5G在轨道交通行业的应用探讨

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　　【摘  要】5G时代来临，各种行业的无线通信需求必将得到极大的释放和满足。分析了轨道交通行业的无线通信业务的特点及其对5G通信网络的需求，面对以地下隧道为主、行车速度较快、通信终端集中移动等特点的轨道交通应用场景复杂性，提出了5G技术在轨交环境下的应用方式和面临的技术挑战，同时，还针对5G在轨交行业的组网应用模式进行了分析和研究，分析了自建专网与运营商合作方式两种解决方案的优缺点、存在的主要问题和限制，给出了组网建议。
　　【关键词】轨道交通;LTE-M;5G;网络共享;边缘计算
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.012        中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0063-08
　　引用格式：毛磊，翟浩杰，尹尚国. 5G在轨道交通行业的应用探讨[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 63-70.
　　0    引言
　　近年来我国城市轨道交通（简称轨交）进入建设高潮，轨道交通在城市出行的比重越来越高，轨道线路的大量开通运营也驱动了轨交相关专业的技术发展。随着轨交运营智能化升级、全自动无人驾驶技术的广泛应用，越来越多的数据和信息需要通过引入先进的无线通信方式实现更高效快速传输。
　　目前应用于轨交行业的无线技术有以下几种（此处不考虑警用通信，按技术出现的先后顺序排列）：
　　（1）Tetra（Terrestrial Trunked Radio，陆地集群无线电）数字集群通信系统由ETSI（欧洲通信标准协会）制订标准，于1988年开始投入。Tetra属于窄带集群技术，常用于承载轨交无线语音集群调度业务，有逐步被LTE-M替代的趋势。
　　（2）WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网络），基于IEEE802.11标准的无线局域网技术，使用非授权的ISM频段中的2.4 GHz或5.8 GHz频段进行无线通信。早期列控信号也采用WLAN技术承载，由于非授权频段上的干扰问题，易造成无线通信质量下降，影响行车安全。目前有部分地铁线路采用WLAN技术承载大带宽的视频类业务。
　　（3）LTE-M（Long Term Evolution-Metro，地铁长期演进系统），由中国城市轨道交通协会组织制定标准，以LTE（公网4G）标准为基础，针对轨交无线业务需求进行增强，适用于城市轨道交通的宽带无线传输技术，支持宽带集群调度功能（包括语音集群和视频集群业务）。LTE-M广泛应用于地铁车地无线通信，优先承载列控信号和集群调度业务，亦可综合承载视频类业务（取决于频率带宽）。
　　（4）EUHT（Enhanced Ultra High Throughput，超高速移动通信技术），由新岸线公司设计开发，应用于5.8 G非授权频段，融合了LTE和WLAN的技术特点，利用非授权频段的大带宽，通过载波聚合提升数据传输能力。目前有部分地铁线路采用EUHT技术承载大带宽的视频类业务。
　　（5）LTE-U（Long Term Evolution-Unlicense，基于非授权频段的LTE），应用于5.8 G非授权频段，采用LTE网络结构和协议，利用非授权频段的大带宽，通过载波聚合提升数据传输能力。目前有部分地铁线路采用LTE-U技术承载大带宽的视频类业务。
　　上述几种传统技术各有特点，在不同的条件下均有应用，但并没有一种技术能同时满足所有轨交无线业务的需求。
　　第五代通信技术（5G）已经在我国运营商市场商用，5G可支持高数据速率、低延迟、高系统容量和大规模设备连接。5G技术在轨交行业的应用和实施目前还属于起步阶段，有些城市地铁开通了5G服务，但5G覆盖仅限于站台站厅区域，目前还没有正式开通5G覆盖地铁隧道的项目。
　　本文分析了轨交无线通信业务需求（包括未來业务的发展趋势）、5G技术在轨交环境下的应用限制、5G在轨道交通的组网模式等，给出5G在轨交行业应用和解决方案建议，希望为后续推广轨交5G应用起到参考作用。
　　1    轨交无线业务需求
　　传统轨交无线业务包括：CBTC（Communication Based
　　Train Control System，列控信号）、集群列调、紧急文本、列车运行状态监测信息、CCTV（Closed Circuit Television，视频监控）、PIS（Passenger Information System，乘客信息系统）等[1]。
　　图1为目前普遍应用的LTE-M轨交无线通信系统网络架构，主要由核心网、BBU、RRU和车载终端构成。轨交无线通信主要服务于列车，需要沿轨道进行无线覆盖，漏缆比较适合这种线状的覆盖场景。由于列控CBTC业务影响行车安全，其可靠性要求非常高，因此轨交无线系统采用A/B双网冗余结构，一般A网承载综合业务（包括列控信号、集群列调、紧急文本、列车运行状态监测信息、视频监控、PIS等）、B网单独承载列控业务。列控信号数据会同时在A网和B网中传输，保证列控信号数据的高可靠要求。
　　现阶段轨交业务需求汇总如表1所示（业务需求参照LTE-M规范定义，以一列车为对象说明）。
　　在轨道场景下，LTE-M系统的站间距可达到1.2 km，LTE-M规范要求一个小区内支持最多6列车的通信，综合承载多种业务时，单个小区需要传输的最小上下行业务量约为14 Mbit·s-1/4 Mbit··s-1。
　　LTE-M采用1.8 GHz专网频段（1 785—1 805 MHz），该频段为多个行业共用，通常地铁只能分到10 MHz带宽。 　　表2是LTE-M系统在不同带宽、不同时隙配比、支持MIMO等条件下单小区上下行理论峰值速率。该数据是在无线条件非常好、终端能力非常强、不考虑相邻小区干扰的情况下计算得出的。
　　对照表2，在采用双漏缆覆盖、时隙配比0（1DL：3UL）、
　　5 MHz频率组网等条件下，单小区的理论峰值速率为下行12.75 Mbit··s-1、上行8.12 Mbit··s-1。实际无线环境下LTE系统传输速率只能达到理论值的40%左右，即下行约为5.1 Mbit··s-1、上行约为3.25 Mbit··s-1。
　　因此现有频率条件下，LTE-M系统的传输能力已经无法满足同时承载全部上述业务。
　　随着轨交行业信息技术和控制技术不断更新，上述传统轨交无线业务也在不断发展和升级，具体需求会有以下变化。
　　（1）列控信号业务：无人驾驶技术已经开始规模应用，下一代列控技术（俗称车车通信）正在研发，列控数据速率将更大（Mbit· ·s-1级别）、端到端业务时延将更小（50 ms级）。
　　（2）集群业务：集群语音业务自Tetra应用以来业务需求比较稳定，将来也不会有太大变化。随着宽带集群的应用，视频组呼应用会越来越多，其对无线传送通道的带宽需求较大。
　　（3）列车运行状态监测：在全自动运营模式下，列车运行状态监测信息的数据量会增多，上报周期更短。
　　（4）视频监控业务：每列车约有摄像头30个，高清格式时每路速率约为2 Mbit/s，全自动驾驶时要求所有摄像头的图像均能实时上传，这将是最大的上行业务需求。
　　（5）PIS业务：PIS业务采用组播方式传输，目前一条线路只有一套PIS视频，在带宽允许的条件下可以同时发送多套PIS视频，同一车厢的不同显示屏上播放不同内容。
　　除了上述传统轨交业务外，还会有大量新业务涌现，可具体划分为面向列车运行、面向运营维护、面向乘客出行、面向应急防灾等几大类[2-3]。
　　（1）面向列车运行
　　1）宽带视频呼叫：实现列车与地面之间的视频调度通信。比如车内乘客通过紧急呼叫功能与调度员通话，调度员可看到乘客画面。
　　2）下一代列控数据：主要是列车运行控制系统数据、列车控制管理数据及紧急文本数据传输，对时延要求高，并且需要优先保障数据带宽，用于保障列车的安全运行。
　　3）超高清视频流：列车CCTV视频监控及PIS视频播放，要求清晰度更高。
　　4）3D可视化行车环境：通过VR技术，实现列车运行轨道的可视和可控。
　　（2）面向运营维护
　　轨道交通内需要维护的设施多、分布点多面广、维护工作量巨大，利用物联网技术采集各系统的状态数据、工务系统状态数据，通过无线通信系统上传给专业维护平台，用于实时监控各个系统的运行状态，及时发现可能的隐患，由被动维护转为智能监管，提高整个轨道交通系统的维护效率和系统安全性。
　　（3）面向乘客出行
　　通过高速无线通信系统实现地铁网络购票，实时查寻车辆到/发站信息、车站拥挤情况，定位轨道交通内商业网点等，为乘客出行提供参考，提高轨道交通的服务水平和舒适度。
　　（4）面向应急防灾
　　城市轨道交通列车发车密度高、客流量大，隧道环境复杂，一旦出现紧急情况，需要能及时反应，可以通过高速无线通信系统进行现场情况直播和应急调度，提高应急处理效率。
　　2    轨交无线业务的承载方式建议
　　根据上节需求分析，轨交无线业务类型越来越丰富、对数据传输速率需求（尤其是上行速率）也在成倍增加，仅采用LTE-M无线系统已经无法满足所有业务需求。
　　对于是否可以通过5G系统来承载全部轨交无线业务，而不用建设4G LTE-M系统这个问题，答案是否定的，理由如下：
　　（1）5G技术还未完全成熟，完整的5G版本标准（R16）将于2020年上半年发布;针对轨交应用场景，还有很多技术和工程问题需要优化，如隧道环境下的无线覆盖方式等。
　　（2）目前未分配5G行業专用频段，必须与运营商共用网络，对于特别重要的安全类业务，地铁业主希望能够自己管控。
　　（3）如果采用5G系统承载列控，需要AB网冗余结构，需要建设重叠覆盖的2张5G网络，目前5G设备的成本非常高。
　　（4）现阶段的5G标准还不支持集群功能，R17版本将引入集群，预计2021年底发布标准。
　　所以虽然公网已经进入5G时代，但在轨交行业中5G还不能马上替代其他传统技术，例如LTE-M仍会长期服务于轨交行业，用于承载速率较小、可靠性要求高的关键业务。建议以是否影响行车安全来区分业务类别，安全类业务（列控、列调）采用LTE-M网络承载，其他业务可以通过5G网络承载。列控、列调（语音）承载于1.8 G LTE-M专网，专用频段、技术成熟、设备稳定，可保证列车运行的安全性，满足10年内的列车控制应用要求。CCTV、PIS等大带宽视频业务适合采用5G网络承载，还可进一步挖掘5G网络的低时延、高可靠性能力，拓展面向运营维护、乘客出行和应急防灾等方向的新应用。
　　3    5G技术在轨交环境下的应用分析
　　本节分析5G主要增强技术[4]（参照公网部署方式）的适用条件，然后从轨道交通无线环境（包括高铁）和部署条件、应用场景等角度分析这些增强技术在轨交环境下的应用限制和效果，试图从技术角度给轨交5G无线系统做一些定性的分析。
　　（1）Massive MIMO
　　Massive MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大规模多入多出天线）[5]，通过大规模天线，基站可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的高增益窄细波束，能够提供更灵活的空间复用能力，改善接收信号强度并更好地抑制用户间干扰，从而实现更高的系统容量和频谱效率。 　　在轨交环境下，需要沿轨道进行无线信号覆盖，场景以隧道和高架为主。列车数量不多，但每列车的传输数据量大（尤其是上行）。如果考虑乘客上网，则整列车上有几百上千的终端，密集位于车厢中，几乎同时进行频繁的切换过程。
　　轨交一般采用漏缆覆盖，并且漏缆部署的数量有限（2根或4根），单根漏缆中的无线信号在终端看来就是基站的一个端口发送的信号，因此无法实现超过4个端口的信号收发。如果采用天线覆盖，隧道环境狭小、拐弯和上下坡度等条件将影响天线的覆盖，特别是5G采用更高的频段。
　　另外，列车车厢中用户非常集中，多用户MIMO所要求的用户分布在不同角度的条件无法满足。
　　基于以上分析，多天线技术这个5G最重要的增强技术在轨道交通场景下性能很难发挥。
　　（2）大带宽设计
　　5G以超大带宽为特征，三大运营商已经分配的公网5G频率带宽为100 MHz（中国电信、中国联通）/160 MHz（中国移动），大系统带宽不限应用场景，在轨交应用场景下，大带宽可以提供更高的系统传输能力。
　　（3）超密集组网
　　在公网地面覆盖场景，由于5G频段普遍较高，无线信号空间传播衰减大，需要更加密集的部署基站，尤其针对高频段，站间距可能在数十米量级，因此5G的超密集组网是公网的主要特征之一。而轨交场景以线状覆盖为主，如果基站部署太密集，则列车在运行中会频繁切换，而且车厢中大量乘客集中切换，还带来复杂的移动性问题。基于以上原因，在轨交应用场景中建议采用低频段实现轨道的无线覆盖，不宜采用超密集组网。在车辆段、停车场、大的车站可以采用超密集组网模式，提升系统容量。
　　（4）Mini-slot微小子帧调度/免调度传输
　　Mini-slot微子帧调度和免调度适用于URLLC场景[6]，可以与eMBB共享无线资源，对系统的调度能力提出了很高的要求。常规地铁项目目前还没有时延要求特别高的业务。在高速磁浮列车（600 km/h）系统中定位数据要求端到端单向时延小于5 ms。在应用Mini-slot微小子帧调度时5G无线侧可以支持小于1 ms的空口时延，但针对高速磁浮PWR业务的时延要求，还需结合有线组网和边缘计算等技术综合设计方案。
　　（5）半静态上下行时隙配比
　　目前公网主要使用2.5 ms双周期、2.5 ms单周期、2 ms单周期等配置，上行资源最多30%[7]，满足公网用户下载数据大于上传数据的要求。而轨交无线数据的上下行比例取决于承载的业务类型，初期以承载PIS和CCTV为主，上行视频回传业务量非常大，需要使用上行比例更大的时隙配比。综合考虑公网用户和轨交专用用户的业务上下行比例，可能在不同时段内还会有较大波动，因此半静态的上下行时隙配比调整可提高系统总的传输能力。
　　（6）下行控制信道波束赋型
　　在公网中为了提高小区覆盖，采用波束赋型、波束扫描的方式来发送下行控制信道[8]，达到增大小区覆盖半径的效果。在轨交应用场景中也希望能扩大小区覆盖，在隧道采用漏缆覆盖时，波束赋型基本没有作用，无法体现效果。在天线覆盖区域，要求波束跟踪列车运行轨迹，不能按常规方式扫描，需要特别优化设计。
　　（7）上行覆盖增强
　　在较高频段（3.5 GHz频段）部署宏网无缝覆盖的5G系统时，可能存在上行传输覆盖受限和数据速率受限问题，可以采用全上行载波（SUL）方案或者载波聚合方式解决该问题。
　　在轨交应用场景中，漏缆环境下，就单一频段做链路预算分析，受限的信道如果是上行业务信道，可以采用此技术。在天线覆盖区域，一般都是上行业务信道受限，也可以采用此技术。需要同时使用低频段上行覆盖轨道周边。
　　（8）灵活的系统参数、参考信号设计
　　5G标准支持灵活配置系统参数（如时隙结构）和参考信号，可以针对不同的应用场景、业务比例、用户位置等，进行优化配置，提高系统效率。轨交应用场景比较特殊，需要在运行一段时间后优化出一套适用于特点轨交线路的参数配置。
　　（9）信道反饋增强
　　为了提高信道估计准确性，提高业务数据传输速率，5G中对信道反馈进展进行了很多增强。该技术取决于信道环境，轨交以列车为整体移动，信道条件变化快，用户间干扰大，可能较难实现好的效果。
　　（10）非正交传输
　　采用非正交传输技术，可以在信道环境较稳定的条件下提高系统数据吞吐量。该技术取决于信道环境，轨交以列车为整体移动，信道条件变化快，用户间干扰大，较难实现。
　　基于以上分析，在轨交应用环境下，部分5G技术实际很难发挥最佳性能，需要结合实际工程环境设计部署方案，并进行系统优化，才能达到较好的性能。主要优化方向包括：研制适合5G频段和隧道场景的的漏缆和天线，研究地铁隧道环境下的信道模型、优化高速移动时多普勒频移的补偿算法等。工程方面需要结合实际使用的频段确定合适的站间距和布站原则。
　　4   5G引入轨交行业的网络架构选择
　　基于当前产业现状和频率政策，轨交行业要使用5G网络必须与运营商合作，使用公网5G频率。本节以城市轨道交通（地铁）无线通信系统为例，分析引入5G后，不同网络架构的功能划分和构成[9-10]，以及外部合作方式、频率使用等问题。图中黄色模块为地铁设备，淡蓝色模块为公网运营商设备。
　　5G轨交无线网络架构有以下几种方式。
　　（1）模式一，地铁自建5G核心网、共享运营商基站资源，如图2所示。
　　地铁业主自建支持SA（Standalone，独立组网）的5G核心网，共享运营商建设的5G NR（New Radio，5G无线的简称）基站，组成完整的SA架构5G网络。
　　原有4G专用网络维持不变（承载传统安全类轨交无线业务），两张网独立部署。 　　运营商的5G NR基站还会连接到公网核心网5GC，组成一张公众5G网络，供地铁乘客使用。
　　分析如下：
　　1）运营商建设接入网（5G NR基站），地铁业主自建专用5G核心网，连接运营商的5G基站，共享5G接入网。
　　2）地铁设备与公网设备只在基站处有接口。
　　3）地铁业务数据流不通过运营商的传输网络和核心网。
　　4）地铁业主对网络的可管可控度较高，业务安全性好，可以自主为地铁5G终端放号。
　　5）地铁终端的控制面和用户面均连接到地铁核心网，与公网无信息交互。
　　6）如果运营商对5G接入网进行升级、维护，可能影响轨交业务的传输。
　　（2）模式二，利用运营商5G网络、配置MEC设备本地分流数据，如图3所示。
　　运营商建设公网，轨交行业用户终端使用运营商网络服务，通过自建（或由运营商建设）的MEC（Multi-access Edge Computing，多接入边缘计算）网元实现本地数据分流，视频流直接由MEC网元接入轨交业务平台，不需要由基站传输到公网核心网再回传到轨交业务平台。
　　原有4G专用网络维持不变，两张网独立部署。
　　分析如下：
　　1）这种模式网络比较简单，运营商提供5G服务，行业用户通过5G终端使用运营商的服务。
　　2）地铁设备与公网设备只在基站处有接口。
　　3）行业自建MEC网元，部署在本地机房，实现数据本地分流。减少对运营商传输网络的压力。
　　4）终端用户的管理完全由运营商控制。终端需要注册到公网核心网，控制面由运营商网络提供。
　　（3）模式三，行业终端接入运营商5G网络，无其他自建设备，如图4所示：
　　运营商建设5G公网，地铁用户终端接入5G公网，使用运营商5G网络提供的服务。运营商根据需要为行业用户设置专用网络切片（包括核心网、传输网、接入网），确保满足行业用户的业务需求。
　　原有4G专用网络维持不变，两张网独立部署。
　　分析如下：
　　1）这种模式最简单，运营商提供5G服务，行业5G终端使用公网服务。
　　2）所有业务数据都需要通过公网核心网再回传到轨交业务平台，轨交业务平台与公网有接口。
　　3）大带宽视频流数据对传输网络造成较大压力，也会增加传输时延。
　　4）终端用户的管理完全由运营商控制。
　　（4）模式四，地铁行业自建5G网络（取决于是否有自主频率资源），如图5所示：
　　行业用户自建5G NR基站，同时部署5G核心网，组成完整的SA架构的5G专用网络，根据业务需求支持低时延、超大链接等增强能力。
　　原有4G网络维持不变，两张网独立部署。
　　分析如下：
　　1）如果未来国家正式分配5G行业专用频段，则地铁业主可以完全自建5G专网，与运营商网络相互独立。
　　2）或者采用非授权频段（如5.8 G非授权频段，总共125 MHz），使用其中部分频段（例如80 MHz频宽）建设5G专网，采用3GPP R16 NR-U技术（标准将于2020年中完成）。
　　需避免与目前使用的WLAN/EUHT/LTE-U系统的干扰问题。
　　根据以上分析，现阶段轨交行业如果要使用5G技术，必须与运营商合作。从商业合作角度来看，运营商可能会选择模式二，网络比较简单，而且轨交业务本地分流不会给运营商的传输网络带来较大压力，但地铁业主可能倾向于模式一，希望在共享接入网的基础上最大化自主控制。
　　长远来看，如果将来分配了5G行业专用频率，地铁业主自建5G网络将是最佳选择。或者采用5.8 G非授权频段建设NR-U行业专网，也是一个不错的选择。
　　5   结束语
　　本文首先介绍现有轨交无线技术，分析轨交业务需求以及业务发展趋势，现有技术无法完全满足多样的业务需求（主要是业务速率要求越来越高）。针对5G技术引入轨交行业，建议安全类业务（列控、列调）采用LTE-M网络承载，CCTV、PIS等大带宽视频业务采用5G网络承载，还可进一步挖掘5G网络的低时延、高可靠性能力，拓展面向运营维护、乘客出行和应急防灾等方向的新应用。进一步，详细分析了5G主要增强技术的适用条件，从轨道交通无线环境和部署条件、应用场景等角度分析这些增强技术在轨交环境下的应用限制，提出了优化方向。最后，以城市轨道交通（地铁）无线通信系统为例，分析引入5G后不同网络架构的功能划分和构成，以及外部合作方式、频率使用等问题。
　　5G在轨交行业的应用即将全面展开，其中大带宽业务需求最为急迫，基于轨交行车安全第一的原则，传统的列控和列调业务建议仍旧采用LTE-M技术承载，其他业务可以先行采用两种模式同时承载的方式进行试验和过渡，待5G在轨交环境下的部署方案成熟稳定后再全部由5G承载。
　　关于轨交行业的5G网络架构，近期宜考虑与运营商合作的模式，共用无线接入网，达到减少投资和维护工作量的目的。为了更好地管控轨交业务，有条件的业主可以自建5G核心网，或者设置本地边缘计算设备，实现行业业务的本地分流，还可减小传输时延。
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　　作者简介
　　毛磊（orcid.org/0000-0001-5428-1125）：硕士毕业于电信科学技术研究院，现任职于北京中兴高达通信技术有限公司（中兴通讯子公司），十余年移动通信标准研究经历，目前主要从事5G行业无线方案研究工作，获2017年度中国通信标准化协会科学技术进步奖一等奖，已获授权中国发明专利80项、PCT专利30项。
　　翟浩杰：硕士毕业于南京理工大学，现任职于北京中兴高达通信技术有限公司（中兴通讯子公司），长期从事移动通信产品开发和行业应用工作，目前致力于新一代无线宽带技术在轨道交通行业的应用研究和推广。
　　尹尚国：硕士毕业于哈尔滨工业大学，现任职于北京中兴高达通信技术有限公司（中兴通讯子公司），长期从事移动通信系统外场测试和应用示范研究工作，目前致力于新一代无线宽带技术在轨道交通行业的应用研究和推广。
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