5G網(wǎng)絡(luò)的地鐵車地?zé)o線綜合業(yè)務(wù)承載研究

王培東

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司，工程師，廣東 廣州 510335）

1 引言

隨著地鐵服務(wù)的多樣化，運(yùn)營(yíng)管理需求的不斷增加，對(duì)車地?zé)o線通信的穩(wěn)定性、安全性、傳輸帶寬等方面提出了更高要求，現(xiàn)有的地鐵車地?zé)o線通信系統(tǒng)對(duì)此存在差距。地鐵需要應(yīng)用最新無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的車地?zé)o線傳輸，同時(shí)綜合承載各種業(yè)務(wù)［1-2］，保證涉及地鐵運(yùn)營(yíng)的信號(hào)CBTC系統(tǒng)、數(shù)字集群通信、IMS（車廂視頻監(jiān)控）、PIS 等信息能實(shí)時(shí)、穩(wěn)定傳輸，保障地鐵安全運(yùn)行。

目前，地鐵車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)主要有陸地集群通信技術(shù)（TETRA）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、4G LTE、EUHT 等制式。這幾種制式除EUHT 和WLAN 外，或多或少都存在綜合業(yè)務(wù)承載傳輸帶寬不足的問題。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)在保證各業(yè)務(wù)傳輸可靠性即QoS方面也存在不足，具體問題如下：

1）由于WLAN 與很多民用設(shè)備一樣工作在公共開放頻段，民用設(shè)備可能會(huì)對(duì)地鐵的車地?zé)o線通信造成干擾，致使各業(yè)務(wù)的QoS無法保障。

2）對(duì)于不同QoS 的多種業(yè)務(wù)，WLAN 采用競(jìng)爭(zhēng)搶占機(jī)制調(diào)度資源，無法按照優(yōu)先級(jí)調(diào)度資源，造成資源浪費(fèi)，EUHT技術(shù)也存在相同問題。

3）LTE 的QoS 機(jī)制在優(yōu)先級(jí)、資源調(diào)度方面都優(yōu)于WLAN，但是LTE在傳輸多種業(yè)務(wù)時(shí)，隔離度不高，雖然現(xiàn)有系統(tǒng)采用以業(yè)務(wù)類型和（源/目的）IP 的多級(jí)QoS 策略傳輸業(yè)務(wù)，但不同業(yè)務(wù)的GBR 類型不同，且GBR 相同時(shí)也存在優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)仍很激烈，對(duì)各業(yè)務(wù)的QoS仍有影響。

鑒于此，為了改變現(xiàn)有車地?zé)o線通信系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、系統(tǒng)多、帶寬有限的現(xiàn)狀。結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)，本文提出將5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)用于地鐵車地?zé)o線通信系統(tǒng)的綜合業(yè)務(wù)承載中，從而提高車地?zé)o線通信系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性，保障地鐵安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)降低工程投資。

2 地鐵車地?zé)o線通信系統(tǒng)需求

2.1 數(shù)字集群通信系統(tǒng)在已建成的地鐵線路中，專用無線通信系統(tǒng)大多采用TETRA 組網(wǎng)，工作頻段在800～900 Mhz，因?yàn)門ETRA 數(shù)據(jù)的帶寬有限，所以需求的展開基本上都是基于語音調(diào)度。

2.2 信號(hào)CBTC 系統(tǒng)信號(hào)車地?zé)o線通信系統(tǒng)應(yīng)采用AB 雙網(wǎng)冗余備份，且兩張網(wǎng)分別采用不同的頻段，實(shí)現(xiàn)雙頻段冗余覆蓋，以防單網(wǎng)故障影響信號(hào)系統(tǒng)車地信息交換，給軌旁及車載的信號(hào)設(shè)備提供實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的車地?zé)o線服務(wù)［3-4］。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有信息安全策略，即網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具多方式和多層次訪問控制機(jī)制。

2.3 PIS 及IMS 車輛視頻監(jiān)控?zé)o線業(yè)務(wù)需求根據(jù)現(xiàn)階段地鐵列車監(jiān)控?cái)z像頭的設(shè)置要求，單列6節(jié)編組的列車需要布置14個(gè)高清監(jiān)控?cái)z像頭，每路高清監(jiān)控視頻大約需要8 Mbps 的流量帶寬，整列車的視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)上傳至少需要112 Mbps 左右的車地上傳帶寬［5-6］。

2.4 地鐵車地?zé)o線通信各業(yè)務(wù)QoS要求見表1。

表1 每列地鐵列車車地?zé)o線通信各業(yè)務(wù)的QoS要求

3 5G網(wǎng)絡(luò)切片及相關(guān)技術(shù)

由表2 可知5G 網(wǎng)絡(luò)具有帶寬高、時(shí)延低、可靠性高、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，利用5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以將多種車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)放在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)之中融合考慮，并且提供給不同類型業(yè)務(wù)以不同等級(jí)、可定義的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)的理念，其本質(zhì)是將網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)、處理、計(jì)算、存儲(chǔ)功能看作是一種可靈活分配的資源，而不是固定的物理屬性。5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)提供了端到端、多種靈活手段、“邏輯+物理”的多種QoS 保障能力，保證了地鐵無線車地通信多種業(yè)務(wù)的傳輸需求，下面介紹網(wǎng)絡(luò)切片的基本技術(shù)。

表2 主要無線通信技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

3.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 技術(shù)由于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面緊耦合的缺點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)一旦被部署，基站、交換機(jī)以及路由器的網(wǎng)絡(luò)功能就被固化在其中，無法滿足5G 對(duì)于多樣化的業(yè)務(wù)需求。SDN 將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，解決了新業(yè)務(wù)部署難題，極大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性，SDN 的控制器也可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集中式邏輯控制。

3.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV 技術(shù)NFV 技術(shù)是將具體的網(wǎng)絡(luò)功能與昂貴的專用硬件平臺(tái)解耦，將網(wǎng)絡(luò)功能使用軟件模塊實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行封裝、運(yùn)行于虛擬機(jī)之中，再使用基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的商用服務(wù)器平臺(tái)對(duì)這些虛擬機(jī)進(jìn)行承載，最終在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)軟件進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)處理，硬件進(jìn)行底層數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 5G 網(wǎng)絡(luò)的CU/DU 架構(gòu)為在5G 網(wǎng)絡(luò)中部署虛擬功能模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，通過對(duì)現(xiàn)有基帶處理單元BBU 進(jìn)行拆分，使其分為聚合單元CU 和分布式單元DU 兩個(gè)功能實(shí)體。CU 負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)性要求不太高的業(yè)務(wù)，DU 則負(fù)責(zé)物理層和實(shí)時(shí)性要求高的底層功能，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的集中式控制和分布式處理。

將NFV 技術(shù)應(yīng)用在5G 切片網(wǎng)絡(luò)中，在硬件資源池上，CU/DU 架構(gòu)能夠集中實(shí)現(xiàn)高層的虛擬功能，有利于降低能耗節(jié)省開支。另外，配合SDN 控制器，可以實(shí)現(xiàn)不同功能組件之間的靈活調(diào)度、統(tǒng)一控制，最終形成5G 網(wǎng)絡(luò)切片以滿足多業(yè)務(wù)需求。

3.4 切片內(nèi)Vxlan 通信機(jī)制5G 切片之間需要實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，以滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性的要求。目前，主流的網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)是虛擬局域網(wǎng)VLAN 技術(shù)，但該技術(shù)無法滿足多業(yè)務(wù)切片的區(qū)分隔離需求。因此，研究人員提出使用虛擬化可擴(kuò)展局域網(wǎng)Vxlan 來代替現(xiàn)有的VLAN技術(shù)。

4 基于5G網(wǎng)絡(luò)切片的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 頻段選擇基于5G 通信技術(shù)的車地?zé)o線系統(tǒng)需要申請(qǐng)專用的頻點(diǎn)，以免被其他民用無線網(wǎng)絡(luò)干擾。為降低工程成本，減少區(qū)間覆蓋密度，有如下低頻段可用：1 427～525 MHz、3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz 和4 800～4 990 MHz 這4 個(gè)主要頻段。由于1 427～1 525 MHz 頻段，目前已被大量使用，故建議基于5G網(wǎng)絡(luò)切片的地鐵車地?zé)o線系統(tǒng)使用3 300～3 400 MHz 和4 400～4 500 MHz 2 個(gè) 頻段。

4.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)渲校谲囌菊緩d、站臺(tái)、設(shè)備區(qū)和出入口采用室內(nèi)AAU 覆蓋，車輛段和隧道區(qū)間采用室外AAU 覆蓋，在車站設(shè)置CU/DU，并通過傳輸提供的光纖鏈路，與設(shè)置在中心的核心網(wǎng)相連。中心的核心網(wǎng)設(shè)備通過接口服務(wù)器，與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)連接，完成各應(yīng)用系統(tǒng)在該網(wǎng)上的運(yùn)行。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用AB 雙網(wǎng)方案，完全滿足信號(hào)CBTC 車地傳輸?shù)男枨螅瑫r(shí)，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，兩張網(wǎng)承載業(yè)務(wù)時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，采取分?jǐn)傌?fù)載方式，對(duì)AB 雙網(wǎng)的核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、接入網(wǎng)進(jìn)行切片，并針對(duì)切片承載業(yè)務(wù)分配不同等級(jí)和類別的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。其中，A 網(wǎng)承載信號(hào)CBTC 業(yè)務(wù)切片、數(shù)字集群系統(tǒng)業(yè)務(wù)切片和PIS業(yè)務(wù)切片，B 網(wǎng)承載信號(hào)CBTC 業(yè)務(wù)切片和IMS 業(yè)務(wù)切片。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

如圖2 所示，通過將底層物理基站和無線頻譜資源切片化，可以創(chuàng)建4 個(gè)不同業(yè)務(wù)(信號(hào)CBTC、數(shù)字集群系統(tǒng)、PIS、IMS 等)的虛擬基站。整個(gè)車地通信綜合承載系統(tǒng)的資源管理功能由4個(gè)虛擬切片網(wǎng)絡(luò)控制器和一個(gè)系統(tǒng)管理程序(Hypervisor)實(shí)現(xiàn)。虛擬切片網(wǎng)絡(luò)控制器主要用于調(diào)度和確定用戶QoS需求以及報(bào)告用戶QoS 需求給Hypervisor 程序。Hypervisor 管理程序的功能是建立底層物理資源和虛擬切片網(wǎng)絡(luò)之間的邏輯關(guān)系。它不僅要負(fù)責(zé)物理基站的切片化，還要根據(jù)不同的QoS 需求和切片網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆答佇畔⒇?fù)責(zé)虛擬資源的分配到不同的切片網(wǎng)絡(luò)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)構(gòu)圖

5 總結(jié)

本文針對(duì)目前地鐵車地?zé)o線通信中業(yè)務(wù)系統(tǒng)獨(dú)立部署存在的不足研究提出利用5G大帶寬、低時(shí)延和切片化等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)通過一張無線網(wǎng)絡(luò)融合信號(hào)CBTC、數(shù)字集群系統(tǒng)、PIS、IMS 等多種業(yè)務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)保證各系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，為未來實(shí)現(xiàn)地鐵列車全自動(dòng)駕駛和車車通信創(chuàng)造了更多可能。