城市軌道交通5G通信應(yīng)用綜述

張 艷

株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司軌道交通技術(shù)中心 湖南 株洲 412005

引言

城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制業(yè)務(wù)利用連續(xù)、大容量的車(chē)地雙向無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)列車(chē)控制信息的傳輸，由于1.8G專(zhuān)網(wǎng)頻段受限的原因，LTE-M網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬難以滿(mǎn)足無(wú)人駕駛應(yīng)用場(chǎng)景下的車(chē)地?zé)o線(xiàn)大帶寬傳輸需求。同時(shí)，在保障列車(chē)運(yùn)行控制、緊急文本下發(fā)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的高可靠、低時(shí)延傳輸，大帶寬傳輸，高速移動(dòng)性支持，減少越區(qū)切換，避免弱場(chǎng)強(qiáng)覆蓋等方面，5G通信網(wǎng)絡(luò)都有更優(yōu)越的性能。

1、城市軌道交通無(wú)線(xiàn)覆蓋特點(diǎn)

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線(xiàn)信號(hào)覆蓋范圍為沿軌道線(xiàn)路的線(xiàn)性覆蓋，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和接入。無(wú)線(xiàn)覆蓋的區(qū)域主要包括所有車(chē)站、正線(xiàn)、高架橋、折返線(xiàn)、車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)、試車(chē)線(xiàn)。

滿(mǎn)足現(xiàn)有城市軌道交通設(shè)計(jì)最高時(shí)速120km/h的運(yùn)行需求，確保列車(chē)在高速運(yùn)營(yíng)時(shí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、丟包率、傳輸時(shí)延滿(mǎn)足要求，保證各業(yè)務(wù)系統(tǒng)平穩(wěn)可靠地實(shí)現(xiàn)車(chē)地?zé)o線(xiàn)雙向通信。

列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，車(chē)載無(wú)線(xiàn)終端（TAU）跨越兩個(gè)無(wú)線(xiàn)小區(qū)進(jìn)行越區(qū)切換，不會(huì)造成業(yè)務(wù)中斷或者服務(wù)降級(jí)，無(wú)線(xiàn)切換時(shí)延需要小于100ms，保證越區(qū)切換過(guò)程中各業(yè)務(wù)系統(tǒng)平穩(wěn)可靠地實(shí)現(xiàn)車(chē)地雙向通信。

車(chē)地?zé)o線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)冗余，且兩個(gè)網(wǎng)分別采用不同頻率，實(shí)現(xiàn)雙頻冗余覆蓋。列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)為保障車(chē)地通信的連續(xù)性和冗余性，覆蓋規(guī)劃時(shí)考慮相鄰兩個(gè)無(wú)線(xiàn)基站的覆蓋區(qū)域彼此重疊，以確保覆蓋的快速切換和冗余覆蓋。

2、城市軌道交通業(yè)務(wù)需求分析

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)，我國(guó)城市軌道交通安全/非安全寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求可分成：列車(chē)運(yùn)行控制業(yè)務(wù)信息、列車(chē)緊急文本應(yīng)用、列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用、IMS視頻監(jiān)控應(yīng)用、地面旅客信息系統(tǒng)應(yīng)用、集群調(diào)度業(yè)務(wù)信息。

列車(chē)運(yùn)行控制業(yè)務(wù)：通過(guò)列車(chē)在交通線(xiàn)路上的實(shí)際運(yùn)行狀況和客觀因素，對(duì)列車(chē)車(chē)速及制動(dòng)方式等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制、監(jiān)督，并合理調(diào)整業(yè)務(wù)信息。車(chē)緊急文本：PIS服務(wù)器傳送給車(chē)載PIS終端的緊急文本信息。列車(chē)緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)為隨機(jī)性數(shù)據(jù)。列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)：列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它主要是將傳感器采集到的列車(chē)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到地面監(jiān)測(cè)中心，列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)為周期性數(shù)據(jù)。CCTV視頻監(jiān)控：通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞綄⒘熊?chē)駕駛室和車(chē)廂的視頻監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)回傳到控制中心或地面監(jiān)控站，以便集中監(jiān)控。PIS視頻業(yè)務(wù)：由地面將視頻或圖像信息通過(guò)廣播或者組播傳輸?shù)杰?chē)廂內(nèi)播放。主要包括需要保障連續(xù)、高帶寬、低時(shí)延需求的視頻便民信息，如緊急文本、行車(chē)信息、新聞廣播、換乘信息、在線(xiàn)廣告等。集群調(diào)度業(yè)務(wù)：線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)、應(yīng)急和維護(hù)等需要的各種語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)呼叫通信和管理業(yè)務(wù)。此業(yè)務(wù)屬于生產(chǎn)安全信息網(wǎng)業(yè)務(wù)。

3、城市軌道交通5G應(yīng)用分析

5G移動(dòng)通信的三種典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景包括：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信（mMTC）、超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）。

eMBB主要面向高速移動(dòng)通信、超高清視頻傳輸?shù)葘?duì)承載網(wǎng)存在超大帶寬需求的大帶寬移動(dòng)寬帶應(yīng)用。單用戶(hù)的接入帶寬達(dá)到當(dāng)前固網(wǎng)寬帶相同的量級(jí)，相比4G網(wǎng)絡(luò)吞吐量增長(zhǎng)達(dá)到數(shù)十倍，可滿(mǎn)足城市軌道交通提供一網(wǎng)承載的多業(yè)務(wù)綜合承載車(chē)地?zé)o線(xiàn)傳輸需求。

mMTC主要面向以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，5G承載網(wǎng)具有高精度同步、多連接通道、低功耗低成本、簡(jiǎn)易部署等特征，可構(gòu)建軌道交通5G信息化物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載、軌旁、路基等應(yīng)用環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集，協(xié)助完成軌道交通各種設(shè)備設(shè)施的運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

uRLLC主要面向軌道交通、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)，承載網(wǎng)絡(luò)具備超低時(shí)延和高可靠等能力。5G采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在終端側(cè)位置部署邊緣MEC，并結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的安全隔離的同時(shí)為終端提供專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用資源。

4、5G通信對(duì)軌交通信信號(hào)系統(tǒng)的影響

城市軌道交通場(chǎng)景具有高移動(dòng)性、高吞吐量、高穿透損耗、用戶(hù)集中、頻繁切換等特點(diǎn)。而現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)軌道交通場(chǎng)景的各種特點(diǎn)，這就促使5G系統(tǒng)需要提供先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，為軌道交通場(chǎng)景中用戶(hù)提供連續(xù)、安全、可靠、高速的寬帶移動(dòng)通信服務(wù)。

1）城市軌道交通綜合承載解決方案，由于專(zhuān)用頻段受限的原因，尤其是無(wú)人駕駛（FAO）應(yīng)用場(chǎng)景下難以滿(mǎn)足車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信大帶寬傳輸需求。在滿(mǎn)足城市軌道交通列車(chē)控制業(yè)務(wù)、視頻傳輸需求的同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)還可為智能運(yùn)維系統(tǒng)提供大帶寬傳輸通道，保障海量車(chē)載運(yùn)維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)載。為軌道交通提供滿(mǎn)足大帶寬承載的“多網(wǎng)融合”車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)全方位解決方案。

2）超低時(shí)延的高速移動(dòng)通信系統(tǒng)方案，面向城市軌道交通系統(tǒng)的5G超可靠低時(shí)延無(wú)線(xiàn)通信（uRLLC）解決了列控相關(guān)信號(hào)的車(chē)地?zé)o線(xiàn)信息傳輸需求，支撐這類(lèi)業(yè)務(wù)的核心挑戰(zhàn)來(lái)自于高速移動(dòng)場(chǎng)景下信道環(huán)境的快速變化與傳輸可靠性、傳輸時(shí)延之間的矛盾。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從接入管道向信息化服務(wù)使能平臺(tái)的關(guān)鍵跨越，大幅降低業(yè)務(wù)時(shí)延，滿(mǎn)足軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景中低時(shí)延業(yè)務(wù)需求，是5G網(wǎng)絡(luò)的代表性能力。

3）軌道交通物聯(lián)網(wǎng)解決方案，軌道交通物聯(lián)網(wǎng)指通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建軌道交通信息化物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載、軌旁、路基等應(yīng)用環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集，協(xié)助完成軌道交通各種設(shè)備設(shè)施的運(yùn)營(yíng)維護(hù)。5G 與互聯(lián)網(wǎng)的融合使得傳感器、處理器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成本將迅速降低。

4）軌道交通車(chē)車(chē)通信解決方案，通過(guò)車(chē)車(chē)通信的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，即將傳統(tǒng)以地面控制中心為主的列車(chē)信號(hào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤熊?chē)自行計(jì)算最大移動(dòng)授權(quán)區(qū)間的列車(chē)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與列車(chē)互傳位置、方向、速率、駕駛模式和車(chē)載信號(hào)設(shè)備及列車(chē)車(chē)輛相關(guān)狀態(tài)信息等，通過(guò)獲取臨近列車(chē)的位置、方向、速率等信息，列車(chē)依據(jù)防沖撞原則自行計(jì)算最大移動(dòng)授權(quán)區(qū)間和最大運(yùn)行速度等行車(chē)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)無(wú)需地面控制中心的自我調(diào)度。

5、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)5G通信的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)分析，并針對(duì)城市軌道交通的無(wú)線(xiàn)覆蓋特點(diǎn)和關(guān)鍵業(yè)務(wù)承載需求展開(kāi)敘述，總結(jié)了5G通信技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用的典型場(chǎng)景。隨著5G通信技術(shù)的成熟與推廣應(yīng)用，將為城市軌道交通提供大帶寬、高可靠、低時(shí)延的通信傳輸保障。