基于5G與V2X的智能有軌電車無線通信系統設計及性能測試

李永波，羅釗，劉剛，韓熠，楊輝，馬征，王小敏，任曉春

有軌電車作為一種介于地鐵與公交之間的客運交通方式,在環保、經濟和運量方面都具有一定優勢,得到各地政府的大力支持。據不完全統計,全國各地有軌電車規劃總里程已經超過5 000 km［1］,進入5G時代后,更多智能業務和技術將被集成到有軌電車中,如自動駕駛、實時監控、邊緣計算等,實現有軌電車高智能、高效率、高可靠行車是城軌交通的主要發展方向。

無線通信系統是有軌電車控制系統的重要數據鏈路,負責支撐有軌電車的多種重要運營業務。當前正在使用的主流通信技術有:基于McWiLL的自建網絡、TETRA+WLAN和TD-LTE。自建McWiLL無線通信系統的初期投資較高,后期運營維護的開銷較大,難度較高；TETRA+WLAN技術的工作頻段為開放頻段,容易受到民用Wi-Fi的影響而引起通信中斷；相較WLAN技術,TD-LTE技術提高了系統的移動性和穩定性［2］,能夠滿足現階段有軌電車業務需求,但隨著通信系統智能化的推進和運營業務的不斷增加,TD-LTE技術在帶寬資源方面也將面臨巨大挑戰。

考慮以上幾種通信技術的局限性,本文設計了一種基于5G和LTE-V2X技術的智能有軌電車無線通信系統,能夠在2種通信技術間智能切換:當SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio,信號與干擾加噪聲比）和RSRP（Reference Signal Receiving Power,參考信號接收功率）達到預定閾值時,優先選擇5G通信；低于閾值時,主動切換到LTE-V2X模式,通過PC5口進行車車通信和車地通信。本文還通過實地測試對無線通信系統的5G和LTE-V2X通信性能進行測試和分析。

1 5G和V2X技術的重要特征

1.1 5G技術特征

不同于傳統的移動通信技術,5G是一種多技術集成的廣域無線通信技術,超高頻率和超大頻寬使5G的傳輸速率可以達到傳統LTE技術的10倍以上；通過對物理層和網絡層的優化,5G獲得了更低的網絡時延和更可靠的通信質量,特定場景下連接時延可達到1 ms級別,準確度達到99.999%；5G利用網絡虛擬化、云計算、軟件定義網絡等技術,構成海量物聯網絡,能夠滿足車聯網、VR（虛擬現實）、高清監控視頻、智能交通等多種業務需求。

將5G應用到有軌電車無線通信系統中,將會帶來多方面性能的提升:豐富的帶寬資源和更高的傳輸速率可有效提升乘客業務質量；高可靠、低時延的特征可在保證運營安全性的同時提高車地通信的及時性；而海量物聯的特點可為有軌電車綜合維護網絡的建設創造條件［3］。

5G技術在運營商服務領域已經得到基本普及和應用,但在城軌交通中仍未成熟,專用頻段尚未制定。以租用運營商5G網絡為前提,已有學者提出一些方案設計:如通過結合邊緣計算和運營商5G公網,使有軌電車終端設備支持運營商的5G網絡服務,并實現有軌電車本地數據上傳到邊緣服務器的信息分流［4］；另一種方案是只租用運營商建設的5G公網,使有軌電車的車載臺和手持臺等終端直接接入5G公網,運營商為有軌電車設置專用網絡切片（包括核心網、傳輸網、接入網）,以確保滿足有軌電車無線通信業務需求［5］。本文將采用接入運營商網絡的方式,為車載和軌旁設備提供5G數據通道。

國內各大城市也在不斷推進有軌電車在5G方面的建設。2019年5月,西安高新區制定了《西安高新區5G基站建設推進工作方案》,成立5G基站建設工作專班,計劃建設5G網絡全覆蓋的高新區首條有軌電車線路；2019年底,亦莊新城現代有軌電車在經開區建設5G標準基站超200個,基本實現5G網絡全域覆蓋,并聚集多家5G產業鏈上下游企業,完善多種產業需求；2021年1月,中國移動嘉興分公司通過篩選弱覆蓋區域進行增補微站,使嘉興有軌電車T1和T2線5G無線覆蓋率超過98%,5G時長 駐 留比 為100%［6］；2021年初,南海區有軌電車5G示范段工程項目也正式動工。

1.2 V2X技術特征

V2X車聯網技術是指通過通信和傳感等智能技術,對人、車、路旁的基礎設施的狀態信息進行感知、傳輸、計算,提取并有效利用,實現對交通系統的監管,從而提升道路的通行能力,保證人們的生命和財產安全,同時也為自動駕駛提供技術支持［7］。

V2X技術在城市交通領域已經較為成熟,在軌道交通中也被證明具有一定的可行性:基于車車無線通信建立了以列車為中心的新型CBTC系統,并通過仿真系統驗證了其對系統AoI（Age of Information）性能的提升［8］；同時考慮無線通信系統的誤碼率和傳輸速率,對其性能進行評估,證明V2X技術在列車控制系統中具有一定的可用性［9］；利用車車通信技術實現列車本地數據的接觸感知類數據卸載,有效提升了系統計算資源的利用率和處理能力［10］；在列車站前折返和站后折返模式下,將不同通信技術支持的列控系統的折返能力進行仿真比較,基于車車通信的列車折返能力明顯更優［11］；將V2X無線電系統運用到有軌電車與自動駕駛汽車中,并通過實地測試證明,在岔口實現有軌電車或自動駕駛汽車與社會車輛的高可靠通信具有一定的可行性［12］。

本文所采用的車用通信技術是基于LTE演進形成的LTE-V2X技術,其標準中有2種空中接口:Uu口是負責車輛與基站之間蜂窩通信的接口,類似LTE,能夠提供大帶寬和廣覆蓋的數據通信；PC5口負責車輛之間的短距離無線電通信,其特點為低時延和高可靠性。針對有軌電車復雜的道路環境,如彎道遮擋和道岔路口,本文在LTE-V2X技術的基礎上提出2種優化協議,對通信環境進行改善。將LTE-V2X應用到有軌電車無線通信系統中,可以實現電車與相關實體之間的位置、速度等信息的準確交互。同時,蜂窩網通信中斷或軌旁設備損壞時,LTE-V2X無線通信可以維持通信系統正常運行,增強通信系統的容錯能力。

2 傳統有軌電車信號系統及通信系統

根據《有軌電車信號系統通用技術條件》（CJ/T539-2019）的定義,有軌電車信號系統主要由中心調度管理系統、正線道岔控制系統、車載控制系統、平交路口信號控制系統和信號維護監測系統構成［13］,信號系統之間的數據通道由骨干網和無線通信系統共同構成。有軌電車的通信系統不斷發展升級,除基本的有線數據傳輸和車地無線通信外,還包括多種乘客服務和系統維護需求,如:亦莊新城有軌電車通信系統包括時鐘系統、電話系統、廣播系統、視頻監控系統、乘客信息系統、網絡管理系統、維修及培訓系統；江蘇省有軌電車規范則要求包括傳輸系統、無線通信系統、公專電話系統、閉路電視監控系統、廣播系統、時鐘系統、電源及接地系統和乘客信息顯示系統［14］；南京有軌電車工程一號線則包括通信傳輸系統、專用/公務電話系統（公專合一）、無線通信系統、時鐘系統、信息網絡系統、閉路電視監視系統、廣播系統、乘客信息顯示系統、綜合調度監控系統、電源及防雷接地系統和通信線路［15］。

無線通信系統是有軌電車車地通信的重要保證,其總體架構如圖1所示,由車載控制系統、中心控制系統和軌旁控制系統共同構成。

圖1 有軌電車無線通信系統總體架構

1）車載控制系統。分別利用速度傳感器和道路信標對電車的行駛速度和位置信息進行實時監控,并通過全線覆蓋的無線通信通道將電車的行駛狀態反饋給控制中心和聯鎖系統。

2）軌旁控制系統。由正線道岔系統和聯鎖系統2部分組成。正線道岔系統能夠監測有軌電車位置、辦理進路和控制信號機,避免電車在岔區發生側沖和碰撞。聯鎖系統在電車進入道岔區域時,負責處理電車發送過來的進路請求,根據請求建立進路并進入鎖閉狀態,保證正線道岔系統不會發生異動。聯鎖系統還可以將軌旁設備狀態和進路狀態通過骨干網發送到中心控制系統,協助中心實現遠程操作。

3）中心控制系統。負責監控整條線路的電車和軌旁設備的運行狀態,根據路況和司機請求,利用軌旁設備遠程辦理進路或更新運行計劃；同時能夠通過聯動乘客導向系統和視頻監控等弱電系統,將傳統行車調度升級為綜合調度。

以成都蓉2號線有軌電車為例,系統通過自建TD-LTE的方式構建無線網絡,平均帶寬要求大于10 Mbps（30%帶寬裕量）,優先滿足車地各類信息流對帶寬的需求,實現車載實時語音、數據及視頻傳輸。有軌電車車地通信業務指標見表1。

表1 有軌電車車地通信業務指標［16］

3 智能有軌電車無線通信系統設計

3.1 系統架構及功能

智能有軌電車無線通信系統仿真模型見圖2,主要包括:中心控制單元、軌旁控制單元、區間設備和車載控制單元。

圖2 有軌電車無線通信系統仿真模型

車載控制單元由實物DMI（Driver-Machine Interface,人機接口）和車載仿真ELSSIM（Enhanced Localization System Simulation,加強型定位系統）組成,通過5G<E-V2X通信模塊接入5G網絡,與控制中心進行車地通信,從而實現電車定位。中心控制單元由實物中心服務器和軌旁設備仿真OLCSIM（Optimize Level-crossing Control Simulation,路口優先控制系統）組成（由于仿真環境限制,初步仿真模型中將軌旁設備系統集成到中心控制系統中）,中心控制系統通過5G<E-V2X模塊接入5G網絡,進行遠程調度和監控,軌旁設備則利用通信模塊的PC5口與有軌電車進行無線通信。

智能有軌電車無線通信系統能夠為各業務數據提供高速率、高可靠、高容錯、低時延的數據通道,實現有軌電車的智能調度和高效運營。①實現車載與調度中心的車地通信,包括車載到中心的定位功能:DMS（Dispatching Management System,中心調度管理系統）的系統顯示界面能夠查看相應的車次窗,且能夠隨著電車移動發生相應變化,并實時檢測5G環境質量；②實現中心到車載的車控信息傳遞功能:將車段附近其他電車的車次號、軌旁設備信號燈位變化等信息發送到車載DMI,使司機能夠實時掌握道路情況,輔助司機駕駛；③實現車載到軌旁OC的路口請求通信功能:DMS顯示電車附近相應路口的信號燈,根據電車相對位置,觸發路口優先請求,由禁止轉為通信狀態；④實現車車通信功能:實現前、后車的速度、位置等數據的交互,后車DMI顯示前車的速度以及至前車的距離,當車距小于安全距離時會強制實施緊急制動,保證行車安全。在系統故障和脫離5G環境時,可由LTE-V2X通信替代5G通信,實現上述功能,并保證通信質量。

3.2 集成5G與LTE-V2X的智能網關設計

在智能有軌電車無線通信系統模型中,5G<E-V2X智能網關將所有系統接入5G網絡,并提供LTE-V2X無線通信功能,是此系統的核心技術。智能網關可以根據數據類型和通信需求,選擇Uu口或PC5接口進行數據通信,同時實時檢測Uu口通信指標。當不具備可靠通信環境時,自動切換到PC5口進行無線電通信。同時,還可以提供GNSS（Global Navigation Satellite System）定位信息,實現基站同步和衛星授時同步,從而有效提高LTE-V2X通信的準確性。網關具備丟包重傳和中繼轉發2種優化協議,在遮擋環境或不具備同步條件時,可有效提高PC5口的通信可靠性。

4 PC5口性能優化

LTE-V2X的廣播頻段在5.9 GHz,高頻傳輸技術的局限性導致PC5口通信的穿透力極弱,建筑物和路口轉角的遮擋都會產生極大影響。由于LTE-V2X系統采用單載波頻分復用技術,對同步誤差十分敏感,若特定環境下LTE-V2X系統不能進行精準同步,會對性能產生惡劣影響。針對遮擋環境和同步誤差的問題,本文對LTE-V2X的PC5口進行性能優化,設計了丟包重傳和中繼轉發2種優化協議,并在實地測試中對LTE-V2X的無優化直傳、丟包重傳、中繼轉發和重傳&轉發4種模式下的通信性能進行比較分析。

4.1 無優化直傳模式

發送端以100 ms的間隔發送200個數據包,接收端每收到一個包就統計收包個數并發送反饋包。發送端根據發包時間和反饋包收包時間統計時延,接收端統計丟包率。此過程不會根據丟包率判斷是否重發,只進行單一的發、收包和統計操作。具體流程見圖3。

圖3 無優化直傳模式流程

4.2 丟包重傳模式

無優化直傳模式的性能存在波動,容易受到環境變化的影響,考慮增加丟包嚴重情況的檢測機制:每個數據包都會被標記ID,接收端收到數據包后將收到的包ID回傳給發送端,發送端通過比較收包ID與發包ID來判斷是否丟包。此判斷過程以100 ms為一個間隔,丟包則重傳,成功則繼續發下一個包。具體流程見圖4。

圖4 丟包重傳模式流程

4.3 中繼轉發模式

為了降低建筑物遮擋造成的通信損耗,在拐角阻擋通信處增加一個轉發單元B。B與發送端A和接收端C的通信環境無阻擋,避開障礙物對通信的阻斷,保障通信順暢。由于增加了轉發過程,時延會相對增大,具體流程見圖5。轉發過程中涉及4類消息:A發送到B為類型1、B發送到A為類型4、B發送到C為類型2、C發送到B為類型3。由于LTE-V2X是廣播方式通信,A、B、C端都可以收到通信范圍內所有類型的消息,通過B端轉發類型1和類型3,A只能收到類型4消息,C只能收到類型2消息的方式,實現了中繼轉發功能。

圖5 中繼轉發模式原理圖

4.4 重傳＆轉發模式

重傳＆轉發模式在中繼轉發功能的基礎上增加了丟包重傳功能。經測試驗證,該模式能夠極大地提高通信的準確性,是4種模式中通信準確性最優的一種,既能通過重傳降低丟包率,也可以通過中繼轉發避開遮擋對通信的阻礙。由于存在轉發過程,與單轉發模式的時延大體一致。

經過仿真測試驗證:4種通信模式中,無優化直傳模式由于沒有附加功能,性能最差；重傳模式則是通過丟包重傳功能降低無遮擋環境下的丟包率；中繼轉發模式通過增加RSU轉發的方式避免了障礙物對通信的阻斷；重傳＆轉發模式既可以通過重傳降低丟包率,又可以通過RSU轉發避開障礙物,性能最優。

5 測試方案與結果分析

由于既有有軌電車線路不方便進行智能板卡的部署和測試,因此選用公路車載來模擬有軌電車運行場景。測試內容主要有:直線無遮擋環境下LTE-V2X的性能測試；遮擋場景下LTE-V2X和5G的直傳、丟包重傳、中繼轉發、重傳＆轉發,共6種模式的性能測試。

2021年1月中旬,分別在成都市金牛區中鐵產業園和成都市金牛區天龍南三路段2個場景進行了LTE-V2X和5G的通信性能測試。實驗過程中,通過記錄某一段行駛路徑內的丟包率與時延,檢測通信質量。測試系統由無線車載通信單元（包括天線、智能板卡、LTE-V2X發包測試軟件）、中繼模塊和數據記錄單元共同組成。

5.1 遮擋場景性能測試

在遮擋場景下,發送端A車和接收端B車之間存在建筑物遮擋。為減少遮擋帶來的通信衰減,在道路拐角處放置中繼轉發單元RSU,RSU與A、B車可視無遮擋,A車與RSU的距離為200 m（園區道路最長距離）,B車與RSU的距離為80 m,如圖6所示。實驗過程中,B車靜止,A車逐漸駛向RSU,測試點位以20 m為間隔進行測試,每個測試點測試5組數據,每組統計200個數據包的時延和丟包率,統計記錄5組數據的平均值。

圖6 遮擋場景系統構成圖

遮擋場景下,LTE-V2X在4種模式下的通信丟包率見圖7（a）,時延見圖7（b）。當通信兩點之間存在建筑物遮擋時,由于高頻載波的穿透能力較弱,遮擋環境對通信性能影響較大。無優化模式下,在A車與RSU之間的距離為120 m時丟包率達到了100%,而重傳模式對遮擋場景下的通信性能提升并不明顯,中繼模式和中繼&重傳模式則克服了遮擋帶來的問題,使可靠性大幅提升,在A車距中繼200 m（園區道路最遠距離）時,通信性能仍然可靠。時延數據相對穩定,無優化直傳模式下,時延維持在20 ms左右；發生重傳時,根據重傳次數增加時延；中轉和中轉&重傳模式下,由于增加了轉發過程,時延相對增大。

圖7 遮擋場景下V2X在4種模式下的性能測試

以成都蓉2號線有軌電車為例,其EB（Emergency Brake,緊急制動）加速度為-1.2 m/s2。假定后車入彎前行駛速度為40 km/h,前車由于故障停在原地,速度為0 km/h,兩者被彎道遮擋視線。當后車開始減速到與前車保持相同速度時,所需的最短安全距離為51.4 m,LTE-V2X的最佳有效通信（中繼＆重傳模式下）距離為200 m以上,則當5G通信系統失效時,僅憑借LTE-V2X完全可以實現安全行車并避免彎道撞車。

在對LTE和5G網絡進行測試的過程中,同樣通過統計測試點的丟包率和時延情況來比較通信性能,見圖8。園區內5G和LTE的信號覆蓋強度穩定,未產生丟包。從圖8可以看出,5G網絡的時延相比LTE有明顯的改善,降低了10 ms左右,達到了預期的改善時延效果。但由于園區內5G網絡覆蓋尚未穩定,帶寬會根據位置產生從200 Mbps到500 Mbps的波動；而LTE帶寬相對穩定,維持在50 Mbps左右,測試結果顯示5G帶寬的峰值相較LTE也達到了10倍左右的提升。

圖8 遮擋場景下5G和LTE的時延

5.2 無遮擋場景性能測試

另一個測試地點為成都市金牛區天龍南三路段,此路段為無遮擋直線道路,分別進行了固定點位的LTE-V2X最遠有效通信距離測試和移動性對LTE-V2X性能影響的測試。

在固定點位場景下,發送端A車和接收端B車均在對方的直線可視范圍內,兩車最遠距離為500 m,測試點位以50 m為間隔進行測試,每個測試點記錄5組時延和丟包率,并記錄平均值。

無遮擋靜止場景的LTE-V2X丟包率測試結果見圖9（a）。在400 m之內都可以進行零丟包的可靠通信,增加了重傳優化機制后,超過400 m的丟包率雖然有所改善,但仍未能實現可靠通信。無遮擋靜止場景的LTE-V2X時延測試結果見圖9（b）,可見距離對LTE-V2X通信時延影響較小。

圖9 無遮擋靜止場景的V2X性能測試

進行移動性對LTE-V2X性能影響的測試時,為保持30 km/h的相對速度,B車保持靜止,A車以30 km/h的速度駛向B車,每個點位取5組數據的平均值進行記錄,測試結果見圖10?？梢缘贸鼋Y論:以30 km/h的移動速度產生的多普勒頻移,不會對LTE-V2X的可靠通信距離和時延產生影響。

圖10 無遮擋場景30 km/h速度下的V2X性能測試

無遮擋場景下,LTE-V2X的可靠通信距離可達400 m。假定后車以70 km/h的速度在直線道路行駛,前車由于故障或者其他緊急情況停在原地。后車的緊急制動距離為157.5 m,則400 m的有效通信距離能夠滿足實施緊急制動的要求。

6 結論與展望

國內有軌電車的建設不斷推進,不斷朝著智能化方向發展,無線通信技術的重要性也逐漸凸顯。目前WLAN技術和LTE技術已經達到發展瓶頸,很難滿足下一代智能城市軌道的發展需求。5G技術利用其大帶寬、低時延、高可靠的傳輸特點,能夠突破目前有軌電車的業務容量不足的現狀,為其智能化和自動化發展創造條件。在5G網絡通信質量差的情況下,LTE-V2X通信技術也能夠保證行車安全,保障車車與車地通信,實現列控列調。本文針對有遮擋和無遮擋場景進行了實地測試,測試結果表明:5G技術應用到有軌電車中,帶寬與時延相較LTE可以得到很大提升,更大的帶寬可以支撐更多無線通信業務,更低的時延能夠有效縮短行車間距,從而提高運營效率；同時,LTE-V2X的可靠通信距離也足夠有效避免發生道路事故,保證行車安全。相信將5G和LTE-V2X無線通信技術應用到有軌電車中,一定能夠為有軌電車發展提供更廣闊的空間與前景,相關成果也可進一步推廣至輕軌、地鐵等其他城市軌道交通制式,從而推動整個城市軌道交通的發展。