5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車地通信中的應用分析

蔣海林，邵穎霞，趙紅禮

快軌論壇

5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車地通信中的應用分析

蔣海林，邵穎霞，趙紅禮

（北京交通大學軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044）

中國國內5G系統(tǒng)已經(jīng)開始商用，第一個5G系統(tǒng)演進版本的標準化已經(jīng)完成。首先基于目前普遍采用的LTE-M介紹了城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的概況和需求，分析了5G通信系統(tǒng)的關鍵技術及在城市軌道交通車地通信環(huán)境中的適用性，最后討論提出了未來5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車地通信系統(tǒng)中的一些設計思路和方案，指出LTE-M加5G的NR-U是未來城市軌道交通車地通信建設的可行方案。隨著車地通信業(yè)務的發(fā)展，5G系統(tǒng)將可能應用于未來的城市軌道交通車地通信中并發(fā)揮重要的作用。

軌道交通；5G；車地通信；NR-U；網(wǎng)絡切片；車車通信

目前，中國城市軌道交通大多采用基于通信的列車運行控制系統(tǒng)(CBTC系統(tǒng))，其重要特點之一是通過車地之間大容量、雙向的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來傳輸列車位置信息和控制信息。高可靠的通信網(wǎng)不僅是城市軌道交通安全運營的基礎，也是提高城市軌道交通列車工作效率和自動化程度的有效前提。

現(xiàn)首先介紹城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的概況，然后分析最新的5G移動通信技術及其在城市軌道交通車地通信中的適用性，最后研究在城市軌道交通車地通信環(huán)境中5G面臨的問題，并提出初步技術方案。

1 城市軌道交通車地通信系統(tǒng)概述

城市軌道交通車地無線通信作為保障安全運營的重要環(huán)節(jié)，承載了多種業(yè)務，包括面向安全運營的業(yè)務和非安全的業(yè)務。面向安全運營的業(yè)務主要包括基于通信的列車運行控制系統(tǒng)CBTC (communications based train control)、寬帶集群系統(tǒng)業(yè)務和列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，而面向非安全的業(yè)務包括車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)(image monitoring system，IMS)、軌道交通乘客信息(passenger information system，PIS)系統(tǒng)、面向運營維護類業(yè)務、面向乘客智能出行類以及面向應急防災類等業(yè)務。不同業(yè)務對QoS (quality of service，服務質量)關鍵指標如吞吐量、時延的要求不相同。

在LTE-M系統(tǒng)的需求規(guī)范中，對LTE-M承載的部分業(yè)務需求進行了定義[1](見表1)。在GOA3 (grade of automation，自動運行等級3)或GOA4的要求下，LTE-M每小區(qū)的QoS需求如下：

表1 綜合承載業(yè)務優(yōu)先級與需求

除了以上業(yè)務，現(xiàn)在的很多LTE-M系統(tǒng)還增加了寬帶集群業(yè)務。寬帶集群業(yè)務包括語音和視頻，也需要很大的帶寬需求。此外，隨著新形勢下反恐安全的需要，要求上傳的IMS視頻監(jiān)控業(yè)務的路數(shù)增加，如果要求8路視頻業(yè)務實時上傳，此時上行的業(yè)務帶寬要求為11 Mb/s左右?，F(xiàn)有的LTE-M系統(tǒng)在單網(wǎng)15 MHz頻寬配置下，上行鏈路所能提供的平均帶寬一般不超過10 Mb/s，因此現(xiàn)有LTE-M系統(tǒng)很難滿足未來上行視頻監(jiān)控的更高帶寬要求。

在列車運行控制方面，為進一步提高城市軌道交通運營的效率，業(yè)內信號廠家和科研院所開始研究基于分布式控制的城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)局部列車之間的協(xié)同與編組，即虛擬編組技術[2]。虛擬編組可通過基于車車通信的“虛擬車鉤”將多列列車編組為一列列車的形式，列車編隊需要通過車車通信實現(xiàn)一個臨時的局部自組織網(wǎng)。虛擬編組模式下列車和列車之間的追蹤間隔極小，車車通信的超低時延要求極高。要實現(xiàn)列車間實時低延時通信，采用物理上的車車無線通信比通過地面核心網(wǎng)絡轉發(fā)的車車通信方式更為快捷，現(xiàn)有LTE-M通信技術尚不支持車車間的直接物理通信。

綜上所述，基于4G通信技術應用下的LTE-M系統(tǒng)，其綜合承載能力目前仍存在一定限制，在信息傳輸與處理上有待進一步完善。

2 5G關鍵技術及其在城市軌道交通車地通信中的應用分析

5G通信采用大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡架構等核心技術[3]，具有大帶寬、高可靠、低時延、廣連接等特點，5G技術發(fā)展區(qū)分成3大主軸，分別是提供更高帶寬的eMBB (enhanced mobile broadband，增強移動寬帶)，同時也包含了專為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應用而發(fā)展的mMTC (massive machine type communication，海量機器類通信)，以及能滿足各種實時通信需求，且可靠度更高的URLLC (ultra-reliable and low latency communi-cations，超可靠低時延通信)。

2.1 5G網(wǎng)絡架構

為了滿足不同應用場景和應用需求，5G網(wǎng)絡引入SDN/NFV(software defined network/network function virtualization，軟件定義網(wǎng)絡/網(wǎng)絡功能虛擬化)技術，將軟硬件平臺虛擬化和解耦，底層使用統(tǒng)一的NFVI基礎設施，利用SDN控制器實現(xiàn)內部資源靈活調度。5G網(wǎng)絡的核心網(wǎng)架構與之前的4G核心網(wǎng)相比有以下主要特征：

1) 控制面與用戶面分離。控制面可以放在中央的機房里，因為它對時延處理要求不是太高。而業(yè)務面則不斷下沉至邊緣數(shù)據(jù)中心，離基站非常近，從而降低時延。

2) NFV/SDN技術。NFV技術應用于核心網(wǎng)，讓軟硬件解耦，網(wǎng)元成為了一個個軟件功能模塊。SDN軟件定義網(wǎng)絡，通過轉發(fā)與控制面的分離，以及從全網(wǎng)的角度去看待IP網(wǎng)絡，可以更好地調度網(wǎng)絡，提高資源利用率。

3) 網(wǎng)絡功能切片。將一個物理網(wǎng)絡分為多個邏輯的網(wǎng)絡，滿足不同的應用需求。

城市軌道交通車地通信業(yè)務特點是每個小區(qū)中的列車數(shù)目比較少，通常一個小區(qū)不超過4輛列車，一條地鐵線路不超過100輛車。而現(xiàn)在的5G通信網(wǎng)絡通常是為公網(wǎng)設計的，一個核心網(wǎng)服務的用戶達到幾萬甚至幾十萬以上。因此，5G網(wǎng)絡應用于城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的列車運行控制，核心網(wǎng)的能力大大過剩。但是，5G網(wǎng)絡在城市軌道交通除了用于列車運行控制以外，還可用于提高乘客的乘坐質量與體驗以提供眾多及非安全信息的公眾服務，因此在5G網(wǎng)絡架構設計時必須綜合考慮業(yè)務需求。

5G網(wǎng)絡引入網(wǎng)絡功能虛擬化技術，核心網(wǎng)的網(wǎng)元所依托的硬件都是在虛擬化平臺里面虛擬出來的，相互之間是“隔離”的，容易擴容、縮容，也容易升級、割接，可以大大節(jié)約資源，有利于降低維護難度和成本，因此非常適合應用在城市軌道交通環(huán)境中。

綜上所述，將5G應用于城市軌道交通車地通信中，應研究5G核心網(wǎng)的虛擬化和核心網(wǎng)簡化技術，設計適合城市軌道交通的SFC(service function chain，服務功能鏈)，并針對城市軌道交通不同業(yè)務類型，針對性地設計5G應用切片。

2.2 提高系統(tǒng)吞吐量、減小傳輸時延和提高可靠性的技術

2.2.1 5G系統(tǒng)提高系統(tǒng)吞吐量的技術

eMBB場景可以為用戶提供更高的帶寬，其關鍵技術包括：使用更高的頻寬、Massive MIMO(massive multiple-input multiple-output，大規(guī)模多入多出天線)及多波束管理技術、毫米波(millimeter wave)技術以及更高效的調制編碼技術等。

5G場景的標準帶寬為100 MHz，遠遠大于LTE的最大20 MHz帶寬，而Massive MIMO通過大規(guī)模天線，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的高增益窄細波束，提供更靈活的空間復用能力，改善基站和終端接收信號強度并更好地抑制用戶間干擾，從而實現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜效率。

此外，5G通信系統(tǒng)采用了比4G通信系統(tǒng)更有效的調制編碼方式?，F(xiàn)有4G LTE在下行鏈路具有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM這四種調制方式，5G空口在此基礎上新增1024QAM調制方式，提高了調制效率。在上行鏈路，目前4G通信系統(tǒng)采用的調制方式最高到64QAM，而5G通信系統(tǒng)可以采用256QAM，這樣一個碼元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就可以從6 bit增加到8 bit。與LTE數(shù)據(jù)信道所用Turbo碼、控制信道用卷積碼等編碼方式相比，5G NR (new radio，新無線)采用了全新的信道編碼方式，即數(shù)據(jù)信道用LDPC編碼，控制信道和廣播信道用Polar編碼。這一改進可以提高NR信道編碼效率，能以低復雜度和低時延，達到更高的傳輸速率。

如前所述，5G系統(tǒng)提高吞吐量的技術主要包括更大的頻寬、Massive MIMO、毫米波技術和更高效的調制編碼技術。毫米波技術傳輸距離太短，一般只有幾十米，在城市軌道交通車地通信的環(huán)境中無法應用。而要采用更大的頻寬承載城市軌道交通各種業(yè)務，則取決于未來5G車地通信的實現(xiàn)方式。目前，可用于城市軌道交通車地通信的專用頻段最大為20 MHz，未來也幾乎不可能占用100 MHz的專用頻段。

由于相當比例的城市軌道交通車地通信環(huán)境為隧道，為了保證信號的均勻覆蓋，在隧道環(huán)境通常采用漏泄電纜進行車地通信信號的覆蓋。漏泄電纜中的無線信號在終端看來就是基站的一個天線端口發(fā)送的信號。受制于隧道壁對漏泄電纜的安裝限制，通常一條線路只能安裝不超過2條漏泄電纜。另外，在城市軌道交通車地通信環(huán)境中，多用戶MIMO 所要求的用戶分布在不同角度的條件無法滿足?；谝陨戏治觯嗵炀€技術這個5G 最重要的增強技術在軌道交通場景下性能很難發(fā)揮。

目前在城市軌道交通環(huán)境中廣泛應用的LTE-M標準，仍然是基于3GPP Release 9規(guī)范，其上行鏈路只能實現(xiàn)1*2的傳輸方式，上線鏈路吞吐量受到限制。而未來的5G系統(tǒng)根據(jù)線路漏纜安裝和車載天線的配置方式，可以實現(xiàn)2*2或更高階的上行傳輸，從而有效提高系統(tǒng)的上行吞吐量。此外，城市軌道交通車地通信環(huán)境中，可以采用5G技術中更高效率的調制編碼技術。

2.2.2 5G系統(tǒng)減小傳輸時延和提高可靠性的技術

低時延高可靠URLLC場景是5G系統(tǒng)的另一個應用場景，URLLC的超可靠性是通過采用魯棒性較強的編碼和調制階數(shù)、重復傳輸實現(xiàn)的。而其低時延實現(xiàn)的方法包括將調度時間資源單位進一步細分成mini-slot、采用自包含幀結構、多調度請求并發(fā)機制、上行免授權機制、采用多址邊緣計算MEC技術以及HARQ (hybrid automatic repeat request，自動請求重傳)反饋增強技術等。

以上的5G系統(tǒng)減小傳輸時延和提高通信可靠性的措施都是系統(tǒng)內部的實現(xiàn)方法，大部分可以在城市軌道交通環(huán)境中應用。而減小傳輸時延的多址邊緣計算MEC技術影響5G核心網(wǎng)的架構和網(wǎng)絡切片的設計方案，在城市軌道交通車地通信環(huán)境中需要針對性地進行設計。

2.3 車車通信

在5G新發(fā)布的R16版本中，對NR的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信(C-V2X)進行了優(yōu)化和增強，即發(fā)展了NR-V技術。一般來說，終端和終端之間進行通信需要經(jīng)過基站，兩輛車之間的通信也是如此。但與道路相關的應用對可靠性和時延的要求極高，如果車輛之間能夠直接通信，或者通過路側基礎設施來實現(xiàn)直接通信的話，可以進一步提升可靠性、降低時延，從而保障道路安全。C-V2X增加了終端與終端之間的直通性，也就是車車通信，從而提高了通信鏈路的可靠性。但是，汽車的車聯(lián)網(wǎng)技術與軌道交通追蹤的兩列車的外部環(huán)境有很大的區(qū)別，軌道交通是相鄰的兩列車之間才需要車車通信，因此需要針對城市軌道交通的運行環(huán)境進行相應的設計。

5G NR-V定義的應用場景與道路交通的具體業(yè)務、實際狀況密切相關，要在城市軌道交通環(huán)境中應用NR-V技術，需要針對城市軌道交通應用做相應的設計。

2.4 NR-U

5G NR-U，全稱5G NR in Unlicensed Spectrum，即工作于非授權頻譜的5G NR。它包括兩種模式：LAA NR-U (授權頻譜輔助接入NR-U)和獨立式NR-U(獨立NR-U)。

LAA NR-U，全稱許可協(xié)助接入NR-U。LAA NR-U實際上是一種載波聚合技術，它將授權頻段作為錨點，并定義為主服務小區(qū)，主服務小區(qū)傳送控制信令和高QoS數(shù)據(jù)，而非授權頻段定義為從服務小區(qū)，只傳送數(shù)據(jù)，兩者聚合，從而大幅提升下行速率。

獨立NR-U不再需要授權頻譜做錨點，它完全獨立地在非授權頻譜上運行，任何人都可以像無線網(wǎng)絡連接一樣部署自己的5G網(wǎng)絡，可以用來部署單個接入點，也可以部署自己的5G專網(wǎng)。獨立的NR-U像Wi-Fi一樣公平，具有完全開放的共享非授權頻段，只是使用的是5G NR技術，而不是WiFi技術。

在城市軌道交通通信環(huán)境中，由于2.4 GHz開放頻段干擾嚴重，現(xiàn)在使用越來越少，而5.8 GHz頻段則面臨著無線信號衰減嚴重的問題。

2.5 切片管理

5G系統(tǒng)中，不同場景的通信對于網(wǎng)絡空口的要求有很大不同，通過應用網(wǎng)絡切片技術簡化了復雜的網(wǎng)絡部署及管理。網(wǎng)絡切片，本質上就是將運營商的物理網(wǎng)絡劃分為多個虛擬網(wǎng)絡，每一個虛擬網(wǎng)絡根據(jù)不同的服務需求，比如時延、帶寬、安全性和可靠性等來劃分，以靈活應對不同的網(wǎng)絡應用場景。網(wǎng)絡切片是5G通信區(qū)別于4G通信的標志性技術之一。

網(wǎng)絡切片實際是一個端到端的邏輯網(wǎng)絡，由一組網(wǎng)絡功能、資源和連接構成的一個網(wǎng)絡切片，通?？缍鄠€技術域，包括接入網(wǎng)，承載網(wǎng)和核心網(wǎng)。5G切片端到端編排包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和承載網(wǎng)的編排。

未來城市軌道交通環(huán)境中要應用5G技術，網(wǎng)絡切片將是關鍵技術之一。當前網(wǎng)絡切片技術在3GPP標準中已經(jīng)初步實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的基本功能和基本流程的定義，為5G網(wǎng)絡部署和網(wǎng)絡切片業(yè)務商用奠定了基礎。但切片作為一個按需定制的端到端的邏輯網(wǎng)絡，涉及無線、傳輸、核心網(wǎng)和管理域，如果完全按照各個領域的能力進行排列組合將會形成非常多的選擇，如何能讓行業(yè)更清晰地認識切片的能力并能最優(yōu)匹配到行業(yè)應用是一個亟需解決的問題。目前，網(wǎng)絡切片的標準化還沒有完成，業(yè)內廠家、業(yè)主和科研院所需要針對地鐵行業(yè)特點進行定制化設計和開發(fā)，一種城市軌道交通業(yè)務網(wǎng)絡切片設計示意如圖1所示。

圖1 城市軌道交通車地通信的網(wǎng)絡切片設計

Figure 1 Design of network slicing in urban rail train ground communications

3 未來城市軌道交通車地通信的技術方案分析

未來城市軌道交通車地通信系統(tǒng)要引入5G技術，有兩種可能的路線：一是和通信運營商合作，基于公網(wǎng)5G并通過網(wǎng)絡切片的方式在公網(wǎng)5G上承載地鐵業(yè)務；二是地鐵建設和運營單位自建地鐵5G專網(wǎng)。

3.1 基于公網(wǎng)的5G通信系統(tǒng)建設方案

在城市軌道交通車地通信系統(tǒng)中引入公網(wǎng)的5G通信，可以有多種技術方案，例如在文獻[4]中，毛磊等人提出了地鐵自建5G 核心網(wǎng)和共享運營商基站資源、利用運營商5G 網(wǎng)絡配置MEC設備本地分流數(shù)據(jù)或地鐵列車終端接入運營商5G 網(wǎng)絡等方案。現(xiàn)在通信設備廠商主流的方法都是采用網(wǎng)絡切片實現(xiàn)地鐵業(yè)務與公網(wǎng)業(yè)務的分離。但是，這些方案真正在地鐵環(huán)境中應用，要實現(xiàn)地鐵業(yè)務與公網(wǎng)業(yè)務在5G網(wǎng)絡中共存，解決地鐵車地通信業(yè)務在可用性、可靠性和干擾隔離等方面的問題。

3.1.1 網(wǎng)絡切片的可靠性

網(wǎng)絡切片是由很多個網(wǎng)元組成的一個邏輯網(wǎng)絡。當考慮網(wǎng)絡切片的可靠性時，以核心網(wǎng)網(wǎng)元構成的SFC(服務功能鏈)為例進行討論。由于5G通信引入了網(wǎng)絡功能虛擬化技術，雖然核心網(wǎng)的網(wǎng)元看上去很多，但是所依托的硬件都是在虛擬化平臺里面虛擬出來的，可以根據(jù)業(yè)務的需求進行定制。圖2為一個SFC的例子[5]，在圖中VNF (virtual network funcion，虛擬網(wǎng)絡功能)可以為5G核心網(wǎng)的任意一個功能，表示業(yè)務到達率，1～4表示業(yè)務處理速率。從提高系統(tǒng)可用性的角度出發(fā)，每個VNF可以有一個備份。

圖中，每個VNF系統(tǒng)(包含主用和備用兩個VNF)的可靠性為：

p為單個VNF的可用性。而整條鏈路的可用性為：

城市軌道交通承載車地通信系統(tǒng)要求用物理上完全隔離的A、B網(wǎng)雙網(wǎng)承載CBTC業(yè)務，根據(jù)LTE-M需求規(guī)范的要求，單網(wǎng)通信中斷時間不超過2 s的概率不小于99.99%。根據(jù)此要求，需要綜合考慮無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的設計，使得系統(tǒng)的可靠性和可用性達到要求。

3.1.2 未來城市軌道交通車地通信中的低時延業(yè)務

對于城市軌道交通車地通信的低延時業(yè)務，如虛擬編組等，可以采用移動邊緣計算MEC，將業(yè)務面下沉至邊緣數(shù)據(jù)中心，離基站非常近，減小業(yè)務時延。如圖3中在邊緣節(jié)點，也就是在靠近基站gNB的地方放置一個用戶面功能實體UPF，這樣用戶面數(shù)據(jù)可以快速地轉發(fā)給用戶終端。

圖2 SFC設計示意圖

Figure 2 Design of SFC

采用公網(wǎng)5G承載地鐵業(yè)務的主要問題是公網(wǎng)5G需要承載安全相關的業(yè)務，對網(wǎng)絡的可靠性和安全性要求很高，責任重大，通信運營商沒有相關經(jīng)驗，出了問題的時候還涉及責任劃分的問題，并且采用網(wǎng)絡切片的方式承載地鐵業(yè)務，其安全性和可靠性尚無足夠的理論依據(jù)和實踐證明。此外，5G網(wǎng)絡的網(wǎng)絡切片尤其是針對地鐵業(yè)務的網(wǎng)絡切片還沒有可遵循的標準，目前難以實現(xiàn)。

3.2 地鐵5G專網(wǎng)建設方案

在城市軌道交通車地通信業(yè)務中，CBTC等安全相關的業(yè)務對實時性和可靠性要求高，但對帶寬的要求相對不高，而IMS、PIS和寬帶集群業(yè)務對寬帶的要求很大，但對可靠性的要求低一些。目前新建地鐵在1785- 1805 MHz頻段采用LTE-M技術進行車地通信。

采用地鐵自建5G專網(wǎng)的方案，在有限的頻譜資源條件下，可以考慮將1.8 GHz專用頻段用來承載可靠性要求高、但帶寬要求低的安全相關業(yè)務，5.8 GHz非授權頻段用來承載帶寬要求高但可靠性要求低的視頻業(yè)務。這種方案又可以有兩種不同的實現(xiàn)方式：一是分別在1.8 GHz和5.8 GHz開放頻段采用5G NR技術和NR-U技術；另一種方式是在1.8 GHz頻段仍然采用LTE-M技術，但在5.8 GHz開放頻段采用NR-U技術。

由于LTE-M系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中應用的時間不長，并且相同帶寬(20 MHz以下)的5G系統(tǒng)相比LTE-M系統(tǒng)性能上并沒有太大的優(yōu)勢，從保護投資的角度出發(fā)，建議地鐵建設采用LTE-M加5G的NR-U的建設方案。

目前華為和中興等廠商在城市軌道交通環(huán)境中推廣基于非授權頻段的LTE-U方案，但由于LTE-U系統(tǒng)工作在5.8 GHz頻段，列車快速移動帶來的多普勒頻移的影響遠遠大于1.8 GHz的LTE-M系統(tǒng)，因此LTE-U系統(tǒng)在高速運行環(huán)境下(如120 km/h)的吞吐量很難得到保證。而NR-U系統(tǒng)由于子載波的間隔在6 GHz以下頻段最大可以設為60 KHz，此時多普勒頻移對系統(tǒng)性能的影響要小很多。因此，在未來的5G NR系統(tǒng)中，通過設置更大的子載波間隔，NR-U將是一種更高效的車地通信方式。5G系統(tǒng)的NR-U技術在160 km/h以下速度條件下應用的適應性，將是5G在城軌應用研究的重點。

圖3 引入MEC節(jié)點的5G通信系統(tǒng)核心網(wǎng)

Figure 3 Core network of 5G communications system with MEC node

采用5.8 GHz頻段進行車地通信，存在的問題是5.8 GHz頻段的衰減遠大于1.8 GHz[6]，5.8 GHz的NR-R的覆蓋范圍遠小于LTE-M系統(tǒng)，這將給無線網(wǎng)絡設計和規(guī)劃帶來很多問題，也是未來采用NR-U設計必須考慮和解決的問題。

綜上所述，未來的5G系統(tǒng)建議采用5G專網(wǎng)建設的方案，并且可以采用LTE-M加NR-U的網(wǎng)絡建設方式，LTE-M系統(tǒng)承載安全相關的業(yè)務，而NR-U系統(tǒng)承載非安全相關的業(yè)務，既保護了投資，又能在保證安全業(yè)務QoS性能的同時，提高非安全業(yè)務的吞吐量。

3.3 基于5G V2X的城市軌道交通車車通信方案

在NR V2X的通信標準中，定義了車與車直接通信的直通鏈路(Sidelink)。通過采用直通方式，城市軌道交通通信系統(tǒng)的車車通信成為了可能，但是城市軌道交通與道路交通的車車通信有很大的區(qū)別。

1) 城市軌道交通同一軌道上前車和后車的距離通常遠大于道路交通系統(tǒng)中汽車之間的距離，甚至超過車車通信所允許的最大范圍。因此，能直接進行車車通信的列車數(shù)量遠小于道路交通系統(tǒng)，直接進行車車通信的可能性也要小得多。

2) 軌道交通系統(tǒng)的車地通信環(huán)境有很多是隧道環(huán)境，而道路交通車車之間的通信鏈路通常是在開放的空間，車地通信和車車通信的信道環(huán)境有很大的區(qū)別。

3)道路交通的車地通信時延則通常不允許超過100 ms。對于城市軌道交通車地通信來說，通信時延要求是不超過150 ms的概率不小于98%，不超過2 s的概率不小于99.92%。城市軌道交通車地通信對通信的實時性要求低一些，因此在現(xiàn)有的業(yè)務要求下，城市軌道交通系統(tǒng)并沒有采用車車通信的迫切需要。

4) 對于未來城市軌道交通的虛擬編組業(yè)務，列車之間的間距更小，對車車通信的要求更高，但目前尚無具體的性能指標要求，還需要做進一步的研究。

因此，要在城市軌道交通車地通信系統(tǒng)中應用NR V2X技術，通信方案必須進行相應設計。首先，必須判斷是否有列車進入可以進行車車通信的范圍，然后對進行車車通信的吞吐量、時延和系統(tǒng)可用性的性能進行評估，在此基礎上再進行下一步操作。

4 結論

首先總結了城市軌道交通車地通信的業(yè)務和需求，介紹了5G移動通信的特點和關鍵技術，并對5G移動通信關鍵技術在城市軌道交通車地通信環(huán)境中的應用進行了詳細的分析，最后對未來5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車地通信中的應用提出了初步的設計方案，未來的城市軌道交通車地通信建議采用LTE-M加5G的NR-U的建設方案。

[1] 城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)總體規(guī)范 第1部分: 系統(tǒng)需求: T/CAMET 04005.1-2018[S]. 北京: 中國城市軌道交通協(xié)會, 2018.Long term evolution for metro (LTE-M) generic specifi-cation part 1: system requirement: T/CAMET 04005.1- 2018[S]. Beijing: China Association of Metros, 2018.

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[3] 3GPP TS 22.261: Service requirements for the 5G system, Stage 1(Release 16)[S]. Valbonne: 3GPP, 2020.

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Application of 5G Communications System in Urban Rail Train Wayside Communications

JIANG Hailin, SHAO Yingxia, ZHAO Hongli

(National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Currently, 5G communications systems are already commercially available in China, and the first version of 5G has been standardized. The LTE-M system has been widely adopted in urban rail train wayside communications, and an overview and the requirements of urban rail train wayside communications based on LTE-M are first presented in this paper. Then, the key technologies and the feasibility of 5G communications in urban rail train wayside communications are analyzed. Certain design schemes for the application of 5G systems are presented in the following section, and LTE-M along with NR-R are considered as candidate schemes in future urban rail communications systems. The 5G communications system will play an important role, possibly in the development of communications services in urban rail systems.

rail transit; 5G; wayside communications; network slicing; vehicle communications

U231

A

1672-6073(2021)02-0042-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.007

2020-07-13

2020-08-17

蔣海林，男，副教授，從事城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的研究，lhjiang@bjtu.edu.cn

自然科學基金項目資助(61973026)

蔣海林，邵穎霞，趙紅禮. 5G通信系統(tǒng)在城市軌道交通車地通信中的應用分析[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：42-47.

JIANG Hailin, SHAO Yingxia, ZHAO Hongli. Application of 5G communications system in urban rail train wayside communications[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 42-47.

（編輯：王艷菊）