基于5G技術(shù)的城市軌道交通車地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲方案研究

陳 琦

(鄭州地鐵集團有限公司，450047，鄭州∥高級工程師)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于TD-LTE(分時長期演進(jìn))技術(shù)的綜合承載無線通信網(wǎng)絡(luò)(4G(第4代移動通信技術(shù)))在地鐵通信系統(tǒng)中的運用日臻成熟。LTE(長期演進(jìn))系統(tǒng)具有高帶寬、高移動性、長區(qū)間覆蓋和高擴展性等特點，解決了既有無線系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定和移動性差等問題，滿足了地鐵車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高帶寬和無縫漫游的需求。因現(xiàn)有LTE綜合承載無線覆蓋及帶寬無法滿足日志遠(yuǎn)程下載的技術(shù)要求，維護人員在日志讀取時仍需沿用傳統(tǒng)的使用U盤人工現(xiàn)場復(fù)制的方式，車地數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲瓶頸日益凸顯。

目前，信號、通信和車輛等各子系統(tǒng)日志智能化分析系統(tǒng)已日漸成型，亟需打通車地信息轉(zhuǎn)儲的最后一公里。因此鄭州地鐵聯(lián)合華為、卡斯柯信號系統(tǒng)等設(shè)備廠商利用5G(第5代移動通信技術(shù))開展了車地各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲研究。經(jīng)過試驗，實現(xiàn)100 m范圍內(nèi)的傳輸速率可高達(dá)1.7 Gbit/s，有效解決了日志下載存在的耗時久、設(shè)備存在安全風(fēng)險和耗費人力的問題。

1 5G傳輸業(yè)務(wù)需求分析

1)列車視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存：鐵總建設(shè)[2016]18號《中國鐵路總公司關(guān)于發(fā)布設(shè)計時速200 km及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置有關(guān)補充標(biāo)準(zhǔn)的通知》要求采用高清化監(jiān)控，《中華人民共和國反恐怖主義法》規(guī)定車載視頻錄像存儲需由30天增加到90天，而目前列車實際存儲不能達(dá)到以上要求。目前每列列車的車載攝像機有42個，每路的傳輸速率為2 Mbit/s，需硬盤的存儲容量為11×6 T。在列車的震動環(huán)境下，機械硬盤容易損壞，且人工拷取耗時耗力。采用5G無線通信技術(shù)可將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到地面，讀取便捷；存儲設(shè)備大部分設(shè)置在機房內(nèi)，減少了車載存儲設(shè)備的數(shù)量；機房環(huán)境比車載環(huán)境穩(wěn)定，因此機械硬盤使用壽命更長，不易損壞。

2)車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存：每天每列列車的監(jiān)測數(shù)據(jù)量大約為2.3 GB，含受電弓網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和車輛相關(guān)記錄數(shù)據(jù)。信號系統(tǒng)車載設(shè)備每天每列列車的運行數(shù)據(jù)大約為500 MB。目前均無技術(shù)手段實現(xiàn)無線傳輸，需人工上車復(fù)制。

3)智能維修移動終端APP數(shù)據(jù)傳輸：每臺移動終端的傳輸速率需求為1 Mbit/s。

2 基于5G 的AirFlash車地通信方案

2.1 基于5G的 AirFlash車地通信總體方案

AirFlash車地通信方案是華為成熟的軌道交通5G通信解決方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。車載數(shù)據(jù)及車載攝像機數(shù)據(jù)緩存在車載存儲設(shè)備，再經(jīng)過5G車載終端(TAU)以60 GHz的微波信號通道高速傳輸?shù)降孛鏌o線基站；地面無線基站通過高速交換機接入各專業(yè)的傳輸通道；CCTV(視頻監(jiān)控)系統(tǒng)還需在軌旁部署大容量存儲設(shè)備以實現(xiàn)車載視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存和傳輸。

圖1 5G AirFlash車地通信方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該方案的5G技術(shù)使用59 G～64 GHz企業(yè)免授權(quán)無線電頻段，可實現(xiàn)100 m范圍內(nèi)1.7 Gbit/s的傳輸速率。5G為高頻段，電磁波頻率越高，波長越短，衰減也越快，更容易被障礙物屏蔽。在傳輸距離大于100 m(300 m以上較明顯)或者接收角度過偏的情形下，與WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)(傳輸速率100 Mbit/s)相比，無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的傳輸速率并不高。但在傳輸距離較短的情形下，傳輸速率差別很大。

2.2 地面基站部署方案

地面基站部署有運用庫內(nèi)部署和正線部署兩種方案。

1)運用庫內(nèi)基站部署方案：車輛段停車場運用庫內(nèi)布署基站的方案為：在A道和B道采用魚骨覆蓋法，每3個股道建設(shè)1個基站，每個基站能覆蓋3個股道，覆蓋距離為100～200 m。該基站部署方案優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，缺點是設(shè)備量和所需費用較高。該方案適用于正線無基站建設(shè)條件的線路，用于列車結(jié)束運營回庫后的數(shù)據(jù)回傳。

2)正線基站部署方案：車站站臺端門外部署基站的方案為：在站臺上下行區(qū)域的端門外各部署1個基站(僅在運營正方向部署)，實現(xiàn)列車進(jìn)出站過程中5G數(shù)據(jù)傳輸。選取折返站及其前后幾個車站部署基站。5G傳輸速率高，列車經(jīng)過1～3個有基站的車站即可完成數(shù)據(jù)傳輸。該基站部署方案的優(yōu)點是實現(xiàn)了正線運營列車的數(shù)據(jù)回傳，設(shè)備所需費用少；缺點為傳輸設(shè)備均需具備斷點續(xù)傳、丟包補傳等功能，確保數(shù)據(jù)不丟失，且需獲得正線部署基站的安全授權(quán)。

3 5G在信號系統(tǒng)的應(yīng)用研究

目前地鐵信號系統(tǒng)4G傳輸網(wǎng)絡(luò)采用的是TD-LTE技術(shù)，帶寬為5 M～20 Mbit/s，承載CBTC(基于通信的列車控制)、列車狀態(tài)監(jiān)測、車載PIS(乘客信息系統(tǒng))、車載CCTV、列車狀態(tài)監(jiān)測、緊急文本和乘客緊急呼叫等業(yè)務(wù)。在運營時段，為保證運營質(zhì)量不可用于下載數(shù)據(jù)。在非運營時段，列車回庫后，運用庫內(nèi)停放的20～50列列車各業(yè)務(wù)之間因爭搶資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)下載速率衰減很快；加上信號系統(tǒng)日志出口的安全限速，實際測試的車載數(shù)據(jù)下載速率僅為20 kB/s，不及人工下載的速率。因此有必要開展5G的應(yīng)用研究，以拓展車地?zé)o線通信帶寬。

3.1 基于5G的車載日志回傳系統(tǒng)架構(gòu)

基于華為的5G AirFlash車地通信方案搭建的車載日志回傳系統(tǒng)如圖2所示。車載日志經(jīng)車載網(wǎng)關(guān)連接至5G傳輸設(shè)備，地面基站連接地面高速交換機再接至信號系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)。具體接口設(shè)計為：因車載CC(車載控制器)使用Netbox做為車載網(wǎng)關(guān)對外發(fā)送軌旁的通信數(shù)據(jù)包，因此在Netbox上設(shè)置路由，將CC的日志數(shù)據(jù)從Netbox傳送至車載高速交換機，再通過5G設(shè)備傳輸至地面。

圖2 基于5G的車載日志遠(yuǎn)程下載系統(tǒng)

3.2 測試用例及測試結(jié)果

1)AirFlash無線鏈路性能：主要測試上下行AirFlash無線鏈路的吞吐量及極限性能。經(jīng)測試，車地基站相距5 m時，AirFlash無線鏈路的上下行數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1.65 Gbit/s，時延為0.49 ms，丟包率和吞吐量都在理想范圍內(nèi)。

2)日志下載功能驗證：MSS應(yīng)用軟件通過AirFlash下載日志功能驗證日志下載功能及下載速度。經(jīng)測試，日志下載功能正常實現(xiàn)，文件下載無損壞，軟件長時間運行無問題。測試中的下載速率為807 kB/s，這是因為信號系統(tǒng)日志出口均進(jìn)行安全限速。設(shè)備限制僅能采用百兆網(wǎng)口(傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多為百兆網(wǎng)口，不支持千兆網(wǎng)口)，接入5G系統(tǒng)會造成百兆的傳輸瓶頸，所以測試系統(tǒng)實際下載速率在百兆內(nèi)，而5G無線鏈路傳輸效率最高為1.7 Gbit/s。后期將考慮通過增加轉(zhuǎn)儲設(shè)備的方式解決傳輸瓶頸問題。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險評估

1)對既有無線通信系統(tǒng)是否會造成干擾：5G網(wǎng)絡(luò)處于59 G～64 GHz的高頻頻段，既有LTE系統(tǒng)采用1.8 GHZ頻段，因處于不同頻段且頻段差距大，故對既有無線通信不會造成干擾。且使用60 GHz高頻段系統(tǒng)和設(shè)備少之又少。另外5G網(wǎng)絡(luò)沒有互聯(lián)網(wǎng)接口，是一個軌道交通系統(tǒng)專用的無線網(wǎng)絡(luò)，在其系統(tǒng)的入網(wǎng)認(rèn)證和鑒權(quán)機制完善、系統(tǒng)控制信令和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都采用通用標(biāo)準(zhǔn)加密算法的前提條件下，可認(rèn)為安全風(fēng)險可控。

2)能否提供信號安全隔離措施：在安全性方面，信號系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接口做VLAN(虛擬局域網(wǎng))隔離和端口限制，另外在車載高速交換機上也做好VLAN隔離和訪問控制，限定其它的IP地址不能進(jìn)入信號車載日志網(wǎng)段。此外，在設(shè)備主機上做好防護，關(guān)閉不必要的服務(wù)和端口，從技術(shù)層做好網(wǎng)絡(luò)隔離，保證生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4 5G在CCTV系統(tǒng)的應(yīng)用研究

4.1 基于5G的CCTV車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的車載CCTV系統(tǒng)的視頻讀取不便，常需人工上車拷貝。基于上文5G的車載方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整搭建CCTV車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于5G的CCTV車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)

控制中心、軌旁和列車的設(shè)備布署如下：

1)控制中心設(shè)備布署：視頻管理平臺+視頻轉(zhuǎn)儲管理系統(tǒng)。車載CCTV視頻直接通過高速IP骨干環(huán)網(wǎng)(通過ERPS組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn))至控制中心高速緩存后，以符合GB/T 28181—2016《公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議低速備份至中心云視頻存儲集群(含視頻管理平臺)。

2)站、段(場)設(shè)備布署：高帶寬IP環(huán)網(wǎng)接入。配置萬兆交換機，一方面接入5G基站，一方面直接通過ERPS技術(shù)組40 GHz/100 GHz IP環(huán)網(wǎng)，可考慮鏈路聚合。

3)列車上設(shè)備布署：車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)。針對既有車載方案需要做如下調(diào)整，新增高性能NVR(網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機)存儲設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)支持2.5GE(千兆以太網(wǎng)口)接口，直接從車載NVR取得存儲視頻流并進(jìn)行存儲及高速回傳；雙端NVR熱備，每端回傳一半車載視頻；高性能NVR通過2.5 GE(PoE++)電接口直接與5G車載終端(TAU)相接。

4.2 基于5G的CCTV車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)功能需求分析

經(jīng)分析，該系統(tǒng)應(yīng)具備的軟件功能如下：

1)視頻備份功能：當(dāng)列車進(jìn)入5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時，自動進(jìn)行視頻回傳，直至除當(dāng)前被寫入的視頻文件外的全部視頻文件回傳完畢。

2)斷點續(xù)傳：視頻回傳尚未完成時，如果列車離開網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，系統(tǒng)應(yīng)記錄視頻傳輸中斷的位置，列車再次進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時，應(yīng)從上次中斷的位置開始繼續(xù)傳輸視頻直到傳輸完畢。傳輸完成百分比在客戶端上應(yīng)有顯示。

3)視頻備份管理：在列車兩端均配置NVR及無線車地通信設(shè)備的情況下，系統(tǒng)應(yīng)滿足兩臺車載NVR互相同步發(fā)送狀態(tài)和熱備冗余，支持每臺車載NVR工作狀態(tài)、回傳速率的實時顯示和告警。

4)無線鏈路管理：支持探測列車與地面無線鏈路建立連接，自動檢查待傳數(shù)據(jù)。

5)視頻檢索及回放：支持按車組號、車廂號、攝像頭編號、日期和時間檢索視頻。支持視頻回放，支持1×1、2×2、3×3和4×4視頻回放布局。

6)與既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)對接：與既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)對接，通過既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)看回傳到地面存儲的車載視頻。

7)系統(tǒng)監(jiān)視：自動檢測地面視頻管理系統(tǒng)故障，并給出告警。

4.3 基于5G的CCTV車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)測試

該測試主要對無線鏈路性能、回傳功能及上文所述軟件功能進(jìn)行測試，主要測試項如下：

1)無線網(wǎng)絡(luò)性能測試：所有設(shè)備按測試組網(wǎng)圖連接完成后，通過FTP從車載NVR向視頻管理服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，同時通過Ping工具測試網(wǎng)絡(luò)時延。驗證結(jié)果證明：基于5G技術(shù)的車地數(shù)據(jù)傳輸項目技術(shù)上可行，華為提供的AirFlash硬件設(shè)備與卡斯柯信號設(shè)備及軟件經(jīng)驗證可互通，華為的AirFlash無線鏈路性能能滿足信號系統(tǒng)日志上傳的業(yè)務(wù)需求，鏈路傳輸速率能達(dá)到1.56 Gbit/s，傳輸余量可為其他專業(yè)預(yù)留使用。

2)視頻回傳及斷點續(xù)傳測試：測試端到端視頻回傳功能，檢驗入網(wǎng)時間、傳輸速率是否達(dá)到要求；測試斷點續(xù)傳功能，檢查回傳后的視頻是否完整。分別傳輸3個大小為10 GB～20 GB的視頻文件，測試結(jié)果表明：視頻回傳功能正常，測試斷點續(xù)傳功能正常，千兆以太網(wǎng)口下平均傳輸速率達(dá)到971 Mbit/s左右；實驗結(jié)果符合預(yù)期。

5 結(jié)語

本文提出了城市軌道交通的車地數(shù)據(jù)5G傳輸業(yè)務(wù)需求，簡要說明了5G AirFlash車地通信建設(shè)方案，基于該方案提出了信號系統(tǒng)接入5G傳輸系統(tǒng)的車載日志回傳系統(tǒng)和CCTV車地轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)方案，完成了信號系統(tǒng)接入5G傳輸系統(tǒng)的測試，并對信號系統(tǒng)接入5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險進(jìn)行了評估。