5G 在城軌無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)中的應(yīng)用探索

陸海亭,付保明,梁志正,孫春洋

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211188;2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司,江蘇 蘇州 215006;3.南通城市軌道交通有限公司,江蘇 南通 226014)

0 引言

城市軌道交通是城市公共交通的骨干,具有安全、高效、快捷、節(jié)能、環(huán)保等突出特點(diǎn),是一種可持續(xù)發(fā)展的交通運(yùn)輸模式。 智慧城軌建設(shè)是交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要路徑和戰(zhàn)略突破口之一,是當(dāng)前城市軌道交通的發(fā)展方向。 2020 年3 月,軌交協(xié)發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中明確指出,要充分利用第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology, 5G)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、衛(wèi)星通信等新興信息技術(shù),構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的新一代中國(guó)式智慧型城市軌道交通。由此可見(jiàn),5G 技術(shù)是智慧城軌的基石,對(duì)于智慧城軌的構(gòu)建必不可少。

5G 是具有大帶寬、低時(shí)延及廣連接等特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù),是實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。 5G 網(wǎng)絡(luò)按照架構(gòu)分為核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng),它使用了一系列先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)革新。 核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing)和多接入邊緣計(jì)算(MEC)。 傳輸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括前傳和回傳技術(shù)(Backhaul& Fronthaul)。 接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(CRAN)、軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電(CR)、 Small Cells、自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)、設(shè)備到設(shè)備通信(D2D)、Massive MIMO、 毫米波(mmWave)、 波形和多址接入技術(shù)、帶內(nèi)全雙工(IBFD)、 載波聚合和雙連接技術(shù)、 低時(shí)延技術(shù)、低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(LPWA)、衛(wèi)星通信等。

2018 年6 月,3GPP 發(fā)布了第一個(gè)5G 標(biāo)準(zhǔn)(Release-15),支持5G 獨(dú)立組網(wǎng),重點(diǎn)滿(mǎn)足增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)。 2020 年6 月,Release-16 版本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,重點(diǎn)支持低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)對(duì)5G 車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的支持。 2022 年6 月,Release-17(R17)版本標(biāo)準(zhǔn)將發(fā)布,重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)差異化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)中高速大連接。

1 業(yè)務(wù)需求

城軌無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是滿(mǎn)足城市軌道交通生產(chǎn)、辦公以及乘客移動(dòng)通信需求的必不可少的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),它大致可分為生產(chǎn)無(wú)線(xiàn)、辦公無(wú)線(xiàn)、公安無(wú)線(xiàn)、乘客無(wú)線(xiàn)4類(lèi)網(wǎng)絡(luò)[1]。 生產(chǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行指揮需要,一般為T(mén)ETRA/WLAN/LTE;辦公無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要滿(mǎn)足日常運(yùn)營(yíng)辦公,一般為WLAN;公安無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合地面公安無(wú)線(xiàn)通信制式進(jìn)行選擇,一般為PDT;乘客無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通常由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商等第三方單位承建,一般為4G/5G 或WLAN。

將5G 應(yīng)用于城軌無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)公網(wǎng)和專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行綜合承載,是前景可期的應(yīng)用方向。 截至2021 年8 月,成都、北京、呼和浩特、深圳等城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的新線(xiàn)路都已實(shí)現(xiàn)了5G 公網(wǎng)在城軌的覆蓋;但城軌5G 專(zhuān)網(wǎng)的應(yīng)用尚處于探索階段(武漢、石家莊、重慶、杭州等地)。 無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)對(duì)于城軌運(yùn)營(yíng)的安全和效率尤為重要,下文主要探討5G 在城軌無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)中的應(yīng)用。

根據(jù)軌交協(xié)相關(guān)指導(dǎo)文件要求、城市軌道交通車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸需求以及未來(lái)需要承載的業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的主要需求[2],城軌運(yùn)營(yíng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)包括生產(chǎn)、辦公及乘客無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),它承載的業(yè)務(wù)按照性質(zhì)可分為列車(chē)運(yùn)行類(lèi)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)類(lèi)和乘客服務(wù)類(lèi)。

除了CBTC 列控?cái)?shù)據(jù)、集群調(diào)度語(yǔ)音、車(chē)輛乘客信息(PIS)視頻、車(chē)輛視頻監(jiān)視(CCTV)等傳統(tǒng)常用車(chē)地?zé)o線(xiàn)業(yè)務(wù)之外,隨著全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式的推廣普及、智慧運(yùn)維的迅猛發(fā)展,車(chē)輛走行部系統(tǒng)業(yè)務(wù)(弓網(wǎng)檢測(cè))、接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)、集群調(diào)度視頻業(yè)務(wù)、乘客召援和對(duì)講業(yè)務(wù)、列車(chē)中心廣播業(yè)務(wù)、列車(chē)緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、巡檢業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等新興業(yè)務(wù)亦對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的傳輸帶寬、時(shí)延及連接均提出了更高的需求。

城軌無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)需求主要包括:列車(chē)運(yùn)行安全/非安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)、維修類(lèi)業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù),如表1 所示[3]。 根據(jù)表中的各種業(yè)務(wù)特點(diǎn)來(lái)看,迫切需要搭建一個(gè)大帶寬、低時(shí)延、廣連接的高可靠車(chē)地?zé)o線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)。 而5G 技術(shù)恰逢其時(shí),單獨(dú)組網(wǎng)不僅可以綜合承載現(xiàn)有的所有業(yè)務(wù),還可以增加多路高清視頻,以及滿(mǎn)足更多業(yè)務(wù)的需求,既簡(jiǎn)化了新線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,同時(shí)也降低了維護(hù)的難度[4]。

表1 城軌專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)需求匯總

2 應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 無(wú)線(xiàn)技術(shù)制式比較

城軌專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要傳輸車(chē)地之間視頻、圖像、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音等業(yè)務(wù),所用技術(shù)制式種類(lèi)較多,主要有TETRA,WLAN,LTE-M,EUHT 等技術(shù),這些技術(shù)制式目前仍處于共存狀態(tài)。 TETRA 無(wú)法提供寬帶業(yè)務(wù);WLAN 技術(shù)雖然帶寬大,但抗干擾能力弱;LTE-M 技術(shù)雖然抗干擾能力強(qiáng),但在帶寬方面捉襟見(jiàn)肘。 它們單獨(dú)組網(wǎng)受限較大,無(wú)法滿(mǎn)足城軌的綜合承載需求,故常多網(wǎng)組合應(yīng)用[5]。 但是,即使多網(wǎng)組合應(yīng)用仍然不能滿(mǎn)足城軌業(yè)務(wù)的潛在大帶寬、低時(shí)延、廣連接的固有需求。 5G 技術(shù)不僅能滿(mǎn)足城軌業(yè)務(wù)的固有需求外,還有高可靠性,因此,5G 可以大展身手,“一網(wǎng)打盡”,綜合承載各項(xiàng)業(yè)務(wù)。 需要將城軌車(chē)地生產(chǎn)無(wú)線(xiàn)的各項(xiàng)具體業(yè)務(wù)匹配到5G 的應(yīng)用場(chǎng)景中。

2.2 承載業(yè)務(wù)場(chǎng)景歸類(lèi)

國(guó)際電信聯(lián)盟定義了5G 的三大應(yīng)用場(chǎng)景:增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)和海量機(jī)器類(lèi)通信(mMTC)。 下面針對(duì)三大場(chǎng)景將城軌業(yè)務(wù)進(jìn)行歸類(lèi)。

2.2.1 提升移動(dòng)寬帶,增強(qiáng)視頻業(yè)務(wù)

5G 的網(wǎng)絡(luò)速度是4G 的10 倍以上,用戶(hù)體驗(yàn)速率達(dá)到1Gbps,這是滿(mǎn)足超高清視頻傳輸業(yè)務(wù)的有力手段。 5G 將提供大帶寬(高速率)的移動(dòng)服務(wù),主要面向城軌3D/超高清視頻等應(yīng)用。 目前,城軌車(chē)輛CCTV,PIS 等業(yè)務(wù)的視頻以高清(1080P)為主,4K,8K 超高清視頻是繼視頻數(shù)字化、高清化之后的新一輪重大技術(shù)革新,是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 不僅是傳統(tǒng)的車(chē)輛CCTV、車(chē)輛PIS,新興的接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)、車(chē)輛走行部系統(tǒng)、集群調(diào)度視頻業(yè)務(wù)、巡檢等視頻相關(guān)業(yè)務(wù)都對(duì)超高清視頻有使用需求。 超高清源視頻實(shí)時(shí)傳輸容量巨大,5G 讓超高清視頻傳輸成為可能。

2.2.2 高可靠低時(shí)延,助力無(wú)人駕駛

目前4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最好只能做到20 ms,在5G 場(chǎng)景下,傳輸時(shí)延只有1 ms。 全自動(dòng)無(wú)人駕駛是城軌列控大勢(shì)所趨,城軌無(wú)人駕駛、列車(chē)緊急文本下發(fā)、乘客召援和對(duì)講業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)均對(duì)時(shí)延和可靠度異常敏感,它們迫切需要高可靠、低時(shí)延的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。 5G 帶來(lái)的超高可靠、低時(shí)延通信場(chǎng)景,能更好滿(mǎn)足全自動(dòng)運(yùn)行(FAO,無(wú)人駕駛)的無(wú)線(xiàn)通信需求。

2.2.3 萬(wàn)物互聯(lián)互通,奠基智慧運(yùn)維

5G 突破了人與人之間的通信,使人與機(jī)、機(jī)與機(jī)之間的通信成為可能。 5G 連接能力可以達(dá)到100 萬(wàn)連接/km2。 5G 技術(shù)讓城軌海量設(shè)施設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn),比如機(jī)電設(shè)備零部件和運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員全部接入網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)、智慧運(yùn)維[6]。

3 應(yīng)用障礙

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)具有技術(shù)難度大、前期投入大、研發(fā)周期長(zhǎng)及產(chǎn)業(yè)鏈龐大等特點(diǎn)。 參照基于 4G 的 LTE 專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)自 2011 年在神華鐵路線(xiàn)開(kāi)展試驗(yàn),歷時(shí)5 年多才在軌道交通行業(yè)逐步推廣。 因此,基于 5G 的城軌專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。 5G 專(zhuān)網(wǎng)應(yīng)用到城軌中亟須解決專(zhuān)用頻段、系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、低碳環(huán)保、綠色節(jié)能等一系列問(wèn)題[7-8]。

3.1 頻帶專(zhuān)用性

頻帶資源一直是城市軌道交通無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。 參照LTE-M,性能更優(yōu)越的基于5G 通信技術(shù)的車(chē)地?zé)o線(xiàn)系統(tǒng)需要申請(qǐng)專(zhuān)用頻點(diǎn),這樣可有效解決車(chē)地?zé)o線(xiàn)系統(tǒng)受到民用產(chǎn)品干擾的問(wèn)題。 但目前具體的針對(duì)城市軌道交通的頻帶分配方案尚未明確,并且分配給城軌行業(yè)專(zhuān)用頻寬的大小也是城軌車(chē)地業(yè)務(wù)高速率傳送能否實(shí)現(xiàn)的先決條件。

3.2 系統(tǒng)安全性

5G 是面向垂直行業(yè)和運(yùn)營(yíng)商深度融合的網(wǎng)絡(luò),在安全性方面主要采用非物理隔離的虛擬隔離技術(shù)措施來(lái)保證安全性和不同的服務(wù)等級(jí)要求,但5G 是否能夠滿(mǎn)足 CBTC 的要求還需進(jìn)一步研究。 此外,無(wú)線(xiàn)信號(hào)是開(kāi)放傳輸?shù)?由于無(wú)線(xiàn)接入的接入終端數(shù)量大幅增加,將對(duì)系統(tǒng)的信息安全帶來(lái)極大的壓力,要做好防護(hù)措施,以免重要的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備受到威脅和攻擊,對(duì)此還需要做深入的研究。

3.3 經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

5G 系統(tǒng)由于頻率的提高,無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸衰減也大大增加,5G 網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)密集部署的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò),在小基站、大規(guī)模天線(xiàn)陣列的接入設(shè)備部署上將會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)備投資,對(duì)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的維護(hù)和管理也大大增加了工作量。

此外,5G 網(wǎng)絡(luò)如何貫徹執(zhí)行節(jié)能減排、低碳環(huán)保的綠色發(fā)展理念,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗、高能效也不容忽視。

4 結(jié)語(yǔ)

5G 移動(dòng)通信技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn),如大帶寬、低時(shí)延、廣連接、高可靠,能彌補(bǔ)4G LTE 通信技術(shù)的諸多不足,為城軌無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐。 5G 技術(shù)方興未艾,將給軌道交通領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革。 相信在不久的將來(lái),5G 通信技術(shù)必將在城軌無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用,必將提高城軌運(yùn)營(yíng)的安全、效率和服務(wù)水平,進(jìn)而必將開(kāi)啟智慧城軌新時(shí)代。