5G技術(shù)在軌道交通的應(yīng)用研究

張喜元 周增惠 林靜

【摘要】文章結(jié)合軌道交通的業(yè)務(wù)需求及應(yīng)用場(chǎng)景，分析了5G主要技術(shù)在軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景下能夠發(fā)揮的作用。同時(shí)，探究了軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案及優(yōu)缺點(diǎn)，為軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了一些思路。

【關(guān)鍵詞】軌道交通;應(yīng)用場(chǎng)景;5G;建設(shè)方案

中圖分類號(hào)：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13..005

1. 背景

近年來，隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)里程的快速增長(zhǎng)，軌道交通對(duì)于城市居民的出行越來越重要，大批量軌道交通線路的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)也驅(qū)動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。軌道交通運(yùn)營(yíng)智能化是未來發(fā)展的重要方向，車載視頻快速回傳、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳和智能運(yùn)維數(shù)據(jù)回傳等越來越多的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均需通過無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高效的傳輸，使得4G無線通信系統(tǒng)已無法滿足所有業(yè)務(wù)需求，這就對(duì)軌道交通無線通信系統(tǒng)的建設(shè)提出了新的挑戰(zhàn)。5G作為先進(jìn)的通信技術(shù)，具有增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、超高可靠低時(shí)延和大規(guī)模機(jī)器類通信三大主要應(yīng)用場(chǎng)景，可滿足軌道交通眾多業(yè)務(wù)的承載，并能很好地解決軌道交通有關(guān)業(yè)務(wù)對(duì)大帶寬、低時(shí)延和高可靠等方面的需求。

2. 軌道交通業(yè)務(wù)

目前，軌道交通無線通信系統(tǒng)承載的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)主要包含列車運(yùn)行控制、列車緊急文本、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、IMS視頻監(jiān)控、PIS車載多媒體和集群調(diào)度等。除了傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)外，軌道交通有大量新的業(yè)務(wù)涌現(xiàn)，主要包含可視化行車、智慧安檢、智慧票務(wù)、智能運(yùn)維和應(yīng)急調(diào)度等。

2.1 可視化行車

基于5G的高清視頻回傳，通過在列車上安裝高清視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)采集列車運(yùn)行軌道前方視頻回傳，保證列車在軌道上運(yùn)行的可視與可控。

2.2 智慧安檢

目前，軌道交通的安檢系統(tǒng)大多數(shù)是單站模式，安檢數(shù)據(jù)只能在本地查詢，通過建設(shè)安檢集中判圖平臺(tái)，借助5G網(wǎng)絡(luò)將安檢數(shù)據(jù)及視頻實(shí)時(shí)回傳至控制中心后臺(tái)，方便控制中心管理人員實(shí)時(shí)調(diào)取軌道交通線路的所有安檢數(shù)據(jù)，并結(jié)合人工智能的視頻分析能力，可實(shí)現(xiàn)快速聯(lián)動(dòng)響應(yīng)、定位危險(xiǎn)物及定位危險(xiǎn)人員。

2.3 智慧出行

通過在軌道交通的車站建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合人臉識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)乘客快速刷臉過閘通行、大客流預(yù)測(cè)、列車車廂擁擠度查詢及站內(nèi)商鋪定位等，為乘客提供個(gè)性化、智能化的出行體驗(yàn)，提高軌道交通的服務(wù)水平。

2.4 智能運(yùn)維

軌道交通涵蓋的系統(tǒng)多，車站存在著大量復(fù)雜的各類設(shè)備，運(yùn)營(yíng)維護(hù)的工作量巨大，車站設(shè)施設(shè)備管理及運(yùn)維可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)等，建立車站設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)庫，通過建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)采集各設(shè)施設(shè)備的有關(guān)數(shù)據(jù)，并將有關(guān)數(shù)據(jù)上傳到集中的設(shè)施設(shè)備管理維護(hù)平臺(tái)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行信息、故障信息及故障預(yù)警，使得運(yùn)營(yíng)維護(hù)由日常的被動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)為智能化的監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的半自動(dòng)化巡檢及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.5 應(yīng)急調(diào)度

軌道交通的列車發(fā)車密度高、客流量大，針對(duì)站臺(tái)門夾人、扶梯摔倒等乘客事件通過視頻分析和智能傳感等技術(shù)，及時(shí)觸發(fā)警報(bào)信息，及時(shí)提醒車站工作人員處理。軌道交通隧道環(huán)境復(fù)雜，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，需要迅速做出緊急疏散，可以通過高速無線通信系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急調(diào)度，提高緊急疏散的效率。

3. 5G關(guān)鍵技術(shù)

為了應(yīng)對(duì)爆炸性的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)、海量的設(shè)備連接及不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，5G應(yīng)運(yùn)而生。5G的關(guān)鍵技術(shù)主要包括網(wǎng)絡(luò)切片、大規(guī)模多天線、超可靠低時(shí)延、超高密集度組網(wǎng)和覆蓋增強(qiáng)等。

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G面向垂直行業(yè)滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景、建立敏捷網(wǎng)絡(luò)的需求，端到端的網(wǎng)絡(luò)切片可以按網(wǎng)絡(luò)靈活分配及網(wǎng)絡(luò)能力按需組合，虛擬出多個(gè)具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。在滿足軌道交通不同業(yè)務(wù)性能、可靠性及安全隔離等基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的安全承載。

3.2 大規(guī)模多天線

大規(guī)模多天線技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，借助多用戶波束成形的原理，通過空間信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)在同一頻率資源上同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，這種有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源，能夠提供更靈活的空間復(fù)用能力，從而實(shí)現(xiàn)提升的系統(tǒng)容量。在軌道交通環(huán)境下軌道沿線需進(jìn)行無線信號(hào)覆蓋，場(chǎng)景主要以隧道和高架橋梁為主，一般需采用漏纜覆蓋。

3.3 超可靠低時(shí)延

超可靠低時(shí)延通信是5G的三個(gè)典型場(chǎng)景之一。在軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景下，主要需解決車地?zé)o線信息傳輸和分布式設(shè)備之間的無線信息傳輸?shù)男枨螅?G可以為提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延以及接近百分之百的業(yè)務(wù)可靠性保證。根據(jù)軌道交通行業(yè)有關(guān)規(guī)范，通信系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)單路單向傳輸時(shí)延不超過2s的概率不小于99.92%，5G網(wǎng)絡(luò)通過超可靠低時(shí)延技術(shù)可以滿足對(duì)軌道交通不同業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。

3.4 超高密集度組網(wǎng)

5G網(wǎng)絡(luò)頻段普遍較高，使得無線信號(hào)在空間傳播的衰減變大，在公網(wǎng)場(chǎng)景下那么超高密集度組網(wǎng)比較普遍，但軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景主要以線狀覆蓋為主，不是蜂窩組網(wǎng)，從而使得5G網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋面積達(dá)大大減少，且列車在高速運(yùn)行中會(huì)頻繁切換。因此，在軌道交通的車輛段、停車場(chǎng)及大型車站可采用超高密集度組網(wǎng)技術(shù)，提升無線系統(tǒng)容量。

3.5 覆蓋增強(qiáng)

5G采用宏網(wǎng)覆蓋時(shí)，可能會(huì)存在上行傳輸覆蓋和數(shù)據(jù)速率受限，需利用載波聚合解決覆蓋和速率受限的問題。軌道交通場(chǎng)景一般采用漏纜或天線覆蓋的區(qū)域，通過鏈路預(yù)算分析，若受限的信道是上行業(yè)務(wù)信道，則可以使用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。

總之，5G部分技術(shù)在軌道交通應(yīng)用場(chǎng)境下很難發(fā)揮最佳的性能和作用，需要根據(jù)軌道交通工程的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)和部署，才能達(dá)到較好的性能。

4. 軌道交通5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，5G在軌道交通的應(yīng)用和實(shí)施還處于起步階段，國(guó)內(nèi)個(gè)別城市軌道交通線路開通了5G公網(wǎng)服務(wù)，如鄭州地鐵5號(hào)線?；诋?dāng)前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及頻率政策，5G行業(yè)專網(wǎng)尚無國(guó)家層面的指導(dǎo)意見和頻率資源的相關(guān)政策，軌道交通要建設(shè)5G專網(wǎng)須與運(yùn)營(yíng)商合作，借助運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)5G頻率來實(shí)現(xiàn)軌道交通5G無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，具有以下三種建設(shè)模式。

4.1 軌道交通自建5G核心網(wǎng)，共享運(yùn)營(yíng)商基站

軌道交通業(yè)主自建支持獨(dú)立組網(wǎng)的5G核心網(wǎng)，共享運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的5G無線網(wǎng)絡(luò)基站，構(gòu)建完整的獨(dú)立組網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。原有承載傳統(tǒng)安全類軌道交通無線業(yè)務(wù)的4G專網(wǎng)維持不變，兩張無線網(wǎng)落獨(dú)立部署。運(yùn)營(yíng)商的5G無線網(wǎng)絡(luò)基站還會(huì)同時(shí)連接到公網(wǎng)5G核心網(wǎng)，組成一張公網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)，供乘坐軌道交通的乘客使用。

該方案優(yōu)點(diǎn)是軌道交通的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流不通過運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)5G核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)絡(luò)，控制面與用戶面數(shù)據(jù)均與公網(wǎng)無信息交互，軌道交通業(yè)主對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可管與可控度較高，業(yè)務(wù)安全性好，可以自主為軌道交通5G業(yè)務(wù)終端放號(hào)。缺點(diǎn)是若運(yùn)營(yíng)商對(duì)5G接入網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)，可能會(huì)影響軌道交通業(yè)務(wù)的傳輸，且受相關(guān)的政策影響較大。

4.2 軌道交通配置多接入邊緣計(jì)算設(shè)備，借助運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)

軌道交通業(yè)主借助運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的公眾5G網(wǎng)絡(luò)，使得軌道交通的業(yè)務(wù)終端使用運(yùn)營(yíng)商的公眾5G網(wǎng)絡(luò)，軌道交通業(yè)主自建多接入邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)軌道交通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分流，數(shù)據(jù)流直接由多接入邊緣計(jì)算設(shè)備接入軌道交通的業(yè)務(wù)平臺(tái)，不需要由基站傳輸?shù)竭\(yùn)營(yíng)商的公眾5G核心網(wǎng)再回傳到軌道交通業(yè)務(wù)平臺(tái)。原有承載傳統(tǒng)安全類軌道交通無線業(yè)務(wù)的4G專網(wǎng)維持不變，兩張無線網(wǎng)落獨(dú)立部署。

該方案優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)商向軌道交通業(yè)主提供5G服務(wù)，軌道交通設(shè)備與運(yùn)營(yíng)商設(shè)備只在基站處有接口，軌道交通業(yè)主在本地機(jī)房自建多接入邊緣計(jì)算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)軌道交通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與公網(wǎng)數(shù)據(jù)的分流，能較好地保證軌道交通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性。缺點(diǎn)是軌道交通終端需要注冊(cè)到運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)核心網(wǎng)，用戶的管理由運(yùn)營(yíng)商控制且控制面需運(yùn)營(yíng)商提供網(wǎng)絡(luò)。

4.3 軌道交通完全借助運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)

軌道交通業(yè)主借助運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的公眾5G網(wǎng)絡(luò)，使得軌道交通的業(yè)務(wù)終端使用運(yùn)營(yíng)商的公眾5G網(wǎng)絡(luò)，由運(yùn)營(yíng)商根據(jù)需要為軌道交通設(shè)置專用網(wǎng)絡(luò)切片，確保滿足軌道交通的業(yè)務(wù)需求。原有承載傳統(tǒng)安全類軌道交通無線業(yè)務(wù)的4G專網(wǎng)維持不變，兩張無線網(wǎng)落獨(dú)立部署。

該方案優(yōu)點(diǎn)是最簡(jiǎn)單，完全由運(yùn)營(yíng)商向軌道交通業(yè)主提供5G公網(wǎng)服務(wù)，所有軌道交通的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均需要通過運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)核心網(wǎng)再回傳到軌道交通業(yè)務(wù)平臺(tái)。缺點(diǎn)是軌道交通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性無法保證且傳輸時(shí)延增加，用戶的管理完全由運(yùn)營(yíng)商控制。

5. 總結(jié)

綜上所述，目前5G系統(tǒng)還無法承載軌道交通全部的無線業(yè)務(wù)，軌道交通要建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)須與運(yùn)營(yíng)商合作，從商業(yè)合作角度來看，模式二是最佳選擇。5G針對(duì)軌道交通的應(yīng)用場(chǎng)景，還有很多問題需要研究和優(yōu)化，現(xiàn)階段5G行業(yè)也無專用頻段，必須與運(yùn)營(yíng)商共用網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于軌道交通特別重要的安全類業(yè)務(wù)，軌道交通業(yè)主還是希望自行管控。即使5G公網(wǎng)處于建設(shè)高潮，但在軌道交通中5G還不能完全替代現(xiàn)有的其他技術(shù)，如4G專網(wǎng)會(huì)繼續(xù)服務(wù)于軌道交通行業(yè)，用于承載速率較小、可靠性要求高的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。建議根據(jù)是否影響行車安全來區(qū)分業(yè)務(wù)類別，對(duì)于安全類業(yè)務(wù)采用4G專網(wǎng)承載，其他類業(yè)務(wù)可通過5G網(wǎng)絡(luò)承載，如列控、列調(diào)業(yè)務(wù)繼續(xù)承載于4G專網(wǎng)，車載視頻流、面向運(yùn)營(yíng)維護(hù)、乘客出行和應(yīng)急防災(zāi)等大帶寬業(yè)務(wù)可考慮采用5G網(wǎng)絡(luò)承載。

文獻(xiàn)參考：

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