城市軌道交通5G公專網(wǎng)融合組網(wǎng)方案研究

楊 琪，馮敬然，周 敏，葛偉濤，李珉璇

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能列車運(yùn)行自動(dòng)化、智慧乘客服務(wù)便捷化、智能運(yùn)維安全感知化、智能網(wǎng)絡(luò)管理高效化等軌道交通智慧化目標(biāo)，成為當(dāng)前城軌創(chuàng)新、發(fā)展的目標(biāo)。以“萬物互聯(lián)”為主要特征的第五代移動(dòng)通信（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技術(shù)，具有帶寬更大、時(shí)延更低、多接入、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可為城市軌道交通智慧化提供更好的平臺(tái)。

1 城市軌道交通無線通信系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)需求分析

城軌生產(chǎn)類無線承載業(yè)務(wù)主要包括車-地間數(shù)據(jù)傳輸，安全性要求較高。其余運(yùn)營(yíng)維護(hù)類業(yè)務(wù)及旅客服務(wù)類業(yè)務(wù)安全性要求較低。

1.1 生產(chǎn)類車地窄帶業(yè)務(wù)

列車自動(dòng)控制業(yè)務(wù)主要依據(jù)行車計(jì)劃組織行車、依照特定閉塞方式指揮列車正點(diǎn)安全運(yùn)輸。傳輸速率上/下行不小于512 kbit/s。

列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷列車的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行綜合分析和預(yù)警，提供網(wǎng)絡(luò)化維保和應(yīng)急處置支持。最大傳輸速率104 kbit/s。

無線列車調(diào)度通信業(yè)務(wù)主要功能是為行車調(diào)度、防災(zāi)、維修等移動(dòng)用戶之間提供安全、迅速的語音通信手段。每路語音傳輸速率約32 kbit/s。

列車緊急文本業(yè)務(wù)主要功能是將地面乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System，PIS)服務(wù)器緊急文本信息傳送至車載PIS 終端。最大傳輸速率10 kbit/s。

以上業(yè)務(wù)要求非常高的可靠性。

1.2 生產(chǎn)類車地寬帶業(yè)務(wù)

視 頻 監(jiān) 控（Closed-Circuit Television，CCTV）業(yè)務(wù)主要功能是將列車內(nèi)（駕駛室、車廂等）的視頻監(jiān)控圖像傳輸?shù)降孛婵刂浦行模M(jìn)行集中監(jiān)控。

乘客信息業(yè)務(wù)主要功能是將地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的視頻或圖像信息傳輸?shù)杰噹麅?nèi)車載顯示終端播放。

車載廣播業(yè)務(wù)是對(duì)車內(nèi)乘客播放列車運(yùn)行信息、在緊急情況下對(duì)車內(nèi)乘客進(jìn)行疏導(dǎo)。

以上視頻寬帶業(yè)務(wù)要求每路標(biāo)清視頻傳輸速率不低于1 Mbit/s，每路高清視頻傳輸速率不小于4 Mbit/s。

1.3 運(yùn)營(yíng)維護(hù)類寬帶通信業(yè)務(wù)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，未來城軌可以基于大帶寬的無線承載網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，開發(fā)許多智慧化、智能化的運(yùn)營(yíng)維護(hù)應(yīng)用。

設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)業(yè)務(wù)的主要功能是對(duì)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施無線遠(yuǎn)程網(wǎng)管及控制。

視頻監(jiān)控的主要功能是將車站的應(yīng)急通信視頻攝像頭、軌旁視頻攝像頭等，在必要時(shí)通過5G 通道連接至監(jiān)控中心。

現(xiàn)場(chǎng)情況采集業(yè)務(wù)的主要功能是就地采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)情況并實(shí)時(shí)傳送至控制中心，迅速應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件。

遠(yuǎn)程運(yùn)維指導(dǎo)業(yè)務(wù)的主要功能是通過AR 智能眼鏡，結(jié)合視頻會(huì)議模式，使現(xiàn)場(chǎng)人員與遠(yuǎn)端專家團(tuán)隊(duì)溝通交互。

1.4 旅客服務(wù)類寬帶通信業(yè)務(wù)

基于5G 平臺(tái)，可以開發(fā)大量旅客服務(wù)類寬帶通信業(yè)務(wù)，提升旅客出行體驗(yàn)。

乘客服務(wù)：可以通過5G 網(wǎng)絡(luò)為乘客提供路線查詢、乘客購(gòu)票、車行或出站資訊，以及車站擠塞、商業(yè)及旅游信息等出行輔助服務(wù)。

5G 智能巡邏機(jī)器人：可現(xiàn)對(duì)乘客查詢的應(yīng)答、對(duì)站臺(tái)站廳公共區(qū)域的巡邏值守等業(yè)務(wù)。

2 城市軌道交通5G公專網(wǎng)融合組網(wǎng)方案分析

工業(yè)和信息化部在2021 年出臺(tái)的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)無線電頻率使用指南》中并未給軌道交通分配獨(dú)立的頻段，而是鼓勵(lì)各行業(yè)優(yōu)先使用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)承載工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。因此，依托公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和頻率資源搭建公專融合的5G 城軌專網(wǎng)是短期內(nèi)城軌的主流選擇。但由于列控業(yè)務(wù)具有非常高的安全性需求，其車地?zé)o線承載網(wǎng)絡(luò)需要冗余備份以保證高度安全性，故LTE-M 系統(tǒng)在短期內(nèi)仍是城軌首選的承載列控及行車調(diào)度的專用移動(dòng)通信系統(tǒng)。5G 公專網(wǎng)可承載PIS、CCTV 等安全性稍低的寬帶車地業(yè)務(wù)，與LTE-M 系統(tǒng)互為補(bǔ)充。

3 城軌完全利用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)

3.1 采用軟切片技術(shù)

運(yùn)營(yíng)商5G 無線網(wǎng)采用服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）優(yōu)先級(jí)保障邏輯軟切片功能：即通過5G 服務(wù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)（5G QoS Identifier，5QI）或切片標(biāo)識(shí)＋5QI 為城軌業(yè)務(wù)提供優(yōu)于其他公網(wǎng)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，確保城軌業(yè)務(wù)的高服務(wù)等級(jí)。5G 承載網(wǎng)采用基于虛擬專網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）＋QoS 的軟切片技術(shù)，即業(yè)務(wù)在使用VPN 承載時(shí)，不同業(yè)務(wù)打上不同的QoS 優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)的標(biāo)識(shí)匹配相應(yīng)的QoS 策略，保證城軌業(yè)務(wù)帶寬及服務(wù)質(zhì)量。城軌5G 虛擬專網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 軟切片方案Fig.1 Soft slicing scheme

本方案中，城軌所有數(shù)據(jù)流都必須連接至運(yùn)營(yíng)商UPF 再返回城軌云平臺(tái)與各業(yè)務(wù)服務(wù)器進(jìn)行通信，因此網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)延（Round-Trip Time，RTT）較大。但此方案城軌不需要新設(shè)任何5G 設(shè)備，運(yùn)營(yíng)商也不需要對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行5G 覆蓋，故雙方投入成本都最低。

軟切片方案中，公網(wǎng)其他高優(yōu)先級(jí)用戶會(huì)對(duì)城軌業(yè)務(wù)有一定影響，故不建議采用該方案承載城軌生產(chǎn)類業(yè)務(wù)。

3.2 采用硬切片技術(shù)

為承載城軌寬帶車地生產(chǎn)類業(yè)務(wù)，運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)除覆蓋城軌車站內(nèi)，還需要在隧道內(nèi)布設(shè)5G 漏泄同軸電纜及基站，在高架區(qū)間沿線及車輛段內(nèi)的公網(wǎng)5G 弱場(chǎng)區(qū)補(bǔ)設(shè)5G 基站及天線，保證城軌列車5G 信號(hào)覆蓋良好，同時(shí)切換區(qū)符合城軌列車高速運(yùn)行下的切換時(shí)長(zhǎng)要求。由于車地寬帶生產(chǎn)類業(yè)務(wù)所需帶寬較大，故本方案可將MEC 下沉到本地，即與5G 基帶處理單元 （Building Base Band Unit，BBU）同址設(shè)置MEC 服務(wù)器，直接與城軌云平臺(tái)相連接，以減少業(yè)務(wù)時(shí)延，同時(shí)也可避免大量業(yè)務(wù)對(duì)5G 回傳網(wǎng)通道的占用。

為保證城軌寬帶車地生產(chǎn)類業(yè)務(wù)的安全，運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)需采用邏輯硬切片技術(shù)。

無線采用資源塊（Resource Block，RB）預(yù)留切片，即將一個(gè)小區(qū)的RB 資源分配給多個(gè)切片使用，并為每個(gè)切片或每個(gè)切片組分配不同的物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）資源份額，基站調(diào)度器根據(jù)份額進(jìn)行資源調(diào)度。該方案保證一個(gè)切片（組）的資源緊缺不會(huì)影響另外一個(gè)切片（組）的業(yè)務(wù)質(zhì)量，從而達(dá)到比軟切片更穩(wěn)定的資源隔離度。采用硬切片方案的城軌虛擬專網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬切片方案Fig.2 Hard slicing scheme

5G 承載網(wǎng)使用以太物理端口做切片，并配置獨(dú)立的傳輸資源，每個(gè)切片使用不同的物理端口實(shí)現(xiàn)隔離。也可將靈活以太網(wǎng)（Fliexble Ethernet，F(xiàn)lex-E）物理端口劃分為不同的時(shí)隙，根據(jù)需求將N個(gè)時(shí)隙劃分到1 個(gè)子通道中切分為不同帶寬的Flex-E 子接口，形成Flex-E 子通道。每個(gè)子通道是1 個(gè)切片，承載不同的業(yè)務(wù)，切片之間用Flex-E子通道硬隔離。

硬切片方案的安全性高于軟切片方案，但固定占用公網(wǎng)資源，網(wǎng)絡(luò)租用成本也較高。

課前通知學(xué)生在“雨課堂”課程平臺(tái)提前觀看本課程的投訴處理技巧微課視頻、預(yù)習(xí)投訴處理技巧PPT等相關(guān)學(xué)習(xí)資源，并完成問卷星上面的職業(yè)能力測(cè)試和以小組為單位進(jìn)行案例情景模擬視頻的拍攝兩項(xiàng)課前任務(wù)。意圖是通過課前觀看微課視頻、職業(yè)能力測(cè)試和完成情景模擬劇的拍攝，迫使學(xué)生帶著任務(wù)去預(yù)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于課程內(nèi)容的興趣及參與度。

城軌完全利用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，用戶數(shù)據(jù)寫入運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)都須至運(yùn)營(yíng)商邊緣云轉(zhuǎn)回，存在數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。網(wǎng)絡(luò)管控及設(shè)備維護(hù)均在運(yùn)營(yíng)商側(cè)，城軌業(yè)務(wù)安全性取決于運(yùn)營(yíng)商故障響應(yīng)時(shí)間。

4 城軌5G網(wǎng)絡(luò)與公網(wǎng)混合組網(wǎng)

要保證城軌用戶信息及運(yùn)營(yíng)信息的安全，城軌可考慮自建核心網(wǎng)，利用運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)5G 無線設(shè)備混合組網(wǎng)。

4.1 使用運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)，自建UPF及MEC網(wǎng)元

城軌共享運(yùn)營(yíng)商的無線網(wǎng)和核心網(wǎng)，同時(shí)在本地布署城軌專用核心網(wǎng)用戶面設(shè)備。UPF 下沉至本地，信令等控制面業(yè)務(wù)（Control Plane Function，CPF）由運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)完成。在運(yùn)營(yíng)商5G 無線網(wǎng)BBU 處部署邊緣計(jì)算結(jié)點(diǎn)MEC 服務(wù)器，使城軌用戶面業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)本地化布署，降低任務(wù)時(shí)延、減少公網(wǎng)回傳帶寬需求。

該方案城軌用戶信息仍需存儲(chǔ)在運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)，存在一定數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。

城軌自建UPF 節(jié)點(diǎn)與MCE，與運(yùn)營(yíng)商混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 城軌自建UPF節(jié)點(diǎn)與MCE，與運(yùn)營(yíng)商混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the structure of a hybrid network combining operators’ networks and self-built UPF nodes and MCE of urban rail transit

4.2 城軌自建專用小型化5G核心網(wǎng)，共享運(yùn)營(yíng)商無線網(wǎng)

獨(dú)立建設(shè)的城軌核心網(wǎng)保證地鐵用戶數(shù)據(jù)保存在本地，私密性好。同時(shí)，本地核心網(wǎng)與云平臺(tái)互連，城軌業(yè)務(wù)的任務(wù)時(shí)延小，同時(shí)又能減少公網(wǎng)回傳帶寬需求及對(duì)公網(wǎng)5G 核心網(wǎng)資源的占用。無線網(wǎng)和承載網(wǎng)的硬切片技術(shù)保障了城軌應(yīng)用的安全性。本方案的缺點(diǎn)是5G 基站設(shè)備需由運(yùn)營(yíng)商維護(hù)，因此故障響應(yīng)時(shí)間不可控。

城軌自建專用核心網(wǎng)與公網(wǎng)混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 城軌自建專用核心網(wǎng)與公網(wǎng)混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the structure of a hybrid network combining the public network and a self-built private core network of urban rail transit

5 城軌自建5G獨(dú)立專網(wǎng)

若城軌用戶需要用5G 承載列控、列調(diào)等高安全性的業(yè)務(wù)，則需自建完全獨(dú)立的5G 專用網(wǎng)絡(luò)，包括完整的5G 核心網(wǎng)、承載網(wǎng)及無線網(wǎng)等。必要時(shí)需建設(shè)完整的A、B 兩層5G 網(wǎng)絡(luò)并互為熱備，以保證列控信息的安全性、可靠性。自建網(wǎng)絡(luò)由城軌獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，故障響應(yīng)時(shí)間有保障；地鐵用戶數(shù)據(jù)保存在本地，私密性好，安全性高；本地核心網(wǎng)與云平臺(tái)互連，任務(wù)時(shí)延小。

運(yùn)營(yíng)商可劃分獨(dú)立頻段給城軌，或城軌使用非授權(quán)頻段（如5.8 GHz、60 GHz 毫米波）。

該方案缺點(diǎn)是初期建網(wǎng)投資高，維護(hù)費(fèi)用高，且5.8 GHz 以上頻點(diǎn)不受保護(hù)，易受干擾；頻段過高無法使用漏纜，隧道內(nèi)覆蓋困難。

城軌自建獨(dú)立專網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 城軌自建獨(dú)立專網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of the structure of a self-built independent private network of urban rail transit

6 組網(wǎng)方式比較

城市軌道交通5G 公專網(wǎng)各融合組網(wǎng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較，如表1 所示。

表1 城軌5G組網(wǎng)方案比較Tab.1 Comparison of 5G networking schemes for urban rail transit

由于5G 的網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)能夠提供靈活多樣的組網(wǎng)方案、MEC 技術(shù)也能保證城軌應(yīng)用的安全與高效，故城軌5G 公專融合的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其組網(wǎng)方案可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求，綜合評(píng)估安全性與建網(wǎng)投資、維護(hù)費(fèi)用等，靈活選擇。

7 目前城軌5G應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)各城市軌道交通集團(tuán)都在積極研究5G 公專網(wǎng)在城軌中的應(yīng)用技術(shù)，相繼發(fā)布了5G應(yīng)用白皮書。各公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商也都積極推進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)在地鐵中的覆蓋：如成都地鐵10 號(hào)線在太平園站布署了公網(wǎng)5G 室內(nèi)分布系統(tǒng)；大連地鐵1 號(hào)線大連北站為乘客提供基于公網(wǎng)5G 通道的無線局域網(wǎng)（Wireless Fidelity，Wi-Fi）信號(hào)，鄭州地鐵5 號(hào)線及京港地鐵16 號(hào)線北段也已全線實(shí)現(xiàn)5G 公網(wǎng)覆蓋。以上案例都為5G 公專網(wǎng)在城軌的應(yīng)用創(chuàng)造良好的條件。

在此基礎(chǔ)上，杭州地鐵在錢江路站展示5G 智能貨柜、5G+AR 地鐵全息教學(xué)、5G 巡檢機(jī)器人等多項(xiàng)應(yīng)用；深圳地鐵11 號(hào)線實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首例公網(wǎng)5G 承載CCTV 系統(tǒng)應(yīng)用，列車上共40 個(gè)高清攝像頭的監(jiān)控視頻、設(shè)備監(jiān)測(cè)等高達(dá)25 G 的車載數(shù)據(jù)，在150 s 內(nèi)通過設(shè)置在列車上和車站站臺(tái)的5G 傳輸設(shè)備完成自動(dòng)傳輸。

8 總結(jié)

當(dāng)前，國(guó)家5G 頻率全部授權(quán)給公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，中國(guó)移動(dòng)擁有兩段共260 MHz 頻段，中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通及廣電各擁有100 MHz 頻段，資源豐富。同時(shí)，5G 網(wǎng)絡(luò)擁有靈活高效的切片技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)等，能夠保證運(yùn)營(yíng)商為城市軌道交通提供安全高效的定制化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；因此，城軌可根據(jù)自身需求，結(jié)合公網(wǎng)資源及5G 先進(jìn)技術(shù)量身訂制，搭建高帶寬、高安全性、高傳輸質(zhì)量的公專融合的5G混合專網(wǎng)。

本文對(duì)城軌5G 公專網(wǎng)融合的各種可行方案進(jìn)行分析比選，為未來城軌5G 公專網(wǎng)融合建設(shè)規(guī)劃提供參考，為建設(shè)智慧城軌提供技術(shù)支撐，助力城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展。