基于5G技術的城市軌道交通車地數據轉儲方案研究

陳 琦

(鄭州地鐵集團有限公司，450047，鄭州∥高級工程師)

隨著無線通信技術的飛速發展，基于TD-LTE(分時長期演進)技術的綜合承載無線通信網絡(4G(第4代移動通信技術))在地鐵通信系統中的運用日臻成熟。LTE(長期演進)系統具有高帶寬、高移動性、長區間覆蓋和高擴展性等特點，解決了既有無線系統存在的不穩定和移動性差等問題，滿足了地鐵車地無線網絡系統的高帶寬和無縫漫游的需求。因現有LTE綜合承載無線覆蓋及帶寬無法滿足日志遠程下載的技術要求，維護人員在日志讀取時仍需沿用傳統的使用U盤人工現場復制的方式，車地數據的轉儲瓶頸日益凸顯。

目前，信號、通信和車輛等各子系統日志智能化分析系統已日漸成型，亟需打通車地信息轉儲的最后一公里。因此鄭州地鐵聯合華為、卡斯柯信號系統等設備廠商利用5G(第5代移動通信技術)開展了車地各類系統數據的轉儲研究。經過試驗，實現100 m范圍內的傳輸速率可高達1.7 Gbit/s，有效解決了日志下載存在的耗時久、設備存在安全風險和耗費人力的問題。

1 5G傳輸業務需求分析

1)列車視頻數據轉存：鐵總建設[2016]18號《中國鐵路總公司關于發布設計時速200 km及以上鐵路區間線路視頻監控設置有關補充標準的通知》要求采用高清化監控，《中華人民共和國反恐怖主義法》規定車載視頻錄像存儲需由30天增加到90天，而目前列車實際存儲不能達到以上要求。目前每列列車的車載攝像機有42個，每路的傳輸速率為2 Mbit/s，需硬盤的存儲容量為11×6 T。在列車的震動環境下，機械硬盤容易損壞，且人工拷取耗時耗力。采用5G無線通信技術可將視頻數據轉儲到地面，讀取便捷；存儲設備大部分設置在機房內，減少了車載存儲設備的數量；機房環境比車載環境穩定，因此機械硬盤使用壽命更長，不易損壞。

2)車輛運行狀態數據轉存：每天每列列車的監測數據量大約為2.3 GB，含受電弓網監測數據和車輛相關記錄數據。信號系統車載設備每天每列列車的運行數據大約為500 MB。目前均無技術手段實現無線傳輸，需人工上車復制。

3)智能維修移動終端APP數據傳輸：每臺移動終端的傳輸速率需求為1 Mbit/s。

2 基于5G 的AirFlash車地通信方案

2.1 基于5G的 AirFlash車地通信總體方案

AirFlash車地通信方案是華為成熟的軌道交通5G通信解決方案，系統結構如圖1所示。車載數據及車載攝像機數據緩存在車載存儲設備，再經過5G車載終端(TAU)以60 GHz的微波信號通道高速傳輸到地面無線基站；地面無線基站通過高速交換機接入各專業的傳輸通道；CCTV(視頻監控)系統還需在軌旁部署大容量存儲設備以實現車載視頻數據的轉存和傳輸。

圖1 5G AirFlash車地通信方案系統結構

該方案的5G技術使用59 G～64 GHz企業免授權無線電頻段，可實現100 m范圍內1.7 Gbit/s的傳輸速率。5G為高頻段，電磁波頻率越高，波長越短，衰減也越快，更容易被障礙物屏蔽。在傳輸距離大于100 m(300 m以上較明顯)或者接收角度過偏的情形下，與WLAN(無線局域網)技術(傳輸速率100 Mbit/s)相比，無線數據通信技術的傳輸速率并不高。但在傳輸距離較短的情形下，傳輸速率差別很大。

2.2 地面基站部署方案

地面基站部署有運用庫內部署和正線部署兩種方案。

1)運用庫內基站部署方案：車輛段停車場運用庫內布署基站的方案為：在A道和B道采用魚骨覆蓋法，每3個股道建設1個基站，每個基站能覆蓋3個股道，覆蓋距離為100～200 m。該基站部署方案優點是網絡覆蓋范圍廣，缺點是設備量和所需費用較高。該方案適用于正線無基站建設條件的線路，用于列車結束運營回庫后的數據回傳。

2)正線基站部署方案：車站站臺端門外部署基站的方案為：在站臺上下行區域的端門外各部署1個基站(僅在運營正方向部署)，實現列車進出站過程中5G數據傳輸。選取折返站及其前后幾個車站部署基站。5G傳輸速率高，列車經過1～3個有基站的車站即可完成數據傳輸。該基站部署方案的優點是實現了正線運營列車的數據回傳，設備所需費用少；缺點為傳輸設備均需具備斷點續傳、丟包補傳等功能，確保數據不丟失，且需獲得正線部署基站的安全授權。

3 5G在信號系統的應用研究

目前地鐵信號系統4G傳輸網絡采用的是TD-LTE技術，帶寬為5 M～20 Mbit/s，承載CBTC(基于通信的列車控制)、列車狀態監測、車載PIS(乘客信息系統)、車載CCTV、列車狀態監測、緊急文本和乘客緊急呼叫等業務。在運營時段，為保證運營質量不可用于下載數據。在非運營時段，列車回庫后，運用庫內停放的20～50列列車各業務之間因爭搶資源，導致數據下載速率衰減很快；加上信號系統日志出口的安全限速，實際測試的車載數據下載速率僅為20 kB/s，不及人工下載的速率。因此有必要開展5G的應用研究，以拓展車地無線通信帶寬。

3.1 基于5G的車載日志回傳系統架構

基于華為的5G AirFlash車地通信方案搭建的車載日志回傳系統如圖2所示。車載日志經車載網關連接至5G傳輸設備，地面基站連接地面高速交換機再接至信號系統的應用服務器內。具體接口設計為：因車載CC(車載控制器)使用Netbox做為車載網關對外發送軌旁的通信數據包，因此在Netbox上設置路由，將CC的日志數據從Netbox傳送至車載高速交換機，再通過5G設備傳輸至地面。

圖2 基于5G的車載日志遠程下載系統

3.2 測試用例及測試結果

1)AirFlash無線鏈路性能：主要測試上下行AirFlash無線鏈路的吞吐量及極限性能。經測試，車地基站相距5 m時，AirFlash無線鏈路的上下行數據傳輸速率可達到1.65 Gbit/s，時延為0.49 ms，丟包率和吞吐量都在理想范圍內。

2)日志下載功能驗證：MSS應用軟件通過AirFlash下載日志功能驗證日志下載功能及下載速度。經測試，日志下載功能正常實現，文件下載無損壞，軟件長時間運行無問題。測試中的下載速率為807 kB/s，這是因為信號系統日志出口均進行安全限速。設備限制僅能采用百兆網口(傳統網絡設備多為百兆網口，不支持千兆網口)，接入5G系統會造成百兆的傳輸瓶頸，所以測試系統實際下載速率在百兆內，而5G無線鏈路傳輸效率最高為1.7 Gbit/s。后期將考慮通過增加轉儲設備的方式解決傳輸瓶頸問題。

3.3 網絡安全風險評估

1)對既有無線通信系統是否會造成干擾：5G網絡處于59 G～64 GHz的高頻頻段，既有LTE系統采用1.8 GHZ頻段，因處于不同頻段且頻段差距大，故對既有無線通信不會造成干擾。且使用60 GHz高頻段系統和設備少之又少。另外5G網絡沒有互聯網接口，是一個軌道交通系統專用的無線網絡，在其系統的入網認證和鑒權機制完善、系統控制信令和數據業務都采用通用標準加密算法的前提條件下，可認為安全風險可控。

2)能否提供信號安全隔離措施：在安全性方面，信號系統在數據接口做VLAN(虛擬局域網)隔離和端口限制，另外在車載高速交換機上也做好VLAN隔離和訪問控制，限定其它的IP地址不能進入信號車載日志網段。此外，在設備主機上做好防護，關閉不必要的服務和端口，從技術層做好網絡隔離，保證生產網絡的安全性。

4 5G在CCTV系統的應用研究

4.1 基于5G的CCTV車地轉儲系統架構

傳統的車載CCTV系統的視頻讀取不便，常需人工上車拷貝。基于上文5G的車載方案進行適當調整搭建CCTV車地轉儲系統的結構圖如圖3所示。

圖3 基于5G的CCTV車地轉儲系統

控制中心、軌旁和列車的設備布署如下：

1)控制中心設備布署：視頻管理平臺+視頻轉儲管理系統。車載CCTV視頻直接通過高速IP骨干環網(通過ERPS組網技術實現)至控制中心高速緩存后，以符合GB/T 28181—2016《公共安全視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》中規定的標準協議低速備份至中心云視頻存儲集群(含視頻管理平臺)。

2)站、段(場)設備布署：高帶寬IP環網接入。配置萬兆交換機，一方面接入5G基站，一方面直接通過ERPS技術組40 GHz/100 GHz IP環網，可考慮鏈路聚合。

3)列車上設備布署：車載視頻監控系統。針對既有車載方案需要做如下調整，新增高性能NVR(網絡視頻錄像機)存儲設備，該設備應支持2.5GE(千兆以太網口)接口，直接從車載NVR取得存儲視頻流并進行存儲及高速回傳；雙端NVR熱備，每端回傳一半車載視頻；高性能NVR通過2.5 GE(PoE++)電接口直接與5G車載終端(TAU)相接。

4.2 基于5G的CCTV車地轉儲系統功能需求分析

經分析，該系統應具備的軟件功能如下：

1)視頻備份功能：當列車進入5G網絡覆蓋區域時，自動進行視頻回傳，直至除當前被寫入的視頻文件外的全部視頻文件回傳完畢。

2)斷點續傳：視頻回傳尚未完成時，如果列車離開網絡覆蓋區域，系統應記錄視頻傳輸中斷的位置，列車再次進入網絡覆蓋區域時，應從上次中斷的位置開始繼續傳輸視頻直到傳輸完畢。傳輸完成百分比在客戶端上應有顯示。

3)視頻備份管理：在列車兩端均配置NVR及無線車地通信設備的情況下，系統應滿足兩臺車載NVR互相同步發送狀態和熱備冗余，支持每臺車載NVR工作狀態、回傳速率的實時顯示和告警。

4)無線鏈路管理：支持探測列車與地面無線鏈路建立連接，自動檢查待傳數據。

5)視頻檢索及回放：支持按車組號、車廂號、攝像頭編號、日期和時間檢索視頻。支持視頻回放，支持1×1、2×2、3×3和4×4視頻回放布局。

6)與既有視頻監控系統對接：與既有視頻監控系統對接，通過既有視頻監控系統調看回傳到地面存儲的車載視頻。

7)系統監視：自動檢測地面視頻管理系統故障，并給出告警。

4.3 基于5G的CCTV車地轉儲系統測試

該測試主要對無線鏈路性能、回傳功能及上文所述軟件功能進行測試，主要測試項如下：

1)無線網絡性能測試：所有設備按測試組網圖連接完成后，通過FTP從車載NVR向視頻管理服務器發送數據，同時通過Ping工具測試網絡時延。驗證結果證明：基于5G技術的車地數據傳輸項目技術上可行，華為提供的AirFlash硬件設備與卡斯柯信號設備及軟件經驗證可互通，華為的AirFlash無線鏈路性能能滿足信號系統日志上傳的業務需求，鏈路傳輸速率能達到1.56 Gbit/s，傳輸余量可為其他專業預留使用。

2)視頻回傳及斷點續傳測試：測試端到端視頻回傳功能，檢驗入網時間、傳輸速率是否達到要求；測試斷點續傳功能，檢查回傳后的視頻是否完整。分別傳輸3個大小為10 GB～20 GB的視頻文件，測試結果表明：視頻回傳功能正常，測試斷點續傳功能正常，千兆以太網口下平均傳輸速率達到971 Mbit/s左右；實驗結果符合預期。

5 結語

本文提出了城市軌道交通的車地數據5G傳輸業務需求，簡要說明了5G AirFlash車地通信建設方案，基于該方案提出了信號系統接入5G傳輸系統的車載日志回傳系統和CCTV車地轉儲系統方案，完成了信號系統接入5G傳輸系統的測試，并對信號系統接入5G系統的網絡安全風險進行了評估。