蔣海林，邵穎霞，趙紅禮

快軌論壇

5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車(chē)地通信中的應(yīng)用分析

蔣海林，邵穎霞，趙紅禮

（北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044）

中國(guó)國(guó)內(nèi)5G系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始商用，第一個(gè)5G系統(tǒng)演進(jìn)版本的標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)完成。首先基于目前普遍采用的LTE-M介紹了城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)的概況和需求，分析了5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及在城市軌道交通車(chē)地通信環(huán)境中的適用性，最后討論提出了未來(lái)5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)中的一些設(shè)計(jì)思路和方案，指出LTE-M加5G的NR-U是未來(lái)城市軌道交通車(chē)地通信建設(shè)的可行方案。隨著車(chē)地通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，5G系統(tǒng)將可能應(yīng)用于未來(lái)的城市軌道交通車(chē)地通信中并發(fā)揮重要的作用。

軌道交通；5G；車(chē)地通信；NR-U；網(wǎng)絡(luò)切片；車(chē)車(chē)通信

目前，中國(guó)城市軌道交通大多采用基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC系統(tǒng))，其重要特點(diǎn)之一是通過(guò)車(chē)地之間大容量、雙向的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來(lái)傳輸列車(chē)位置信息和控制信息。高可靠的通信網(wǎng)不僅是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，也是提高城市軌道交通列車(chē)工作效率和自動(dòng)化程度的有效前提。

現(xiàn)首先介紹城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)的概況，然后分析最新的5G移動(dòng)通信技術(shù)及其在城市軌道交通車(chē)地通信中的適用性，最后研究在城市軌道交通車(chē)地通信環(huán)境中5G面臨的問(wèn)題，并提出初步技術(shù)方案。

1 城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)概述

城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信作為保障安全運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)，承載了多種業(yè)務(wù)，包括面向安全運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)和非安全的業(yè)務(wù)。面向安全運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)主要包括基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)CBTC (communications based train control)、寬帶集群系統(tǒng)業(yè)務(wù)和列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而面向非安全的業(yè)務(wù)包括車(chē)輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)(image monitoring system，IMS)、軌道交通乘客信息(passenger information system，PIS)系統(tǒng)、面向運(yùn)營(yíng)維護(hù)類(lèi)業(yè)務(wù)、面向乘客智能出行類(lèi)以及面向應(yīng)急防災(zāi)類(lèi)等業(yè)務(wù)。不同業(yè)務(wù)對(duì)QoS (quality of service，服務(wù)質(zhì)量)關(guān)鍵指標(biāo)如吞吐量、時(shí)延的要求不相同。

在LTE-M系統(tǒng)的需求規(guī)范中，對(duì)LTE-M承載的部分業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了定義[1](見(jiàn)表1)。在GOA3 (grade of automation，自動(dòng)運(yùn)行等級(jí)3)或GOA4的要求下，LTE-M每小區(qū)的QoS需求如下：

表1 綜合承載業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)與需求

除了以上業(yè)務(wù)，現(xiàn)在的很多LTE-M系統(tǒng)還增加了寬帶集群業(yè)務(wù)。寬帶集群業(yè)務(wù)包括語(yǔ)音和視頻，也需要很大的帶寬需求。此外，隨著新形勢(shì)下反恐安全的需要，要求上傳的IMS視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的路數(shù)增加，如果要求8路視頻業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)上傳，此時(shí)上行的業(yè)務(wù)帶寬要求為11 Mb/s左右。現(xiàn)有的LTE-M系統(tǒng)在單網(wǎng)15 MHz頻寬配置下，上行鏈路所能提供的平均帶寬一般不超過(guò)10 Mb/s，因此現(xiàn)有LTE-M系統(tǒng)很難滿足未來(lái)上行視頻監(jiān)控的更高帶寬要求。

在列車(chē)運(yùn)行控制方面，為進(jìn)一步提高城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的效率，業(yè)內(nèi)信號(hào)廠家和科研院所開(kāi)始研究基于分布式控制的城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)局部列車(chē)之間的協(xié)同與編組，即虛擬編組技術(shù)[2]。虛擬編組可通過(guò)基于車(chē)車(chē)通信的“虛擬車(chē)鉤”將多列列車(chē)編組為一列列車(chē)的形式，列車(chē)編隊(duì)需要通過(guò)車(chē)車(chē)通信實(shí)現(xiàn)一個(gè)臨時(shí)的局部自組織網(wǎng)。虛擬編組模式下列車(chē)和列車(chē)之間的追蹤間隔極小，車(chē)車(chē)通信的超低時(shí)延要求極高。要實(shí)現(xiàn)列車(chē)間實(shí)時(shí)低延時(shí)通信，采用物理上的車(chē)車(chē)無(wú)線通信比通過(guò)地面核心網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的車(chē)車(chē)通信方式更為快捷，現(xiàn)有LTE-M通信技術(shù)尚不支持車(chē)車(chē)間的直接物理通信。

綜上所述，基于4G通信技術(shù)應(yīng)用下的LTE-M系統(tǒng)，其綜合承載能力目前仍存在一定限制，在信息傳輸與處理上有待進(jìn)一步完善。

2 5G關(guān)鍵技術(shù)及其在城市軌道交通車(chē)地通信中的應(yīng)用分析

5G通信采用大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等核心技術(shù)[3]，具有大帶寬、高可靠、低時(shí)延、廣連接等特點(diǎn)，5G技術(shù)發(fā)展區(qū)分成3大主軸，分別是提供更高帶寬的eMBB (enhanced mobile broadband，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)，同時(shí)也包含了專(zhuān)為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而發(fā)展的mMTC (massive machine type communication，海量機(jī)器類(lèi)通信)，以及能滿足各種實(shí)時(shí)通信需求，且可靠度更高的URLLC (ultra-reliable and low latency communi-cations，超可靠低時(shí)延通信)。

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求，5G網(wǎng)絡(luò)引入SDN/NFV(software defined network/network function virtualization，軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)技術(shù)，將軟硬件平臺(tái)虛擬化和解耦，底層使用統(tǒng)一的NFVI基礎(chǔ)設(shè)施，利用SDN控制器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部資源靈活調(diào)度。5G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)架構(gòu)與之前的4G核心網(wǎng)相比有以下主要特征：

1) 控制面與用戶面分離?？刂泼婵梢苑旁谥醒氲臋C(jī)房里，因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)延處理要求不是太高。而業(yè)務(wù)面則不斷下沉至邊緣數(shù)據(jù)中心，離基站非常近，從而降低時(shí)延。

2) NFV/SDN技術(shù)。NFV技術(shù)應(yīng)用于核心網(wǎng)，讓軟硬件解耦，網(wǎng)元成為了一個(gè)個(gè)軟件功能模塊。SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)與控制面的分離，以及從全網(wǎng)的角度去看待IP網(wǎng)絡(luò)，可以更好地調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，提高資源利用率。

3) 網(wǎng)絡(luò)功能切片。將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)邏輯的網(wǎng)絡(luò)，滿足不同的應(yīng)用需求。

城市軌道交通車(chē)地通信業(yè)務(wù)特點(diǎn)是每個(gè)小區(qū)中的列車(chē)數(shù)目比較少，通常一個(gè)小區(qū)不超過(guò)4輛列車(chē)，一條地鐵線路不超過(guò)100輛車(chē)。而現(xiàn)在的5G通信網(wǎng)絡(luò)通常是為公網(wǎng)設(shè)計(jì)的，一個(gè)核心網(wǎng)服務(wù)的用戶達(dá)到幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)以上。因此，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)的列車(chē)運(yùn)行控制，核心網(wǎng)的能力大大過(guò)剩。但是，5G網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通除了用于列車(chē)運(yùn)行控制以外，還可用于提高乘客的乘坐質(zhì)量與體驗(yàn)以提供眾多及非安全信息的公眾服務(wù)，因此在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮業(yè)務(wù)需求。

5G網(wǎng)絡(luò)引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，核心網(wǎng)的網(wǎng)元所依托的硬件都是在虛擬化平臺(tái)里面虛擬出來(lái)的，相互之間是“隔離”的，容易擴(kuò)容、縮容，也容易升級(jí)、割接，可以大大節(jié)約資源，有利于降低維護(hù)難度和成本，因此非常適合應(yīng)用在城市軌道交通環(huán)境中。

綜上所述，將5G應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)地通信中，應(yīng)研究5G核心網(wǎng)的虛擬化和核心網(wǎng)簡(jiǎn)化技術(shù)，設(shè)計(jì)適合城市軌道交通的SFC(service function chain，服務(wù)功能鏈)，并針對(duì)城市軌道交通不同業(yè)務(wù)類(lèi)型，針對(duì)性地設(shè)計(jì)5G應(yīng)用切片。

2.2 提高系統(tǒng)吞吐量、減小傳輸時(shí)延和提高可靠性的技術(shù)

2.2.1 5G系統(tǒng)提高系統(tǒng)吞吐量的技術(shù)

eMBB場(chǎng)景可以為用戶提供更高的帶寬，其關(guān)鍵技術(shù)包括：使用更高的頻寬、Massive MIMO(massive multiple-input multiple-output，大規(guī)模多入多出天線)及多波束管理技術(shù)、毫米波(millimeter wave)技術(shù)以及更高效的調(diào)制編碼技術(shù)等。

5G場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為100 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LTE的最大20 MHz帶寬，而Massive MIMO通過(guò)大規(guī)模天線，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的高增益窄細(xì)波束，提供更靈活的空間復(fù)用能力，改善基站和終端接收信號(hào)強(qiáng)度并更好地抑制用戶間干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜效率。

此外，5G通信系統(tǒng)采用了比4G通信系統(tǒng)更有效的調(diào)制編碼方式?，F(xiàn)有4G LTE在下行鏈路具有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM這四種調(diào)制方式，5G空口在此基礎(chǔ)上新增1024QAM調(diào)制方式，提高了調(diào)制效率。在上行鏈路，目前4G通信系統(tǒng)采用的調(diào)制方式最高到64QAM，而5G通信系統(tǒng)可以采用256QAM，這樣一個(gè)碼元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就可以從6 bit增加到8 bit。與LTE數(shù)據(jù)信道所用Turbo碼、控制信道用卷積碼等編碼方式相比，5G NR (new radio，新無(wú)線)采用了全新的信道編碼方式，即數(shù)據(jù)信道用LDPC編碼，控制信道和廣播信道用Polar編碼。這一改進(jìn)可以提高NR信道編碼效率，能以低復(fù)雜度和低時(shí)延，達(dá)到更高的傳輸速率。

如前所述，5G系統(tǒng)提高吞吐量的技術(shù)主要包括更大的頻寬、Massive MIMO、毫米波技術(shù)和更高效的調(diào)制編碼技術(shù)。毫米波技術(shù)傳輸距離太短，一般只有幾十米，在城市軌道交通車(chē)地通信的環(huán)境中無(wú)法應(yīng)用。而要采用更大的頻寬承載城市軌道交通各種業(yè)務(wù)，則取決于未來(lái)5G車(chē)地通信的實(shí)現(xiàn)方式。目前，可用于城市軌道交通車(chē)地通信的專(zhuān)用頻段最大為20 MHz，未來(lái)也幾乎不可能占用100 MHz的專(zhuān)用頻段。

由于相當(dāng)比例的城市軌道交通車(chē)地通信環(huán)境為隧道，為了保證信號(hào)的均勻覆蓋，在隧道環(huán)境通常采用漏泄電纜進(jìn)行車(chē)地通信信號(hào)的覆蓋。漏泄電纜中的無(wú)線信號(hào)在終端看來(lái)就是基站的一個(gè)天線端口發(fā)送的信號(hào)。受制于隧道壁對(duì)漏泄電纜的安裝限制，通常一條線路只能安裝不超過(guò)2條漏泄電纜。另外，在城市軌道交通車(chē)地通信環(huán)境中，多用戶MIMO 所要求的用戶分布在不同角度的條件無(wú)法滿足?；谝陨戏治?，多天線技術(shù)這個(gè)5G 最重要的增強(qiáng)技術(shù)在軌道交通場(chǎng)景下性能很難發(fā)揮。

目前在城市軌道交通環(huán)境中廣泛應(yīng)用的LTE-M標(biāo)準(zhǔn)，仍然是基于3GPP Release 9規(guī)范，其上行鏈路只能實(shí)現(xiàn)1*2的傳輸方式，上線鏈路吞吐量受到限制。而未來(lái)的5G系統(tǒng)根據(jù)線路漏纜安裝和車(chē)載天線的配置方式，可以實(shí)現(xiàn)2*2或更高階的上行傳輸，從而有效提高系統(tǒng)的上行吞吐量。此外，城市軌道交通車(chē)地通信環(huán)境中，可以采用5G技術(shù)中更高效率的調(diào)制編碼技術(shù)。

2.2.2 5G系統(tǒng)減小傳輸時(shí)延和提高可靠性的技術(shù)

低時(shí)延高可靠URLLC場(chǎng)景是5G系統(tǒng)的另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，URLLC的超可靠性是通過(guò)采用魯棒性較強(qiáng)的編碼和調(diào)制階數(shù)、重復(fù)傳輸實(shí)現(xiàn)的。而其低時(shí)延實(shí)現(xiàn)的方法包括將調(diào)度時(shí)間資源單位進(jìn)一步細(xì)分成mini-slot、采用自包含幀結(jié)構(gòu)、多調(diào)度請(qǐng)求并發(fā)機(jī)制、上行免授權(quán)機(jī)制、采用多址邊緣計(jì)算MEC技術(shù)以及HARQ (hybrid automatic repeat request，自動(dòng)請(qǐng)求重傳)反饋增強(qiáng)技術(shù)等。

以上的5G系統(tǒng)減小傳輸時(shí)延和提高通信可靠性的措施都是系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)方法，大部分可以在城市軌道交通環(huán)境中應(yīng)用。而減小傳輸時(shí)延的多址邊緣計(jì)算MEC技術(shù)影響5G核心網(wǎng)的架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計(jì)方案，在城市軌道交通車(chē)地通信環(huán)境中需要針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 車(chē)車(chē)通信

在5G新發(fā)布的R16版本中，對(duì)NR的蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信(C-V2X)進(jìn)行了優(yōu)化和增強(qiáng)，即發(fā)展了NR-V技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，終端和終端之間進(jìn)行通信需要經(jīng)過(guò)基站，兩輛車(chē)之間的通信也是如此。但與道路相關(guān)的應(yīng)用對(duì)可靠性和時(shí)延的要求極高，如果車(chē)輛之間能夠直接通信，或者通過(guò)路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)直接通信的話，可以進(jìn)一步提升可靠性、降低時(shí)延，從而保障道路安全。C-V2X增加了終端與終端之間的直通性，也就是車(chē)車(chē)通信，從而提高了通信鏈路的可靠性。但是，汽車(chē)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與軌道交通追蹤的兩列車(chē)的外部環(huán)境有很大的區(qū)別，軌道交通是相鄰的兩列車(chē)之間才需要車(chē)車(chē)通信，因此需要針對(duì)城市軌道交通的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

5G NR-V定義的應(yīng)用場(chǎng)景與道路交通的具體業(yè)務(wù)、實(shí)際狀況密切相關(guān)，要在城市軌道交通環(huán)境中應(yīng)用NR-V技術(shù)，需要針對(duì)城市軌道交通應(yīng)用做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

2.4 NR-U

5G NR-U，全稱(chēng)5G NR in Unlicensed Spectrum，即工作于非授權(quán)頻譜的5G NR。它包括兩種模式：LAA NR-U (授權(quán)頻譜輔助接入NR-U)和獨(dú)立式NR-U(獨(dú)立NR-U)。

LAA NR-U，全稱(chēng)許可協(xié)助接入NR-U。LAA NR-U實(shí)際上是一種載波聚合技術(shù)，它將授權(quán)頻段作為錨點(diǎn)，并定義為主服務(wù)小區(qū)，主服務(wù)小區(qū)傳送控制信令和高QoS數(shù)據(jù)，而非授權(quán)頻段定義為從服務(wù)小區(qū)，只傳送數(shù)據(jù)，兩者聚合，從而大幅提升下行速率。

獨(dú)立NR-U不再需要授權(quán)頻譜做錨點(diǎn)，它完全獨(dú)立地在非授權(quán)頻譜上運(yùn)行，任何人都可以像無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接一樣部署自己的5G網(wǎng)絡(luò)，可以用來(lái)部署單個(gè)接入點(diǎn)，也可以部署自己的5G專(zhuān)網(wǎng)。獨(dú)立的NR-U像Wi-Fi一樣公平，具有完全開(kāi)放的共享非授權(quán)頻段，只是使用的是5G NR技術(shù)，而不是WiFi技術(shù)。

在城市軌道交通通信環(huán)境中，由于2.4 GHz開(kāi)放頻段干擾嚴(yán)重，現(xiàn)在使用越來(lái)越少，而5.8 GHz頻段則面臨著無(wú)線信號(hào)衰減嚴(yán)重的問(wèn)題。

2.5 切片管理

5G系統(tǒng)中，不同場(chǎng)景的通信對(duì)于網(wǎng)絡(luò)空口的要求有很大不同，通過(guò)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)簡(jiǎn)化了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)部署及管理。網(wǎng)絡(luò)切片，本質(zhì)上就是將運(yùn)營(yíng)商的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的服務(wù)需求，比如時(shí)延、帶寬、安全性和可靠性等來(lái)劃分，以靈活應(yīng)對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景。網(wǎng)絡(luò)切片是5G通信區(qū)別于4G通信的標(biāo)志性技術(shù)之一。

網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)際是一個(gè)端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，由一組網(wǎng)絡(luò)功能、資源和連接構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，通?？缍鄠€(gè)技術(shù)域，包括接入網(wǎng)，承載網(wǎng)和核心網(wǎng)。5G切片端到端編排包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和承載網(wǎng)的編排。

未來(lái)城市軌道交通環(huán)境中要應(yīng)用5G技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)切片將是關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的基本功能和基本流程的定義，為5G網(wǎng)絡(luò)部署和網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)商用奠定了基礎(chǔ)。但切片作為一個(gè)按需定制的端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，涉及無(wú)線、傳輸、核心網(wǎng)和管理域，如果完全按照各個(gè)領(lǐng)域的能力進(jìn)行排列組合將會(huì)形成非常多的選擇，如何能讓行業(yè)更清晰地認(rèn)識(shí)切片的能力并能最優(yōu)匹配到行業(yè)應(yīng)用是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。目前，網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)化還沒(méi)有完成，業(yè)內(nèi)廠家、業(yè)主和科研院所需要針對(duì)地鐵行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，一種城市軌道交通業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

圖1 城市軌道交通車(chē)地通信的網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)

Figure 1 Design of network slicing in urban rail train ground communications

3 未來(lái)城市軌道交通車(chē)地通信的技術(shù)方案分析

未來(lái)城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)要引入5G技術(shù)，有兩種可能的路線：一是和通信運(yùn)營(yíng)商合作，基于公網(wǎng)5G并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片的方式在公網(wǎng)5G上承載地鐵業(yè)務(wù)；二是地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)單位自建地鐵5G專(zhuān)網(wǎng)。

3.1 基于公網(wǎng)的5G通信系統(tǒng)建設(shè)方案

在城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)中引入公網(wǎng)的5G通信，可以有多種技術(shù)方案，例如在文獻(xiàn)[4]中，毛磊等人提出了地鐵自建5G 核心網(wǎng)和共享運(yùn)營(yíng)商基站資源、利用運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)配置MEC設(shè)備本地分流數(shù)據(jù)或地鐵列車(chē)終端接入運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)等方案?，F(xiàn)在通信設(shè)備廠商主流的方法都是采用網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)地鐵業(yè)務(wù)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)的分離。但是，這些方案真正在地鐵環(huán)境中應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)地鐵業(yè)務(wù)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)在5G網(wǎng)絡(luò)中共存，解決地鐵車(chē)地通信業(yè)務(wù)在可用性、可靠性和干擾隔離等方面的問(wèn)題。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)切片的可靠性

網(wǎng)絡(luò)切片是由很多個(gè)網(wǎng)元組成的一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)考慮網(wǎng)絡(luò)切片的可靠性時(shí)，以核心網(wǎng)網(wǎng)元構(gòu)成的SFC(服務(wù)功能鏈)為例進(jìn)行討論。由于5G通信引入了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，雖然核心網(wǎng)的網(wǎng)元看上去很多，但是所依托的硬件都是在虛擬化平臺(tái)里面虛擬出來(lái)的，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行定制。圖2為一個(gè)SFC的例子[5]，在圖中VNF (virtual network funcion，虛擬網(wǎng)絡(luò)功能)可以為5G核心網(wǎng)的任意一個(gè)功能，表示業(yè)務(wù)到達(dá)率，1～4表示業(yè)務(wù)處理速率。從提高系統(tǒng)可用性的角度出發(fā)，每個(gè)VNF可以有一個(gè)備份。

圖中，每個(gè)VNF系統(tǒng)(包含主用和備用兩個(gè)VNF)的可靠性為：

p為單個(gè)VNF的可用性。而整條鏈路的可用性為：

城市軌道交通承載車(chē)地通信系統(tǒng)要求用物理上完全隔離的A、B網(wǎng)雙網(wǎng)承載CBTC業(yè)務(wù)，根據(jù)LTE-M需求規(guī)范的要求，單網(wǎng)通信中斷時(shí)間不超過(guò)2 s的概率不小于99.99%。根據(jù)此要求，需要綜合考慮無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)的可靠性和可用性達(dá)到要求。

3.1.2 未來(lái)城市軌道交通車(chē)地通信中的低時(shí)延業(yè)務(wù)

對(duì)于城市軌道交通車(chē)地通信的低延時(shí)業(yè)務(wù)，如虛擬編組等，可以采用移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC，將業(yè)務(wù)面下沉至邊緣數(shù)據(jù)中心，離基站非常近，減小業(yè)務(wù)時(shí)延。如圖3中在邊緣節(jié)點(diǎn)，也就是在靠近基站gNB的地方放置一個(gè)用戶面功能實(shí)體UPF，這樣用戶面數(shù)據(jù)可以快速地轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端。

圖2 SFC設(shè)計(jì)示意圖

Figure 2 Design of SFC

采用公網(wǎng)5G承載地鐵業(yè)務(wù)的主要問(wèn)題是公網(wǎng)5G需要承載安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性要求很高，責(zé)任重大，通信運(yùn)營(yíng)商沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，出了問(wèn)題的時(shí)候還涉及責(zé)任劃分的問(wèn)題，并且采用網(wǎng)絡(luò)切片的方式承載地鐵業(yè)務(wù)，其安全性和可靠性尚無(wú)足夠的理論依據(jù)和實(shí)踐證明。此外，5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片尤其是針對(duì)地鐵業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片還沒(méi)有可遵循的標(biāo)準(zhǔn)，目前難以實(shí)現(xiàn)。

3.2 地鐵5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)方案

在城市軌道交通車(chē)地通信業(yè)務(wù)中，CBTC等安全相關(guān)的業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求高，但對(duì)帶寬的要求相對(duì)不高，而IMS、PIS和寬帶集群業(yè)務(wù)對(duì)寬帶的要求很大，但對(duì)可靠性的要求低一些。目前新建地鐵在1785- 1805 MHz頻段采用LTE-M技術(shù)進(jìn)行車(chē)地通信。

采用地鐵自建5G專(zhuān)網(wǎng)的方案，在有限的頻譜資源條件下，可以考慮將1.8 GHz專(zhuān)用頻段用來(lái)承載可靠性要求高、但帶寬要求低的安全相關(guān)業(yè)務(wù)，5.8 GHz非授權(quán)頻段用來(lái)承載帶寬要求高但可靠性要求低的視頻業(yè)務(wù)。這種方案又可以有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式：一是分別在1.8 GHz和5.8 GHz開(kāi)放頻段采用5G NR技術(shù)和NR-U技術(shù)；另一種方式是在1.8 GHz頻段仍然采用LTE-M技術(shù)，但在5.8 GHz開(kāi)放頻段采用NR-U技術(shù)。

由于LTE-M系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng)，并且相同帶寬(20 MHz以下)的5G系統(tǒng)相比LTE-M系統(tǒng)性能上并沒(méi)有太大的優(yōu)勢(shì)，從保護(hù)投資的角度出發(fā)，建議地鐵建設(shè)采用LTE-M加5G的NR-U的建設(shè)方案。

目前華為和中興等廠商在城市軌道交通環(huán)境中推廣基于非授權(quán)頻段的LTE-U方案，但由于LTE-U系統(tǒng)工作在5.8 GHz頻段，列車(chē)快速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.8 GHz的LTE-M系統(tǒng)，因此LTE-U系統(tǒng)在高速運(yùn)行環(huán)境下(如120 km/h)的吞吐量很難得到保證。而NR-U系統(tǒng)由于子載波的間隔在6 GHz以下頻段最大可以設(shè)為60 KHz，此時(shí)多普勒頻移對(duì)系統(tǒng)性能的影響要小很多。因此，在未來(lái)的5G NR系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置更大的子載波間隔，NR-U將是一種更高效的車(chē)地通信方式。5G系統(tǒng)的NR-U技術(shù)在160 km/h以下速度條件下應(yīng)用的適應(yīng)性，將是5G在城軌應(yīng)用研究的重點(diǎn)。

圖3 引入MEC節(jié)點(diǎn)的5G通信系統(tǒng)核心網(wǎng)

Figure 3 Core network of 5G communications system with MEC node

采用5.8 GHz頻段進(jìn)行車(chē)地通信，存在的問(wèn)題是5.8 GHz頻段的衰減遠(yuǎn)大于1.8 GHz[6]，5.8 GHz的NR-R的覆蓋范圍遠(yuǎn)小于LTE-M系統(tǒng)，這將給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃帶來(lái)很多問(wèn)題，也是未來(lái)采用NR-U設(shè)計(jì)必須考慮和解決的問(wèn)題。

綜上所述，未來(lái)的5G系統(tǒng)建議采用5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)的方案，并且可以采用LTE-M加NR-U的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式，LTE-M系統(tǒng)承載安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，而NR-U系統(tǒng)承載非安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，既保護(hù)了投資，又能在保證安全業(yè)務(wù)QoS性能的同時(shí)，提高非安全業(yè)務(wù)的吞吐量。

3.3 基于5G V2X的城市軌道交通車(chē)車(chē)通信方案

在NR V2X的通信標(biāo)準(zhǔn)中，定義了車(chē)與車(chē)直接通信的直通鏈路(Sidelink)。通過(guò)采用直通方式，城市軌道交通通信系統(tǒng)的車(chē)車(chē)通信成為了可能，但是城市軌道交通與道路交通的車(chē)車(chē)通信有很大的區(qū)別。

1) 城市軌道交通同一軌道上前車(chē)和后車(chē)的距離通常遠(yuǎn)大于道路交通系統(tǒng)中汽車(chē)之間的距離，甚至超過(guò)車(chē)車(chē)通信所允許的最大范圍。因此，能直接進(jìn)行車(chē)車(chē)通信的列車(chē)數(shù)量遠(yuǎn)小于道路交通系統(tǒng)，直接進(jìn)行車(chē)車(chē)通信的可能性也要小得多。

2) 軌道交通系統(tǒng)的車(chē)地通信環(huán)境有很多是隧道環(huán)境，而道路交通車(chē)車(chē)之間的通信鏈路通常是在開(kāi)放的空間，車(chē)地通信和車(chē)車(chē)通信的信道環(huán)境有很大的區(qū)別。

3)道路交通的車(chē)地通信時(shí)延則通常不允許超過(guò)100 ms。對(duì)于城市軌道交通車(chē)地通信來(lái)說(shuō)，通信時(shí)延要求是不超過(guò)150 ms的概率不小于98%，不超過(guò)2 s的概率不小于99.92%。城市軌道交通車(chē)地通信對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求低一些，因此在現(xiàn)有的業(yè)務(wù)要求下，城市軌道交通系統(tǒng)并沒(méi)有采用車(chē)車(chē)通信的迫切需要。

4) 對(duì)于未來(lái)城市軌道交通的虛擬編組業(yè)務(wù)，列車(chē)之間的間距更小，對(duì)車(chē)車(chē)通信的要求更高，但目前尚無(wú)具體的性能指標(biāo)要求，還需要做進(jìn)一步的研究。

因此，要在城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)中應(yīng)用NR V2X技術(shù)，通信方案必須進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。首先，必須判斷是否有列車(chē)進(jìn)入可以進(jìn)行車(chē)車(chē)通信的范圍，然后對(duì)進(jìn)行車(chē)車(chē)通信的吞吐量、時(shí)延和系統(tǒng)可用性的性能進(jìn)行評(píng)估，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行下一步操作。

4 結(jié)論

首先總結(jié)了城市軌道交通車(chē)地通信的業(yè)務(wù)和需求，介紹了5G移動(dòng)通信的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)在城市軌道交通車(chē)地通信環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后對(duì)未來(lái)5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車(chē)地通信中的應(yīng)用提出了初步的設(shè)計(jì)方案，未來(lái)的城市軌道交通車(chē)地通信建議采用LTE-M加5G的NR-U的建設(shè)方案。

[1] 城市軌道交通車(chē)地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)總體規(guī)范 第1部分: 系統(tǒng)需求: T/CAMET 04005.1-2018[S]. 北京: 中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì), 2018.Long term evolution for metro (LTE-M) generic specifi-cation part 1: system requirement: T/CAMET 04005.1- 2018[S]. Beijing: China Association of Metros, 2018.

[2] RICCARDO P, HOLGER D, JOACHIM W, et al. Reasoning functional requirements for virtually-coupled train sets: communication[J]. IEEE communications maga-zine, 2019, 57(9): 12-17.

[3] 3GPP TS 22.261: Service requirements for the 5G system, Stage 1(Release 16)[S]. Valbonne: 3GPP, 2020.

[4] 毛磊,翟浩杰, 尹尚國(guó). 5G在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用探討[J]. 移動(dòng)通信, 2020(1): 63-70.MAO Lei, ZHAI Haojie, YIN Shangguo. Discussion on the application of 5G in the rail transportation industry[J]. Mobile communications, 2020(1): 63-70.

[5] MENDIS H K V, LI F Y. Achieving ultra reliable com-munication in 5G networks: a dependability perspective availability analysis in the space domain[J]. IEEE Com-munications Letters, 2017, 21(9): 2057-2060.

[6] LI Jinxing, ZHAO Youping, ZHANG Jing, et al. Radio channel measurements and analysis at 2.4/5GHz in Sub-way Tunnels[J]. China Communications, 2015, 12(1): 36-45.

Application of 5G Communications System in Urban Rail Train Wayside Communications

JIANG Hailin, SHAO Yingxia, ZHAO Hongli

(National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Currently, 5G communications systems are already commercially available in China, and the first version of 5G has been standardized. The LTE-M system has been widely adopted in urban rail train wayside communications, and an overview and the requirements of urban rail train wayside communications based on LTE-M are first presented in this paper. Then, the key technologies and the feasibility of 5G communications in urban rail train wayside communications are analyzed. Certain design schemes for the application of 5G systems are presented in the following section, and LTE-M along with NR-R are considered as candidate schemes in future urban rail communications systems. The 5G communications system will play an important role, possibly in the development of communications services in urban rail systems.

rail transit; 5G; wayside communications; network slicing; vehicle communications

U231

A

1672-6073(2021)02-0042-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.007

2020-07-13

2020-08-17

蔣海林，男，副教授，從事城市軌道交通車(chē)地通信系統(tǒng)的研究，lhjiang@bjtu.edu.cn

自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61973026)

蔣海林，邵穎霞，趙紅禮. 5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車(chē)地通信中的應(yīng)用分析[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：42-47.

JIANG Hailin, SHAO Yingxia, ZHAO Hongli. Application of 5G communications system in urban rail train wayside communications[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 42-47.

（編輯：王艷菊）