進(jìn)的調(diào)度與多連接等方案，基于靈活配置的平臺(tái)和軟件架構(gòu)，以滿足不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。針對(duì)連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景，需要采用大規(guī)模天線技術(shù)、公共信道波束掃描、高效編碼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)大帶寬高性能傳輸。針對(duì)低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，需要采用自包含、Mini-Slot、上行免調(diào)度方式來(lái)降低空口傳輸時(shí)延，通過(guò)HARQ快速重傳和降低資源碰撞等技術(shù)方案提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴ａ槍?duì)低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，可通過(guò)對(duì)用戶面的協(xié)議棧架構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)，以最少的協(xié)議子層完成對(duì)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)手段來(lái)降低業(yè)務(wù)面時(shí)延。針對(duì)高頻段場(chǎng)景，需要支持大帶寬、數(shù)?；旌喜ㄊx形、多波束掃描等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高傳輸速率。

5G典型場(chǎng)景分為增強(qiáng)移動(dòng)帶寬、超可靠低時(shí)延通信、海量化機(jī)器類通信3種。

增強(qiáng)移動(dòng)帶寬（eMBB）為現(xiàn)場(chǎng)大量的高清視頻監(jiān)控提供傳輸通道。借助5G大帶寬特性，用戶可利用高清攝像機(jī)的部署實(shí)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)的回傳，通過(guò)地面全景、車載等多種攝像機(jī)監(jiān)管現(xiàn)場(chǎng)車輛及駕駛?cè)藛T。

超可靠低時(shí)延通信（URLLC）網(wǎng)絡(luò)特性契合車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)網(wǎng)聯(lián)化及智能化的發(fā)展方向，該場(chǎng)景對(duì)吞吐量、時(shí)延和可靠性等功能有嚴(yán)格要求?？蔀榻ㄔO(shè)工地提供面向智能無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程駕駛等應(yīng)用場(chǎng)景。能夠?yàn)橛脩籼峁┖撩爰?jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

海量化機(jī)器類通信（mMTC）：該場(chǎng)景為現(xiàn)場(chǎng)提供大量的設(shè)備連接能力。可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備的信息回傳，通過(guò)大量數(shù)據(jù)的采集和分析，為車輛的運(yùn)行提供輔助決策依據(jù)。

根據(jù)3GPP對(duì)5G相關(guān)需求的定義，相關(guān)系統(tǒng)指標(biāo)如表1所示。

表1 5G需求定義Tab.1 5G requirements definition

3 5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 eMBB參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)

1）5G NR的eMBB場(chǎng)景下空口無(wú)線幀長(zhǎng)10 ms，分為10個(gè)長(zhǎng)度1 ms的子幀，采用自包含(Self-contained)的時(shí)隙結(jié)構(gòu)，時(shí)隙長(zhǎng)度0.5 ms，每個(gè)時(shí)隙內(nèi)同時(shí)包含DL、GP和UL符號(hào)。

2）系統(tǒng)帶寬100 MHz，子載波間隔30 kHz，采用4 096點(diǎn)FFT變換，有效子載波數(shù)目3 264個(gè)。OFDM符號(hào)長(zhǎng)度縮短為L(zhǎng)TE的一半，每個(gè)slot符號(hào)0的CP包含352個(gè)采樣點(diǎn)，其他符號(hào)的CP包含288個(gè)采樣點(diǎn)。

3）每個(gè)PRB頻域包含12個(gè)RE，長(zhǎng)度為360 kHz；時(shí)域包含14個(gè)符號(hào)，長(zhǎng)度為0.5 ms（1個(gè)slot）。100 MHz全帶寬分為272個(gè)PRB。

4）根據(jù)不同的上/下行業(yè)務(wù)負(fù)載需求，eMBB場(chǎng)景支持兩種時(shí)隙結(jié)構(gòu)。其中，DL-dominant（D）時(shí)隙包含10個(gè)DL符號(hào)，2個(gè)GP和2個(gè)UL符號(hào)； UL-dominant（U）時(shí)隙包含2個(gè)DL符號(hào)，2個(gè)GP和10個(gè)UL符號(hào)，如圖1所示。

圖1 eMBB時(shí)隙示意Fig.1 eMBB time slot

3.2 URLLC參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)

基于ITU對(duì)空口用戶面時(shí)延的定義，以下行方向?yàn)槔?，是從?yīng)用層數(shù)據(jù)包到達(dá)基站側(cè)PDCP服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）入口開始，經(jīng)過(guò)空口的正確傳輸，數(shù)據(jù)包到達(dá)終端側(cè)PDCP服務(wù)數(shù)據(jù)單元出口，所經(jīng)歷的單向傳輸時(shí)間。可見(jiàn)，下行單向空口時(shí)延包含基站側(cè)發(fā)送處理時(shí)延、空口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、終端側(cè)數(shù)據(jù)接收處理時(shí)延3個(gè)環(huán)節(jié)總耗時(shí)。4G的LTE物理層標(biāo)準(zhǔn)定義中，以1 ms子幀為基本處理單元，如發(fā)送端信道編碼、速率匹配和交織、資源映射過(guò)程，接收端信道估計(jì)時(shí)域插值、解速率匹配和解交織及Turbo譯碼等過(guò)程。這種子幀級(jí)的處理時(shí)序無(wú)法滿足URLLC的0.5 ms時(shí)延指標(biāo)要求。目前4G的空口時(shí)延指標(biāo)在理想情況下超過(guò)4 ms，因此5G設(shè)計(jì)新型幀結(jié)構(gòu)，采用短TTI傳輸，結(jié)合快速高效的檢測(cè)和譯碼方案等技術(shù)手段才能滿足空口時(shí)延指標(biāo)。

3.3 5G NR車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

從2015年開始，3GPP持續(xù)開展有關(guān)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，在2018年6月完成了基于LTE的C-V2X第一階段研究工作（R14、R15），主要面向周期性的基本道路安全類業(yè)務(wù)等。

伴隨著智能汽車行業(yè)的快速發(fā)展，2017年底，3GPP又完成了基于NR的5G標(biāo)準(zhǔn)第一個(gè)版本（R15），5G能夠提供更加靈活的無(wú)線空口設(shè)計(jì)，并且支持更加廣泛的業(yè)務(wù)需求。

從2018年開始，3GPP RAN開啟C-V2X第二階段的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作（R16、R17）稱之為NR-V2X。2020年6月完成R16標(biāo)準(zhǔn)化工作，通過(guò)在直通鏈路引入高階調(diào)制和空間復(fù)用的多天線傳輸機(jī)制，用以支持更高的傳輸速率，同時(shí)在直通鏈路上引入HARQ反饋機(jī)制提升傳輸可靠性。在2022年完成的R17標(biāo)準(zhǔn)中，主要研究終端節(jié)電機(jī)制及終端之間資源協(xié)調(diào)機(jī)制，用以持續(xù)提升直通鏈路的可靠性，并降低傳輸時(shí)延。

3GPP NR V2X&sidelink的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在Rel-16中，由Work Item“5G V2X with NR sidelink”完成，其中包括NR sidelink在內(nèi)的解決方案主要針對(duì)V2X，同時(shí)在滿足服務(wù)要求的情況下也可用于公共安全。

Rel-17 NR sidelink在Rel-16 NR V2X的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行增強(qiáng)。根據(jù)Rel-17 sidelink增強(qiáng)WID，主要為增強(qiáng)可靠性和降低延遲兩個(gè)方面。

增強(qiáng)可靠性和降低時(shí)延方面的研究允許在更廣泛的操作場(chǎng)景中支持URLLC類型的Sidelink用例。Sidelink的系統(tǒng)級(jí)可靠性和延遲性能受無(wú)線信道狀態(tài)和提供的負(fù)載等通信條件影響，而Rel-16 NR V2X在某些條件下（如當(dāng)信道相對(duì)繁忙時(shí)）在實(shí)現(xiàn)高可靠性和低延遲方面有局限性。為了在這樣的通信條件下不斷提供需要高可靠性和低延遲的用例，Rel-17將提供增強(qiáng)可靠性和降低延遲的解決方案。

基于5G NR的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為了滿足更高級(jí)的業(yè)務(wù)需求，引入4類應(yīng)用：車輛編隊(duì)行駛、半/全自動(dòng)駕駛、傳感器擴(kuò)展和遠(yuǎn)程駕駛。

車輛編隊(duì)行駛能夠支持車輛動(dòng)態(tài)組成車隊(duì)進(jìn)行行駛，所有編隊(duì)行駛的車輛能夠從頭車獲取信息，使得編隊(duì)行駛的車輛之間間距更小，從而提高交通的效率，并且降低油耗。

半/全自動(dòng)駕駛包括半自動(dòng)駕駛和全自動(dòng)駕駛，可以通過(guò)鄰近車輛之間共享感知數(shù)據(jù)，并進(jìn)行駕駛策略的協(xié)調(diào)和同步，要求每個(gè)車輛給臨近的車輛共享自己的駕駛意圖。

傳感器擴(kuò)展要求車輛之間、車輛與路側(cè)單元（RSU）之間、車輛與行人、以及車輛與V2X應(yīng)用服務(wù)器之間能夠?qū)崿F(xiàn)車載傳感器或者車載動(dòng)態(tài)視頻信息的交互，從而獲得更全面的當(dāng)前道路的環(huán)境信息。

遠(yuǎn)程駕駛要求通過(guò)遠(yuǎn)程的駕駛員或者V2X應(yīng)用服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程車輛進(jìn)行操控和駕駛，這種應(yīng)用需要更小的時(shí)延和更可靠的通信服務(wù)提供支撐。

4 智慧工地車輛管理架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 車輛通信方式

5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要可以實(shí)現(xiàn)兩種通信方式，即直通通信方式（PC5 接口）和蜂窩通信（Uu 接口）。車聯(lián)網(wǎng)通信方式如圖2所示。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)示意Fig.2 V2N communication architecture

直通通信方式實(shí)現(xiàn)車與車之間（Vehicleto-Vehicle，V2V）、車與路之間（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）、車與人之間（Vehicle-to-Pedestrain，V2P）短距離的低時(shí)延高可靠通信，支持道路安全類實(shí)時(shí)應(yīng)用的近程數(shù)據(jù)交互，采用基站集中控制或終端間分布式信道接入控制、資源管理和干擾控制方法，在蜂窩覆蓋范圍內(nèi)、覆蓋范圍外時(shí)均可工作，即可以獨(dú)立于蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)工作。

蜂窩通信方式通過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)車與網(wǎng)絡(luò)之間（Vehicle-to-Network，V2N） 的長(zhǎng)距離、大帶寬通信，支持遠(yuǎn)程信息服務(wù)，采用基站集中式控制方法，只能在蜂窩覆蓋范圍內(nèi)工作。

C-V2X 通過(guò)終端直通通信和蜂窩通信兩者間的高效協(xié)同，為多樣化的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供不同通信要求。

4.2 車輛管理架構(gòu)

傳統(tǒng)鐵路工地通信系統(tǒng)需要車輛在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況才能正常工作，而對(duì)于某些場(chǎng)景下，當(dāng)車輛運(yùn)行到偏遠(yuǎn)無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)時(shí)，依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方式無(wú)法正常工作。而5G車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以在無(wú)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，以直通通信方式，應(yīng)用在無(wú)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的特殊場(chǎng)景下，增加蜂窩網(wǎng)車輛通信的可靠性和冗余度。利用終端和網(wǎng)絡(luò)的能力實(shí)現(xiàn)工地車輛管理、報(bào)警管理、指揮調(diào)度和司機(jī)管理等功能。工地車輛管理架構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 工地車輛管理架構(gòu)示意Fig.3 Construction vehicle management architecture

4.3 系統(tǒng)功能

車輛管理功能可實(shí)現(xiàn)施工車輛實(shí)時(shí)車況查看、故障診斷、定位跟蹤、實(shí)時(shí)路況和軌跡回放等功能。

報(bào)警管理功能可實(shí)現(xiàn)路線偏離告警、危險(xiǎn)區(qū)域告警、超速告警、駕駛行為告警和車輛故障告警等功能。

智慧調(diào)度功能可實(shí)現(xiàn)車輛派遣、用車記錄、進(jìn)/出工地記錄等功能。

司機(jī)管理功能可實(shí)現(xiàn)司機(jī)檔案管理、工地考勤管理、駕駛行為分析和效率分析等功能。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能可實(shí)現(xiàn)車輛使用時(shí)間統(tǒng)計(jì)、油耗分析、異常形勢(shì)統(tǒng)計(jì)等功能。

5 車聯(lián)網(wǎng)在智慧工地應(yīng)用價(jià)值

5.1 保障車輛行駛安全

車輛在施工工地行駛時(shí)，需要對(duì)周圍環(huán)境、天氣、線路等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，提升車輛全面感知能力，還需要對(duì)其他車輛、臨近鐵路線的火車等進(jìn)行提示預(yù)警，降低施工車輛在工作過(guò)程中發(fā)生意外事故的概率。5G NR車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步為鐵路通信的智能化提供條件，提升車輛的感知能力，輔助提升車輛應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的能力，降低意外事故發(fā)生，保障車輛行駛安全。

5.2 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)車輛有效管控

對(duì)于鐵路施工場(chǎng)景，需要用到大量的車輛進(jìn)行輔助建設(shè)，從重型運(yùn)輸車輛到挖掘機(jī)、推土機(jī)。各種車輛需要協(xié)調(diào)一致，有效管理，才能在避免現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生生產(chǎn)事故的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。各種車輛需要保持與鄰近車輛以及路側(cè)設(shè)備之間的通信，傳輸自身的狀態(tài)信息至控制中心以保證自身的安全運(yùn)行。5G NR車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車與車之間直接通信的需求，提升現(xiàn)場(chǎng)各種車輛的通信能力，滿足現(xiàn)場(chǎng)工地智慧化管理需求。

5.3 對(duì)車輛駕駛員有效管控

車輛在行駛過(guò)程中，不僅需要對(duì)車輛狀況進(jìn)行有效管控，同時(shí)對(duì)司機(jī)的駕駛行為也需要進(jìn)行有效管控，包括駕駛員身體健康情況和危險(xiǎn)駕駛行為的監(jiān)控。結(jié)合5G NR車聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、圖像分析等技術(shù)實(shí)現(xiàn)駕駛員信息的采集，針對(duì)異常行為進(jìn)行報(bào)警，加強(qiáng)人員管理，全面提升安全管理能力。

5.4 提升鐵路應(yīng)急搶險(xiǎn)能力

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)緊急情況，需要應(yīng)急指揮車輛和救援車輛搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)，5G NR車聯(lián)網(wǎng)首先為作業(yè)車輛提供現(xiàn)場(chǎng)感知能力，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境協(xié)同感知，避免次生災(zāi)害的發(fā)生。同時(shí)可以利用遠(yuǎn)程駕駛等手段輔助現(xiàn)場(chǎng)車輛完成特殊危險(xiǎn)環(huán)境下的作業(yè)，在保證作業(yè)人員安全的情況下提升搶險(xiǎn)能力。

6 結(jié)論

5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以5G網(wǎng)絡(luò)為依托，具有支持列車之間的直接通信的能力，且有傳輸速率高、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸時(shí)延低等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)鐵路施工車輛及駕駛?cè)藛T的智能管理、提升應(yīng)急搶險(xiǎn)車輛的作業(yè)能力。而5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展也會(huì)為鐵路智能化運(yùn)行提供更加可靠、安全和高效的實(shí)施基礎(chǔ)和環(huán)境。