5G移動通信新技術在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應用

文：趙海軍，胡海建，田玲，王開強，曾宇溪丨西門子交通中國

近年來，我國深入實施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”建設進入快車道，各種應用場景不斷拓展，出現(xiàn)了遠程設備操控、現(xiàn)場輔助操作、產品質量檢測等典型場景。本文就5G新技術結合軌道交通信號系統(tǒng)應用的特點，打破通信帶寬與時延的瓶頸，為5G移動通信技術在城市軌道交通信號系統(tǒng)的應用提供了整體的解決方案。

一、城市軌道交通信號系統(tǒng)的通信模型和現(xiàn)狀

城市軌道交通信號系統(tǒng)通常由列車自動控制系統(tǒng)(ATC)和聯(lián)鎖系統(tǒng)組成，ATC系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，簡稱ATS）；列車自動防護子系統(tǒng)（Automatic Train Protection，簡稱ATP），列車自動運行系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡稱ATO），三個子系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)通過信息交換網(wǎng)絡構成閉環(huán)系統(tǒng)。實現(xiàn)地面控制與車載控制相結合?，F(xiàn)地控制與中央控制相結合。

其通信模型如圖1所示。

圖1 城市軌道交通信號系統(tǒng)通信模型

從結構上看，信號系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡可以分為三部分，如表1所示。

（一）城市軌道交通信號通信系統(tǒng)與5G移動通信的“融合”

在國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中提出：“加快構建基于5G的應用場景和產業(yè)生態(tài)，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧醫(yī)療等重點領域開展試點示范?！薄皥猿止?jié)能優(yōu)先方針，深化工業(yè)、建筑、交通等領域和公共機構節(jié)能，推動5G、大數(shù)據(jù)中心等新興領域能效提升，強化重點用能單位節(jié)能管理，實施能量系統(tǒng)優(yōu)化、節(jié)能技術改造等重點工程，加快能耗限額、產品設備能效強制性國家標準制修訂。”

由中國城市軌道交通協(xié)會出版的《中國城市軌道交通發(fā)展戰(zhàn)略與“十四五”發(fā)展思路》的研究報告中指出，城市軌道交通發(fā)展要適應新時代的態(tài)勢特征。依托5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術推動整個城市軌道交通行業(yè)的數(shù)字化轉型、智能化發(fā)展。從協(xié)會層面，對5G移動通信系統(tǒng)在軌道交通領域的應用提出了明確的方向。5G通信技術自應用以來，在工業(yè)領域內有了很多的積累。主要利用了5G的增強型移動寬帶(eMBB, enhanced Mobile Broad Band)，超可靠低時延通信(uRLLC ultra-Reliable Low Latency Communications)和大規(guī)模機器類型通信(mMTC, massive Machine Type Communications)的能力，實現(xiàn)工業(yè)生產的轉型。

表1 信號系統(tǒng)的通信參數(shù)

同樣在軌道交通行業(yè)中的信號系統(tǒng)專業(yè)，5G也能發(fā)揮其技術優(yōu)勢。將打破蜂窩移動通信帶寬與時延以及安全的瓶頸。為城市軌道交通信號系統(tǒng)的全方位“無線化”提供了可能。

1.與5G SNPN融合建立獨立的5G承載網(wǎng)絡。3gpp的R16版本提出了新的5G應用概念NPN（Non-public Network，非公用網(wǎng)絡）應用模式。同時為這種應用模式，提出了兩種部署方式。

·SNPN（Standalone NPN，獨立NPN）獨立部署。指企業(yè)獨立部署一張包括核心網(wǎng)、UPF、MEC、gNB等所有網(wǎng)元的5G專網(wǎng)。在獨立部署模式下，5G專網(wǎng)可以與運營商5G公網(wǎng)完全隔離，從而可保障企業(yè)內的設備信息、控制面信令流量、用戶面數(shù)據(jù)流量等都不會出工廠，保障企業(yè)數(shù)據(jù)絕對安全，以及網(wǎng)絡最低時延。

·PNI-NPN（Public network integrated NPN，公共網(wǎng)絡集成NPN）。共享部署，也叫“公網(wǎng)專用”。其根據(jù)與公網(wǎng)共享程度不同分為“與公網(wǎng)完全共享”和“與公網(wǎng)部分共享”。與公網(wǎng)完全共享，指5G專網(wǎng)完全共享5G公網(wǎng)端到端資源，通過切片技術為企業(yè)客戶提供“虛擬專網(wǎng)”。與公網(wǎng)部分共享，指5G專網(wǎng)與5G公網(wǎng)之間共享gNB，或者共享gNB和核心網(wǎng)控制面（CP），企業(yè)專網(wǎng)內部部署核心網(wǎng)用戶面（UPF）和MEC。

這兩種模式都可以實現(xiàn)端到端的資源隔離，為垂直行業(yè)提供專屬接入網(wǎng)絡，保障垂直行業(yè)客戶資源獨享。他們的區(qū)別在于是否依賴于PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動網(wǎng)絡）提供的網(wǎng)絡功能。

對軌道交通信號系統(tǒng)應用來說，SNPN的部署模式更能滿足信號系統(tǒng)對安全性、可靠性、抗干擾能力等特性的高要求。

2.SNPN的工作原理。如圖2所示，獨立部署的SNPN，用PLMN ID和NID（NID：網(wǎng)絡標識）的組合來進行標識，PLMN運營商可以使用其分配到的PLMN ID加上NID來區(qū)分各個專網(wǎng)，或者使用為專網(wǎng)預留的PLMN ID。

UE初始注冊時，會將所選擇的標識發(fā)給RAN，RAN將標識的發(fā)給AMF。與母SNPN簽約，簽約信息包括了UAC（Unified Access Control，統(tǒng)一接入控制）信息，簽約后的UE才能夠被允許接入的此SNPN網(wǎng)絡中。在UE沒有簽約或者網(wǎng)絡擁塞時，SNPN可以阻止UE接入，以永久防止該UE自動選擇并向同一SNPN注冊。

圖2 SNPN工作原理圖

如果已在SNPN注冊的UE，有需要訪問PLMN網(wǎng)絡時，可以通過N3IWF（Non-3GPP Inter-working Function：非3GPP互操作功能）訪問PLMN的服務。這時，此UE也需要同時向PLMN注冊。

SNPN對于PLMN來說，相當于非可信non-3GPP接入。SNPN選擇的終端用戶就不能成為PIMN選擇的終端用戶，反之也是一樣的。也就是一個終端或者接入公共網(wǎng)，或者接入專用網(wǎng)，無法同時接入兩者。這就既保證了系統(tǒng)通信的封閉性，同時也為部分需要接入到系統(tǒng)以外的網(wǎng)絡的用戶（智能運維等）提供了便利。

3.與5G LAN的融合，降低工程難度。同時3GPP在R-16階段也定義了5G LAN技術。5G LAN即是在5G網(wǎng)絡上構建局域網(wǎng)類型服務（5G LAN-type service）的技術，可以為特定終端組提供IP類型或者以太網(wǎng)類型的通信服務。能夠向客戶提供提供與局域網(wǎng)（LAN）和VPN相似的組網(wǎng)服務，并保持5G高性能、遠距離接入、移動性和安全性的特有能力。

在軌道交通信號系統(tǒng)中，聯(lián)鎖站之間，聯(lián)鎖站與軌旁設備之間設備面臨著線纜移動性限制、光纖鋪設成本高等不足。使用5G LAN功能能夠使聯(lián)鎖站之間，聯(lián)鎖站與軌旁設備之間擺脫光纖的束縛，使系統(tǒng)設計、安裝更簡單。同時將大大節(jié)省成本。

5G LAN標準定義了兩種類型的服務模型，一種使利用交換機支持的非漫游用戶面架構，一種是利用參考點N19支持的非漫游用戶面架構。N19是兩個UPF之間的參考點，用于直接路由不同PDU會話之間的流量和5G局域網(wǎng)服務。通過UPF組網(wǎng)提供點到點、點到多點通信。如圖3所示。

在此模型的基礎上，針對以太網(wǎng)的應用模型，如圖4所示。對于用戶終端設備可以通過交換機接入，也可以直接通過5G接入終端接入；或者與開發(fā)具有5G接入功能的新產品直接接入。

圖3 5G LAN通信模型

圖4 5G LAN的以太網(wǎng)接入模型

二、城市軌道交通信號系統(tǒng)的5G通信模型初探

（一）5G SNPN組網(wǎng)替代LTE-M組網(wǎng)構建新一代的安全網(wǎng)絡。

5G SNPN組網(wǎng)模型，依托5G的三大應用特性，替代目前主流的信號系統(tǒng)的承載網(wǎng)絡LTE-M和WIFI網(wǎng)絡，不僅能夠實現(xiàn)可靠的連接，同時結合網(wǎng)絡切片和切頻技術，能夠在同一張網(wǎng)絡中實現(xiàn)諸如視頻傳輸，智能運維，大數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鼜V，更大流量承載任務。而目前使用的主流的承載網(wǎng)絡，從未來的軌道交通全面發(fā)展的態(tài)勢來看，存在一些需要改進的地方，主要有：

·帶寬資源不足，根據(jù)LTE-M軌道交通城市軌道交通標準，CBTC需要5M以上帶寬，綜合承載需要15M帶寬。共20M的頻帶資源，而這些資源是與電力、石油等專業(yè)用戶共享使用的。特別是在地面、高架等區(qū)域將面臨申請頻段難以滿足的局面。這種局面在部分城市軌道交通線路中已經存在。隨著智能運維系統(tǒng)以及高清流媒體等對實時性的需求，如果這些業(yè)務采用LTE-M承載的話將面臨帶寬不夠的情況。重新建設其他類型的無線網(wǎng)絡，無疑會增加成本投入。

·抗干擾能力不強，部分軌道交通線路使用2.4GHz/5.8GHz的WIFI，同時由于其工作在開放性的ISM頻段下，其信道存在很大的干擾，特別在露天區(qū)域干擾問題尤為突出。

·網(wǎng)絡時延較高，LTE網(wǎng)絡和WIFI網(wǎng)絡的整體時延要高于5G移動通信網(wǎng)絡。

5G局域網(wǎng)替代光纜將站間設備、車站與地面設備互聯(lián)。在5G SNPN組網(wǎng)的推動下，將聯(lián)鎖控制設備“下沉”與軌旁系統(tǒng)平臺“上浮”，構建全新的云端-地端信號系統(tǒng)通信網(wǎng)絡模型。如圖5所示。

圖 5 基于5G局域網(wǎng)和5G SNPN網(wǎng)絡的信號系統(tǒng)通信模型

聯(lián)鎖控制設備“下沉”指的是將以前部署在設備房中的轉轍機，信號機，軌道區(qū)段控制設備下沉至被控原件的旁邊。軌旁計算機系統(tǒng)平臺“上浮”指的是將聯(lián)鎖計算機和ATP計算機平臺上浮至中央監(jiān)控層。聯(lián)鎖控制設備“下沉”的好處包括：

·減少集中站設備房的占地面積，機柜數(shù)量以及值班人員數(shù)量，節(jié)省投資成本和運營成本。

·下沉使控制設備與被控元件融合。使用5G與聯(lián)鎖平臺進行數(shù)據(jù)交換，節(jié)約了光、電纜成本以及電纜敷設，以及長期維護的人員和耗材成本。節(jié)省運營成本，提高經濟效益。

·控制設備下沉大大降低了設備故障的影響面。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)如果發(fā)生元件控制計算機故障，那么將會影響到元件控制計算機控制區(qū)內軌道元素的正常工作，嚴重影響了運營效率?？刂圃O備下沉，單個的故障僅僅影響到一個軌道元素的工作，不會造成大面積的故障。

·下沉的控制終端智能化小型化，同時借助5G數(shù)字基礎設施，可以支持原生運維數(shù)據(jù)上傳和接受遠程管理。

軌旁系統(tǒng)平臺“上浮”的優(yōu)勢包括：

·計算機平臺上浮，減少聯(lián)鎖站設備房的占地面積，機柜數(shù)量以及減少值班人員數(shù)量，節(jié)省投資成本和運營成本。

·計算機平臺上浮集中至中央控制中心，方便設備管理和維護，增強系統(tǒng)故障的響應速度和處理效率。

·計算機平臺上浮，集中部署。將推動功能“軟件化”“開放化”，采用云服務器部署。使硬件設備類型更加統(tǒng)一，更容易形成規(guī)?；档蛶齑媪?，提高經濟效益。

（二）前瞻性研究和應用

1. 5G+智慧軌道交通項目-基于云計算的下一代信號系統(tǒng)。西門子交通基于新型通訊模型推出了基于云計算的下一代信號系統(tǒng)，即“云信號”（圖6）?；舅悸肥菍⑿盘栂到y(tǒng)向兩端轉移，省去了傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的中間部分。一端將原部署在集中站的工業(yè)計算機上的聯(lián)鎖和ATP系統(tǒng)虛擬化，轉移至云平臺的商用服務器上的安全應用，另一端將原來部署在設備站的元件控制計算機高度集成，前移至軌行區(qū)設備旁，稱目標控制器xCM，通過5G通道直接與云端的聯(lián)鎖安全應用通訊。ATC列車部分也通過5G高帶寬通道與云端ATP安全應用通訊，該5G車地通道同時也承載了海量的設備運維數(shù)據(jù)下傳?！霸菩盘栂到y(tǒng)”為在城軌云平臺上建設智能運維生態(tài)，進而實現(xiàn)“信號即服務”的全新模式奠定了基礎。

圖 6 西門子基于云計算的下一代信號系統(tǒng)

2.5G+智慧軌道交通項目-基于5G的城軌云。在5G的增強型移動寬帶(eMBB, enhanced Mobile Broad Band)，超可靠低時延通信(uRLLC ultra-Reliable Low Latency Communications)和大規(guī)模機器類型通信(mMTC, massive Machine Type Communications)的能力下，基于5G的城軌云新局面被打開。城軌云層分生產、運營和維護三部分，基礎設施層的海量安全或非安全數(shù)據(jù)與云層的互動可通過5G承載網(wǎng)得以實現(xiàn)，其中的信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)，在西門子云信號系統(tǒng)的加持下得以實現(xiàn)上云。

圖7 基于5G 的城軌云