徐 磊

0 引言

2020年，國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)了《關(guān)于粵港澳大灣區(qū)城際鐵路建設(shè)規(guī)劃的批復(fù)》(發(fā)改基礎(chǔ)〔2020〕1238 號)。該批復(fù)明確提出：提升粵港澳大灣區(qū)(以下簡稱“大灣區(qū)”)城際交通供給質(zhì)量，服務(wù)粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，打造“軌道上的大灣區(qū)”。近期(2025 年)，大灣區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)運營及在建里程達(dá)到4 700 km，全面覆蓋大灣區(qū)中心城市、節(jié)點城市和廣州、深圳等重點都市圈；遠(yuǎn)期(2035 年)，大灣區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)運營及在建里程達(dá)到5 700 km，覆蓋100%縣級以上城市[1]。結(jié)合項目規(guī)劃情況，從深圳城際鐵路業(yè)務(wù)需求角度出發(fā)，對行業(yè)主流技術(shù)進(jìn)行分析，并對5G公專網(wǎng)建設(shè)方案進(jìn)行了探討研究。

1 深圳城際鐵路無線通信業(yè)務(wù)需求與特點

1.1 地鐵無線業(yè)務(wù)需求分析

多年來，隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，基于無線通信的服務(wù)越來越豐富?，F(xiàn)階段地鐵無線通信業(yè)務(wù)主要包括：列車運行控制業(yè)務(wù)、列車緊急文本業(yè)務(wù)、列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)視頻業(yè)務(wù)、集群調(diào)度業(yè)務(wù)等，現(xiàn)階段地鐵無線通信業(yè)務(wù)需求如表1所示[2]。

表1 現(xiàn)階段地鐵無線通信業(yè)務(wù)需求Tab.1 Summary of metro wireless communication service demands

上述業(yè)務(wù)按業(yè)務(wù)類型可分為數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)和語音類業(yè)務(wù)，按業(yè)務(wù)級別可分為涉及行車安全的業(yè)務(wù)和不涉及行車安全的業(yè)務(wù)，按數(shù)據(jù)方向可分為下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

其中，涉及行車安全的無線業(yè)務(wù)主要包含列車運行控制業(yè)務(wù)和集群調(diào)度語音業(yè)務(wù)，上下行速率要求較小，是地鐵無線通信系統(tǒng)重點保障的對象。另一方面，上下行速率要求高的業(yè)務(wù)主要為視頻數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不涉及行車安全。因此，從業(yè)務(wù)的重要性角度和技術(shù)能力角度，建設(shè)不同的無線通信網(wǎng)絡(luò)來分別承載“低帶寬高安全”和“高帶寬低安全”的業(yè)務(wù)，是現(xiàn)階段地鐵行業(yè)較為通行的方法。

1.2 深圳城際鐵路的特點

根據(jù)政府規(guī)劃，深圳城際鐵路是參照地鐵旅客服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的城際鐵路，采用公交化運營模式，其各類無線通信業(yè)務(wù)需求與地鐵需求一致，可以參考表1的概述。

另一方面，深圳城際鐵路也有與地鐵不同的特點：①不同于地鐵各線自成系統(tǒng)，深圳城際鐵路需實現(xiàn)跨線運行的“網(wǎng)絡(luò)化”功能，各鐵路線路之間存在過軌跨線運營的要求。②深圳城際鐵路設(shè)計速度較高，地下段設(shè)計速度160 km/h，地上段設(shè)計速度200 km/h。③深圳城際鐵路線路規(guī)劃跨深圳、東莞、惠州等多個行政區(qū)，無線系統(tǒng)技術(shù)和頻率選擇需要具備通用性。

1.3 智慧城際鐵路的需求

隨著我國新基建的整體布局，云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用也為軌道交通行業(yè)向數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型提供了可能[3]。智慧城際鐵路是指對移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)內(nèi)外部環(huán)境信息進(jìn)行全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，綜合利用城際鐵路所有移動、固定、空間、時間和人力等資源，以實現(xiàn)城際鐵路全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、溫馨舒適、方便快捷、節(jié)能環(huán)保的新一代城際鐵路系統(tǒng)。業(yè)務(wù)需求主要體現(xiàn)在包括面向列車運行的智能應(yīng)用、面向運營維護(hù)的智慧運維、面向乘客出行的智慧車站和面向應(yīng)急防災(zāi)的智能預(yù)警等[4]。上述新興的業(yè)務(wù)需求也對無線通信技術(shù)的選擇提出了新的要求。

結(jié)合無線業(yè)務(wù)需求分析和地鐵行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，建議深圳城際采用根據(jù)業(yè)務(wù)的重要性建設(shè)不同的無線通信網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)于傳輸速率高、不涉及行車安全、智慧類的新業(yè)務(wù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)是本次討論的重點，需具備大帶寬的傳輸能力、靈活快速的本地轉(zhuǎn)發(fā)能力和穩(wěn)定的多設(shè)備接入能力。同時，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中需考慮足夠豐富和靈活的算力資源，以支持智慧城際鐵路的發(fā)展。

2 主流無線通信技術(shù)對比分析

2.1 軌道交通行業(yè)主要無線通信技術(shù)

現(xiàn)階段應(yīng)用于軌道交通行業(yè)的無線通信技術(shù)主要有Tetra、GSM-R、LTE-M、WLAN 等，軌道交通行業(yè)主流無線通信技術(shù)如表2所示。

表2 軌道交通行業(yè)主流無線通信技術(shù)Tab.2 Mainstream wireless communication technologies in rail transit industry

其中，Tetra和GSM-R為窄帶無線通信技術(shù)，不支持大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸；LTE-M 受頻率規(guī)劃限制，對軌道交通領(lǐng)域的大帶寬數(shù)據(jù)傳輸能力也較為有限，更多應(yīng)用于涉及行車安全的業(yè)務(wù)領(lǐng)域；WLAN隨著技術(shù)的發(fā)展，個別廠家已經(jīng)能夠支持160～200 km/h的移動速度，但由于采用了廠家的私有協(xié)議，互聯(lián)互通能力比較差。另外，近年來也有一些新的技術(shù)應(yīng)用，例如，超高速移動通信技術(shù)(EUHT)由新岸線公司設(shè)計開發(fā)，工作在非授權(quán)頻段5.8 GHz，支持移動速度300 km/h；基于非授權(quán)頻段的LTE(LTE-U)，工作在非授權(quán)頻段5.8 GHz，支持移動速度300 km/h。這2 種技術(shù)無線傳輸能力較強(qiáng)，能夠提供較大的數(shù)據(jù)帶寬，可用于承載大帶寬的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但由于技術(shù)缺少通用性，網(wǎng)絡(luò)化和互聯(lián)互通性較差。

2.2 5G應(yīng)用可能性分析

第五代通信技術(shù)(5G)已經(jīng)在我國運營商市場投入使用，其高速率、低延時、高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接的特性受到了普遍的關(guān)注。隨著新版本標(biāo)準(zhǔn)的逐漸發(fā)布，5G技術(shù)功能逐漸增強(qiáng)，特別是數(shù)據(jù)安全和資源保障能力獲得了更多的認(rèn)可。近年來，5G 技術(shù)在專網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，在港口、智慧工廠、礦井等不同領(lǐng)域均有了一些工程應(yīng)用案例。5G技術(shù)的超低時延、高速率、高可靠性和多終端接入能力為軌道交通行業(yè)應(yīng)用提供了新的可能[5-6]。例如，軌道交通業(yè)務(wù)主要使用上行數(shù)據(jù)，在隧道內(nèi)采用漏泄電纜進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，5G不同漏纜數(shù)量下不同頻譜帶寬的單用戶上行網(wǎng)絡(luò)吞吐能力如表3所示[7]。可以看出，利用電信運營商5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建“虛擬專網(wǎng)”的方式基本能夠滿足深圳城際鐵路大帶寬和智慧型的無線應(yīng)用需求。

表3 5G不同漏纜數(shù)量下不同頻譜帶寬的單用戶上行網(wǎng)絡(luò)吞吐能力Tab.3 Single user network upload capacity for different 5G cable construction methods

2.3 5G公專網(wǎng)方案

5G 公專網(wǎng)是電信運營商針對5G 技術(shù)在專網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用提出的解決方案。此方案以共用運營商5G頻段為基礎(chǔ)，按照接入網(wǎng)和核心網(wǎng)設(shè)備的不同共享程度區(qū)分為3種模式，分別為5G虛擬專網(wǎng)模式、5G混合專網(wǎng)模式、5G獨立專網(wǎng)模式[8]，運營商5G公專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 運營商5G公專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of operators 5G private network architecture

（1）5G虛擬專網(wǎng)模式：接入網(wǎng)側(cè)公網(wǎng)用戶與專網(wǎng)用戶共用運營商頻段和基站設(shè)備，采用硬切片和服務(wù)質(zhì)量(QoS)方式保證專網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)傳輸資源；核心網(wǎng)側(cè)公網(wǎng)用戶與專網(wǎng)用戶共用控制面網(wǎng)元和用戶面網(wǎng)元設(shè)備。

（2）5G混合專網(wǎng)模式：接入網(wǎng)側(cè)公網(wǎng)用戶與專網(wǎng)用戶共用運營商頻段和基站設(shè)備，采用硬切片和QoS方式保證專網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)傳輸資源；核心網(wǎng)側(cè)公網(wǎng)用戶與專網(wǎng)用戶共用控制面網(wǎng)元設(shè)備，但為專網(wǎng)用戶獨立設(shè)置了專用用戶面功能(UPF)網(wǎng)元，并下沉設(shè)置在專網(wǎng)園區(qū)內(nèi)，以保證專網(wǎng)數(shù)據(jù)不出場的要求。

（3）5G獨立專網(wǎng)模式：與前2種模式不同，獨立專網(wǎng)模式為專網(wǎng)用戶單獨設(shè)置接入網(wǎng)基站設(shè)備和核心網(wǎng)設(shè)備，專網(wǎng)頻率租用公網(wǎng)的部分頻段，做到真正專網(wǎng)與公網(wǎng)的物理分離。

5G公專網(wǎng)3種模式對比分析如表4所示。

表4 5G公專網(wǎng)3種模式對比分析Tab.4 Comparative analysis of three modes of 5G private network

針對軌道交通行業(yè)較高的數(shù)據(jù)安全性和實時性的特點，“數(shù)據(jù)不出場”和數(shù)據(jù)安全是最基本的需求，因而虛擬專網(wǎng)模式并不適合。另一方面，獨立專網(wǎng)模式需專網(wǎng)用戶租用運營商的公網(wǎng)頻段，進(jìn)而直接減少公網(wǎng)用戶的可用頻段資源。對于軌道交通行業(yè)場景來說，專網(wǎng)用戶與公網(wǎng)用戶共存在同一物理區(qū)域，獨立專網(wǎng)模式雖然能夠獲得更好的專網(wǎng)性能和網(wǎng)絡(luò)效果，但會降低5G 整體網(wǎng)絡(luò)的靈活性和使用效率，較難獲得運營商的支持。因此，采用5G 混合專網(wǎng)模式更符合軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用場景[10]。

3 深圳城際鐵路5G公專網(wǎng)方案建議

3.1 深圳城際鐵路5G公專網(wǎng)優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析，混合專網(wǎng)模式的5G 公專網(wǎng)可能會受公網(wǎng)故障的影響。為提升深圳城際鐵路業(yè)務(wù)的可靠性，防止因外網(wǎng)光纖線路或公網(wǎng)核心網(wǎng)故障等突發(fā)問題影響專網(wǎng)業(yè)務(wù)，建議在深圳城際鐵路調(diào)度指揮中心增設(shè)下沉的輕量級接入與移動性管理功能(AMF)、會話管理功能(SMF)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理(UDM)網(wǎng)元，以保證專網(wǎng)信令的穩(wěn)定連接。

另外，隨著智慧型業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，中心云和邊緣計算協(xié)同技術(shù)的大量推廣，在保證“數(shù)據(jù)不出場”的基礎(chǔ)上，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)前端落地、快速運算也為智慧業(yè)務(wù)的開展提供更多可能。因此，建議將專網(wǎng)UPF網(wǎng)元進(jìn)一步下沉至城際鐵路前端機(jī)房(可根據(jù)業(yè)務(wù)的需求選擇下沉至基站或區(qū)域)，并配套相應(yīng)的多接入邊緣計算(MEC)節(jié)點[11]。深圳城際鐵路5G公專網(wǎng)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 深圳城際鐵路5G公專網(wǎng)架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of 5G private network architecture of Shenzhen intercity railway

3.2 基于5G公專網(wǎng)的智慧應(yīng)用探討

上述5G 公專網(wǎng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)方案加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)可靠性，依托5G 技術(shù)的高傳輸速率和靠前布放的邊緣計算節(jié)點，可為深圳城際鐵路提供更多的智慧應(yīng)用，包括實時數(shù)據(jù)分析和設(shè)備控制、區(qū)域化的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)優(yōu)化上傳至中心云、分發(fā)本地數(shù)據(jù)和快速提升響應(yīng)等。以下為基于5G 公專網(wǎng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的智慧應(yīng)用方案和相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互流程圖。

（1）車載視頻上傳與分析。隨著安全與反恐要求的提升，高速行駛的列車上車載視頻的實時上傳與分析成為亟待解決的問題，5G 技術(shù)對高移動性的支持和高帶寬傳輸?shù)哪芰?，為車站視頻的實時上傳提供了條件[12]。同時，邊緣計算節(jié)點能夠快速對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、優(yōu)化和存儲。車載視頻上傳與分析的數(shù)據(jù)交互流程如圖3所示。

圖3 車載視頻上傳與分析的數(shù)據(jù)交互流程Fig.3 Data interaction flow chart of on-board video upload and analysis

（2）虛擬現(xiàn)實/增強(qiáng)現(xiàn)實(VR/AR)輔助維修。隨著各專業(yè)系統(tǒng)新技術(shù)的應(yīng)用及維修工作準(zhǔn)確性和快速性要求的提升，利用VR/AR 眼鏡/終端輔助維修或許是新的發(fā)展方向。VR/AR技術(shù)通常需要運用空間定位、方向追蹤、圖像渲染等多種需要進(jìn)行復(fù)雜計算的技術(shù)，對系統(tǒng)算力要求較強(qiáng)[13]。另外，可結(jié)合工程建筑信息模型(BIM)技術(shù)和技術(shù)數(shù)據(jù)手冊等資料，將維修對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指導(dǎo)手冊立體化地呈現(xiàn)在VR/AR 終端上，5G 技術(shù)的高帶寬和邊緣計算能力可以滿足此類業(yè)務(wù)的需求。VR/AR 輔助維修的數(shù)據(jù)交互流程如圖4所示。

圖4 VR/AR輔助維修的數(shù)據(jù)交互流程Fig.4 Data interaction flow chart of VR/AR auxiliary maintenance

（3）智能客服融合通信。隨著各類面向乘客應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)字化與智能化，利用統(tǒng)一的服務(wù)終端為客運工作人員提供便利的現(xiàn)場操控平臺能夠有效地提升服務(wù)質(zhì)量，提高運營效率，響應(yīng)突發(fā)情況。融合通信可根據(jù)車站客運工作場景，結(jié)合視頻監(jiān)控、PIS、廣播、乘客求助電話、視頻會議以及調(diào)度電話等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)部署情況，在邊緣計算節(jié)點和中心云上部署相應(yīng)服務(wù)，以實現(xiàn)相關(guān)客運服務(wù)的調(diào)用和數(shù)據(jù)交互[14-15]。5G技術(shù)的高帶寬和邊緣計算能力可以滿足此類應(yīng)用的需求。智能客服融合通信的數(shù)據(jù)交互流程如圖5所示。

圖5 智能客服融合通信的數(shù)據(jù)交互流程Fig.5 Data interaction flow of intelligent customer service and integrated communication

3.3 進(jìn)一步研究的問題

與傳統(tǒng)公網(wǎng)只為乘客服務(wù)不同，上述5G公專網(wǎng)方案作為無線專網(wǎng)的補(bǔ)充，為深圳城際鐵路運營大帶寬業(yè)務(wù)和智慧業(yè)務(wù)提供通道保障。為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，對于公網(wǎng)覆蓋提出了更高的要求，特別是軌行區(qū)的基站密度和天饋覆蓋方式需要進(jìn)一步的研究。一方面，在工程實踐過程中如何保證上行鏈路的帶寬，增強(qiáng)不同運營商頻率條件下覆蓋的完整性，優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的上下行時隙配比等問題也有待深入研究。另一方面，需要研究開發(fā)支持多模功能的車載終端等終端設(shè)備，以提升列車等移動終端運行至不同電信運營商網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)段的能力。

4 結(jié)束語

從安全性和可維護(hù)性的角度來說，申請專網(wǎng)頻率建設(shè)5G專網(wǎng)的方式最符合城際鐵路應(yīng)用的需求。但由于深圳城際鐵路沿線較長，運行環(huán)境涉及地下和地上區(qū)域，結(jié)合我國當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和頻率政策，為都市圈城際鐵路申請專用5G 頻段的困難較大。5G公專網(wǎng)優(yōu)化方案借用了運營商的頻率資源，在充分利用5G技術(shù)高帶寬、低時延、多接入能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合云邊協(xié)同的技術(shù)特點，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和智慧性，既可以滿足大帶寬傳輸、高速移動和互聯(lián)互通的業(yè)務(wù)需求，也為后續(xù)進(jìn)一步開發(fā)智能化、數(shù)字化的應(yīng)用提供了可能。