蘇 亮，張瑋君

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣西有限公司，廣西 南寧 530023；2.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 需求分析

車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要針對(duì)列車的控制系統(tǒng)、運(yùn)行狀態(tài)、集群調(diào)度、視頻監(jiān)控、列車運(yùn)維等多個(gè)方面進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳輸[1]，從而實(shí)現(xiàn)與列車信號(hào)、列車調(diào)度、列車維修等多個(gè)主體之間安全、穩(wěn)定、可靠的信息數(shù)據(jù)傳輸，最終達(dá)到地鐵站內(nèi)各個(gè)列車穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)（如表1所示）。通常情況下，該系統(tǒng)會(huì)依靠多項(xiàng)信息技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)需求，如采用TETRA技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車集群調(diào)度，采用CBTC技術(shù)完成交通通信信號(hào)業(yè)務(wù)，采用IPSAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。當(dāng)前隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，無論是地鐵線路還是客流量都在逐漸增多，加之智慧城市軌道的發(fā)展，此前業(yè)務(wù)需求已無法滿足當(dāng)前的車地?zé)o線通信需求。另外，隨著我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程數(shù)的逐年增長(zhǎng)，對(duì)列車的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警分析以及故障診斷功能等多個(gè)方面的重要性也隨之增加。因此，保障地鐵列車能夠安全運(yùn)行就需要實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、低丟包率、可靠性高、安全性強(qiáng)以及移動(dòng)性強(qiáng)等特征的車的數(shù)據(jù)無線傳輸[2]。

表1 車地?zé)o線通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求

2 應(yīng)用原則及內(nèi)容

2.1 應(yīng)用原則

（1）按照智能化城市軌道規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)開展。

（2）確保項(xiàng)目方案合理、經(jīng)濟(jì)、安全，便于后期項(xiàng)目順利運(yùn)行。

（3）整個(gè)車地?zé)o線通信系統(tǒng)應(yīng)滿足各個(gè)運(yùn)營(yíng)單位的要求，便于后期的運(yùn)行、維修與管理。

（4）采用5G技術(shù)、5G工藝以及先進(jìn)材料設(shè)備，充分展現(xiàn)出先進(jìn)的地鐵規(guī)劃理念。

2.2 應(yīng)用內(nèi)容

基于5G技術(shù)的城市軌道交通信息傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括：區(qū)域控制器、車載控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制器、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。軟件設(shè)計(jì)包括無線通信程序設(shè)計(jì)以及通信信號(hào)程序設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

車地?zé)o線通信系統(tǒng)利用各種先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)地鐵不同業(yè)務(wù)需求中海量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析[3]。本系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及地鐵業(yè)務(wù)需求主要分為三大方面：列車安全、生產(chǎn)管理以及運(yùn)維管理等。采用車地?zé)o線通信系統(tǒng)，可以從根本上降低列車運(yùn)行安全隱患，有效降低人力勞動(dòng)成本，以此實(shí)現(xiàn)城市軌道交通信息化系統(tǒng)的高效率。該系統(tǒng)組網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)主要包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層、終端層等，如圖1所示。

圖1 5G車地?zé)o線通信組網(wǎng)架構(gòu)圖

（1）應(yīng)用層：隨著NFV和SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)背景下的應(yīng)用層組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了自主可控、安全可靠、功能完備，能夠在系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)中心建立起專門的組網(wǎng)數(shù)據(jù)模式，通過統(tǒng)一化完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入服務(wù)，從而提供多元化的數(shù)據(jù)服務(wù)，并以此實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間的安全防火墻部署，最終達(dá)到網(wǎng)絡(luò)安全防范的作用。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：該層是本系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)層，其主要功能包括信息傳輸以及網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的高速互通，此外，還包括海量信息數(shù)據(jù)的收集、集成、轉(zhuǎn)換等。由于網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部部署了云平臺(tái)，因此能夠進(jìn)行人機(jī)交互的信息化服務(wù)，從而能夠提供視頻監(jiān)控服務(wù)、設(shè)備管理服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)等。此外，利用5G技術(shù)，當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一備用系統(tǒng)就可以完成對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，減少因?yàn)橄到y(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致的地鐵業(yè)務(wù)停滯的情況出現(xiàn)，從而達(dá)到提升地鐵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理以及傳輸能力的目標(biāo)，也能夠提升車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩砸约翱煽啃浴?/p>

（3）接入層：這一層的主要工作是儲(chǔ)存、分析以及處理網(wǎng)絡(luò)層采集到的數(shù)據(jù)和信息，接入層是以5G基站以及傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，通過CRAN集中部署的方式，將基站拆解成為CU和DU兩個(gè)單元。這種模式之下，能夠?qū)Τ杀緦?shí)現(xiàn)有效的管理，也能夠最大限度的減少機(jī)房資源的消耗。從功能上來看，這一層的主要作用，是應(yīng)用智能化5G基站平臺(tái)接收和管理海量的信息與數(shù)據(jù)，然后通過基站中的有源天線，將5G基站信號(hào)變成模擬信號(hào)，再進(jìn)行下一個(gè)環(huán)節(jié)的傳輸。

4 關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試

4.1 EVPN技術(shù)

基于5G技術(shù)的城市軌道交通綜合信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域在設(shè)置IP地址時(shí)會(huì)使用到EVPN技術(shù)，該技術(shù)在信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，安全性也很強(qiáng)。EVPN技術(shù)是一種基于二層網(wǎng)絡(luò)互連的VPN技術(shù)[4]，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，EVPN技術(shù)可以修改兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的原始連接，而不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能依靠物理元素進(jìn)行連接。這一技術(shù)能夠在任何的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在原始連接的基礎(chǔ)上，修改連接的約束條件，同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)上，建立一個(gè)私人的網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)。一旦這種專用網(wǎng)絡(luò)形成，就可以通過使用邏輯隧道的方式，滿足數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)男枨螅部梢哉细鄰?fù)雜且多養(yǎng)的信息加密和認(rèn)證技術(shù)，以此確保概念股供網(wǎng)絡(luò)信息及數(shù)據(jù)的安全。由于其功能上的優(yōu)勢(shì)，EVPN技術(shù)也減少了外部影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，使網(wǎng)絡(luò)始終保持良好的工作狀態(tài)，這使得城市軌道交通能夠?yàn)槌丝吞峁└玫木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的效率。

4.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

利用5G技術(shù)的UP和CP網(wǎng)絡(luò)二者能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，而兩個(gè)網(wǎng)元之間的模塊化結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)靈活部署。其中的5G技術(shù)優(yōu)化了本地路由，并將UPF網(wǎng)元在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)位置進(jìn)行下沉，從而有效減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，最終確保低延遲和高效率的傳輸。此外，5G技術(shù)還能夠優(yōu)化空口幀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減少列車調(diào)度的成本，有效減少空口傳輸延遲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)優(yōu)化的空口優(yōu)化。

4.3 MPLS技術(shù)

MPLS是新一代的IP高速骨干網(wǎng)絡(luò)交換標(biāo)準(zhǔn)，它主要是利用標(biāo)記進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的。當(dāng)分組進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)以后，就要為其分配固定長(zhǎng)度的短標(biāo)記，并將這些標(biāo)記和分組封裝在一起，而轉(zhuǎn)發(fā)的過程，交換節(jié)點(diǎn)只會(huì)根據(jù)標(biāo)記進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS的設(shè)計(jì)就是為了解決網(wǎng)路問題，也能夠?yàn)橄乱淮鶬P中樞網(wǎng)絡(luò)解決寬帶管理和服務(wù)請(qǐng)求等問題。MPLS最初就是為了提高轉(zhuǎn)發(fā)速度提出的，與傳統(tǒng)的IP路由方式相比，這一技術(shù)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，只會(huì)在網(wǎng)絡(luò)邊緣分析IP報(bào)文頭，而不需要再每一跳進(jìn)行分析，最終達(dá)到節(jié)約處理時(shí)間的目標(biāo)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

（1）測(cè)試方案。首先，在后臺(tái)的控制中心接入1臺(tái)筆記本電腦用于本次測(cè)試，使列車段通過光纖鏈路與軌道旁的無線基站相連接；其次，通過空口將信息數(shù)據(jù)傳輸至車載接收單元；最后，車載接收單元和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接在一起以后，再利用MEO網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試軟件，對(duì)無線通信的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行測(cè)試監(jiān)督。測(cè)試內(nèi)容包括：①業(yè)務(wù)吞吐率；②網(wǎng)絡(luò)上傳、下載數(shù)據(jù)的丟包率、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等指標(biāo)。

（2）測(cè)試步驟。分別對(duì)軌道兩旁基站的5G系統(tǒng)終端進(jìn)行測(cè)試，收集其上、下行吞吐量，以此判斷這一系統(tǒng)是否具備足夠的業(yè)務(wù)承載能力。首先，需要設(shè)置參數(shù)，調(diào)整帶寬為80 Mbps，并使得雙終端的隙配比為3∶1。每一次測(cè)試都需要保存相應(yīng)的測(cè)試日志以及數(shù)據(jù)截圖，與此同時(shí)，還需要詳細(xì)記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)峰值以及真實(shí)的吞吐量。其次，需要通過網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)分析以及丟包率數(shù)據(jù)的分析，確認(rèn)軌道交通在5G系統(tǒng)背景之下，能否滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求，也能夠判斷網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和丟包率的需求能否滿足。

（3）測(cè)試結(jié)果。在測(cè)試過程中，列車以正常的運(yùn)行速度沿軌道路線移動(dòng)，使用MEO軟件模擬網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)。其中的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度設(shè)置為1400字節(jié)，傳輸間隔為100 ms。同時(shí)還需要對(duì)丟包率進(jìn)行測(cè)試，并實(shí)時(shí)記錄二者的測(cè)試結(jié)果。最終結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的最小延遲為1 ms，最大延遲為3 ms。由于列車在測(cè)試期間運(yùn)行正常，在生成的信息數(shù)據(jù)中沒有檢測(cè)到丟包現(xiàn)象發(fā)生，因此該系統(tǒng)丟包率被評(píng)估為零，符合測(cè)試結(jié)果的最佳范圍。

5 應(yīng)用場(chǎng)景

5.1 生產(chǎn)管理

城市軌道交通車的無線通信系統(tǒng)中的生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)需求極廣，包括PIS、IMS在內(nèi)，其主要目的是能夠提供大規(guī)模帶寬的無線信息數(shù)據(jù)傳輸通道。其中，TSP系統(tǒng)是傳播信息的重要載體，其主要作用是為乘客提供多元化的地鐵服務(wù)以及緊急公告信息；TSP系統(tǒng)主受限于列車與地面之間的信息數(shù)據(jù)路徑，盡管二者之間均能夠傳輸信息數(shù)據(jù)和緊急情況公告，但是卻無法實(shí)現(xiàn)新聞在線直播、高清視頻廣告以及其他視頻播放等。

5.2 運(yùn)維管理

第一，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵站內(nèi)列車運(yùn)行數(shù)據(jù)的全過程管理，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、泄漏等安全隱患的發(fā)生。第二，提前預(yù)警。利用5G技術(shù)，可以對(duì)設(shè)備可能存在的故障進(jìn)行排除，提前排除風(fēng)險(xiǎn)，提前預(yù)警，并做出相應(yīng)的運(yùn)維策略。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著5G技術(shù)的日益發(fā)展，將該技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通建設(shè)中成為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。近年來，隨著智能化城軌概念的不斷普及，構(gòu)建5G城市軌道交通智能化系統(tǒng)，推進(jìn)信息化建設(shè)水平的深度發(fā)展已成必然之舉。構(gòu)建5G技術(shù)背景下城軌車地?zé)o線通信系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵站內(nèi)的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)的智能化管理，滿足未來地鐵應(yīng)用場(chǎng)景的低時(shí)延、高可靠、高安全性的目標(biāo)，推動(dòng)該領(lǐng)域的革新與發(fā)展。■