5G技術在城市軌道交通中的應用

蘇 亮，張瑋君

（1.中國移動通信集團廣西有限公司，廣西 南寧 530023；2.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 需求分析

車地無線通信系統主要針對列車的控制系統、運行狀態、集群調度、視頻監控、列車運維等多個方面進行信息數據傳輸[1]，從而實現與列車信號、列車調度、列車維修等多個主體之間安全、穩定、可靠的信息數據傳輸，最終達到地鐵站內各個列車穩定運行的目標（如表1所示）。通常情況下，該系統會依靠多項信息技術手段來實現不同的業務需求，如采用TETRA技術實現列車集群調度，采用CBTC技術完成交通通信信號業務，采用IPSAN技術實現視頻監控等業務。當前隨著城市軌道交通的不斷發展，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展，此前業務需求已無法滿足當前的車地無線通信需求。另外，隨著我國鐵路運營里程數的逐年增長，對列車的安全狀態監測、故障預警分析以及故障診斷功能等多個方面的重要性也隨之增加。因此，保障地鐵列車能夠安全運行就需要實現低時延、低丟包率、可靠性高、安全性強以及移動性強等特征的車的數據無線傳輸[2]。

表1 車地無線通信系統業務需求

2 應用原則及內容

2.1 應用原則

（1）按照智能化城市軌道規劃建設目標開展。

（2）確保項目方案合理、經濟、安全，便于后期項目順利運行。

（3）整個車地無線通信系統應滿足各個運營單位的要求，便于后期的運行、維修與管理。

（4）采用5G技術、5G工藝以及先進材料設備，充分展現出先進的地鐵規劃理念。

2.2 應用內容

基于5G技術的城市軌道交通信息傳輸系統的硬件設計包括：區域控制器、車載控制系統、數據控制器、數據通信系統等。軟件設計包括無線通信程序設計以及通信信號程序設計。

3 系統架構

車地無線通信系統利用各種先進的技術，對地鐵不同業務需求中海量信息數據進行處理和分析[3]。本系統根據應用場景及地鐵業務需求主要分為三大方面：列車安全、生產管理以及運維管理等。采用車地無線通信系統，可以從根本上降低列車運行安全隱患，有效降低人力勞動成本，以此實現城市軌道交通信息化系統的高效率。該系統組網框架結構主要包括應用層、網絡層、接入層、終端層等，如圖1所示。

圖1 5G車地無線通信組網架構圖

（1）應用層：隨著NFV和SDN網絡技術的不斷發展，5G網絡背景下的應用層組網實現了自主可控、安全可靠、功能完備，能夠在系統的運營中心建立起專門的組網數據模式，通過統一化完成業務數據接入服務，從而提供多元化的數據服務，并以此實現應用層與網絡層之間的安全防火墻部署，最終達到網絡安全防范的作用。

（2）網絡層：該層是本系統的核心業務層，其主要功能包括信息傳輸以及網絡各個節點信息的高速互通，此外，還包括海量信息數據的收集、集成、轉換等。由于網絡層內部部署了云平臺，因此能夠進行人機交互的信息化服務，從而能夠提供視頻監控服務、設備管理服務、數據傳輸服務等。此外，利用5G技術，當主系統出現故障時，另一備用系統就可以完成對應的業務數據傳輸，減少因為系統出現問題導致的地鐵業務停滯的情況出現，從而達到提升地鐵業務數據處理以及傳輸能力的目標，也能夠提升車地無線網絡傳輸的安全性以及可靠性。

（3）接入層：這一層的主要工作是儲存、分析以及處理網絡層采集到的數據和信息，接入層是以5G基站以及傳輸網絡為基礎的，通過CRAN集中部署的方式，將基站拆解成為CU和DU兩個單元。這種模式之下，能夠對成本實現有效的管理，也能夠最大限度的減少機房資源的消耗。從功能上來看，這一層的主要作用，是應用智能化5G基站平臺接收和管理海量的信息與數據，然后通過基站中的有源天線，將5G基站信號變成模擬信號，再進行下一個環節的傳輸。

4 關鍵技術及測試

4.1 EVPN技術

基于5G技術的城市軌道交通綜合信息網絡領域在設置IP地址時會使用到EVPN技術，該技術在信息網絡數據傳輸過程中具有很強的穩定性，安全性也很強。EVPN技術是一種基于二層網絡互連的VPN技術[4]，與傳統網絡系統相比，EVPN技術可以修改兩個節點之間的原始連接，而不像傳統網絡系統只能依靠物理元素進行連接。這一技術能夠在任何的兩個節點之間存在原始連接的基礎上，修改連接的約束條件，同時，在網絡上，建立一個私人的網絡信息平臺。一旦這種專用網絡形成，就可以通過使用邏輯隧道的方式，滿足數據傳輸點對點傳輸的需求，也可以整合更多復雜且多養的信息加密和認證技術，以此確保概念股供網絡信息及數據的安全。由于其功能上的優勢，EVPN技術也減少了外部影響網絡系統的風險，使網絡始終保持良好的工作狀態，這使得城市軌道交通能夠為乘客提供更好的網絡服務，提高網絡應用的效率。

4.2 網絡切片技術

利用5G技術的UP和CP網絡二者能夠實現獨立運行，而兩個網元之間的模塊化結構可以實現靈活部署。其中的5G技術優化了本地路由，并將UPF網元在數據網絡位置進行下沉，從而有效減少網絡節點的數量，最終確保低延遲和高效率的傳輸。此外，5G技術還能夠優化空口幀結構，進一步減少列車調度的成本，有效減少空口傳輸延遲，進而實現網絡切片技術優化的空口優化。

4.3 MPLS技術

MPLS是新一代的IP高速骨干網絡交換標準，它主要是利用標記進行數據轉發的。當分組進入到網絡以后，就要為其分配固定長度的短標記，并將這些標記和分組封裝在一起，而轉發的過程，交換節點只會根據標記進行轉發。MPLS的設計就是為了解決網路問題，也能夠為下一代IP中樞網絡解決寬帶管理和服務請求等問題。MPLS最初就是為了提高轉發速度提出的，與傳統的IP路由方式相比，這一技術在數據轉發時，只會在網絡邊緣分析IP報文頭，而不需要再每一跳進行分析，最終達到節約處理時間的目標。

4.4 網絡測試

（1）測試方案。首先，在后臺的控制中心接入1臺筆記本電腦用于本次測試，使列車段通過光纖鏈路與軌道旁的無線基站相連接；其次，通過空口將信息數據傳輸至車載接收單元；最后，車載接收單元和計算機系統連接在一起以后，再利用MEO網絡性能測試軟件，對無線通信的實際情況進行測試，并對網絡狀況進行測試監督。測試內容包括：①業務吞吐率；②網絡上傳、下載數據的丟包率、數據傳輸時延等指標。

（2）測試步驟。分別對軌道兩旁基站的5G系統終端進行測試，收集其上、下行吞吐量，以此判斷這一系統是否具備足夠的業務承載能力。首先，需要設置參數，調整帶寬為80 Mbps，并使得雙終端的隙配比為3∶1。每一次測試都需要保存相應的測試日志以及數據截圖，與此同時，還需要詳細記錄相應的數據峰值以及真實的吞吐量。其次，需要通過網絡信息數據的傳輸延時分析以及丟包率數據的分析，確認軌道交通在5G系統背景之下，能否滿足當前業務系統的需求，也能夠判斷網絡信息數據傳輸延時和丟包率的需求能否滿足。

（3）測試結果。在測試過程中，列車以正常的運行速度沿軌道路線移動，使用MEO軟件模擬網絡信息數據的傳輸延時。其中的數據包長度設置為1400字節，傳輸間隔為100 ms。同時還需要對丟包率進行測試，并實時記錄二者的測試結果。最終結果顯示，該系統的最小延遲為1 ms，最大延遲為3 ms。由于列車在測試期間運行正常，在生成的信息數據中沒有檢測到丟包現象發生，因此該系統丟包率被評估為零，符合測試結果的最佳范圍。

5 應用場景

5.1 生產管理

城市軌道交通車的無線通信系統中的生產管理業務需求極廣，包括PIS、IMS在內，其主要目的是能夠提供大規模帶寬的無線信息數據傳輸通道。其中，TSP系統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以及緊急公告信息；TSP系統主受限于列車與地面之間的信息數據路徑，盡管二者之間均能夠傳輸信息數據和緊急情況公告，但是卻無法實現新聞在線直播、高清視頻廣告以及其他視頻播放等。

5.2 運維管理

第一，網絡數據管理。該系統能夠實現地鐵站內列車運行數據的全過程管理，防止出現數據丟失、泄漏等安全隱患的發生。第二，提前預警。利用5G技術，可以對設備可能存在的故障進行排除，提前排除風險，提前預警，并做出相應的運維策略。

6 結束語

綜上所述，隨著5G技術的日益發展，將該技術應用于城市軌道交通建設中成為實現城市軌道交通行業高質量發展的重要途徑。近年來，隨著智能化城軌概念的不斷普及，構建5G城市軌道交通智能化系統，推進信息化建設水平的深度發展已成必然之舉。構建5G技術背景下城軌車地無線通信系統，能夠有效實現對地鐵站內的列車運行數據的智能化管理，滿足未來地鐵應用場景的低時延、高可靠、高安全性的目標，推動該領域的革新與發展。■