5G 在城軌無線專網中的應用探索

陸海亭,付保明,梁志正,孫春洋

(1.南京交通職業技術學院,江蘇 南京 211188;2.蘇州市軌道交通集團有限公司,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、節能、環保等突出特點,是一種可持續發展的交通運輸模式。 智慧城軌建設是交通強國建設的重要路徑和戰略突破口之一,是當前城市軌道交通的發展方向。 2020 年3 月,軌交協發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中明確指出,要充分利用第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Communication Technology, 5G)、大數據、云計算、人工智能、物聯網、區塊鏈、衛星通信等新興信息技術,構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的新一代中國式智慧型城市軌道交通。由此可見,5G 技術是智慧城軌的基石,對于智慧城軌的構建必不可少。

5G 是具有大帶寬、低時延及廣連接等特點的新一代寬帶移動通信技術,是實現人、機、物互聯的網絡基礎設施。 5G 網絡按照架構分為核心網、傳輸網、接入網,它使用了一系列先進的關鍵技術實現了技術革新。 核心網關鍵技術包括網絡功能虛擬化(NFV)、軟件定義網絡(SDN)、網絡切片(Network Slicing)和多接入邊緣計算(MEC)。 傳輸網關鍵技術包括前傳和回傳技術(Backhaul& Fronthaul)。 接入網關鍵技術包括云無線接入網(CRAN)、軟件定義無線電(SDR)、認知無線電(CR)、 Small Cells、自組織網絡(SON)、設備到設備通信(D2D)、Massive MIMO、 毫米波(mmWave)、 波形和多址接入技術、帶內全雙工(IBFD)、 載波聚合和雙連接技術、 低時延技術、低功耗廣域網絡技術(LPWA)、衛星通信等。

2018 年6 月,3GPP 發布了第一個5G 標準(Release-15),支持5G 獨立組網,重點滿足增強移動寬帶業務。 2020 年6 月,Release-16 版本標準發布,重點支持低時延高可靠業務,實現對5G 車聯網、工業互聯網等應用的支持。 2022 年6 月,Release-17(R17)版本標準將發布,重點實現差異化物聯網應用,實現中高速大連接。

1 業務需求

城軌無線通信系統是滿足城市軌道交通生產、辦公以及乘客移動通信需求的必不可少的基礎網絡,它大致可分為生產無線、辦公無線、公安無線、乘客無線4類網絡[1]。 生產無線網絡主要滿足列車運行指揮需要,一般為TETRA/WLAN/LTE;辦公無線網絡主要滿足日常運營辦公,一般為WLAN;公安無線網絡結合地面公安無線通信制式進行選擇,一般為PDT;乘客無線網絡通常由移動運營商等第三方單位承建,一般為4G/5G 或WLAN。

將5G 應用于城軌無線通信網絡中,對公網和專網業務進行綜合承載,是前景可期的應用方向。 截至2021 年8 月,成都、北京、呼和浩特、深圳等城市開通運營的新線路都已實現了5G 公網在城軌的覆蓋;但城軌5G 專網的應用尚處于探索階段(武漢、石家莊、重慶、杭州等地)。 無線專網對于城軌運營的安全和效率尤為重要,下文主要探討5G 在城軌無線專網中的應用。

根據軌交協相關指導文件要求、城市軌道交通車地數據傳輸需求以及未來需要承載的業務對帶寬的主要需求[2],城軌運營無線網絡包括生產、辦公及乘客無線網絡,它承載的業務按照性質可分為列車運行類、運營維護類和乘客服務類。

除了CBTC 列控數據、集群調度語音、車輛乘客信息(PIS)視頻、車輛視頻監視(CCTV)等傳統常用車地無線業務之外,隨著全自動無人駕駛模式的推廣普及、智慧運維的迅猛發展,車輛走行部系統業務(弓網檢測)、接觸網檢測系統業務、集群調度視頻業務、乘客召援和對講業務、列車中心廣播業務、列車緊急文本下發業務、列車運行狀態監測業務、巡檢業務、物聯網業務等新興業務亦對無線通信的傳輸帶寬、時延及連接均提出了更高的需求。

城軌無線專網承載的業務需求主要包括:列車運行安全/非安全生產業務、維修類業務和其他業務,如表1 所示[3]。 根據表中的各種業務特點來看,迫切需要搭建一個大帶寬、低時延、廣連接的高可靠車地無線傳輸網絡。 而5G 技術恰逢其時,單獨組網不僅可以綜合承載現有的所有業務,還可以增加多路高清視頻,以及滿足更多業務的需求,既簡化了新線網絡設計的復雜度,同時也降低了維護的難度[4]。

表1 城軌專用無線業務需求匯總

2 應用場景

2.1 無線技術制式比較

城軌專用無線網絡主要傳輸車地之間視頻、圖像、數據、語音等業務,所用技術制式種類較多,主要有TETRA,WLAN,LTE-M,EUHT 等技術,這些技術制式目前仍處于共存狀態。 TETRA 無法提供寬帶業務;WLAN 技術雖然帶寬大,但抗干擾能力弱;LTE-M 技術雖然抗干擾能力強,但在帶寬方面捉襟見肘。 它們單獨組網受限較大,無法滿足城軌的綜合承載需求,故常多網組合應用[5]。 但是,即使多網組合應用仍然不能滿足城軌業務的潛在大帶寬、低時延、廣連接的固有需求。 5G 技術不僅能滿足城軌業務的固有需求外,還有高可靠性,因此,5G 可以大展身手,“一網打盡”,綜合承載各項業務。 需要將城軌車地生產無線的各項具體業務匹配到5G 的應用場景中。

2.2 承載業務場景歸類

國際電信聯盟定義了5G 的三大應用場景:增強移動寬帶(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)和海量機器類通信(mMTC)。 下面針對三大場景將城軌業務進行歸類。

2.2.1 提升移動寬帶,增強視頻業務

5G 的網絡速度是4G 的10 倍以上,用戶體驗速率達到1Gbps,這是滿足超高清視頻傳輸業務的有力手段。 5G 將提供大帶寬(高速率)的移動服務,主要面向城軌3D/超高清視頻等應用。 目前,城軌車輛CCTV,PIS 等業務的視頻以高清(1080P)為主,4K,8K 超高清視頻是繼視頻數字化、高清化之后的新一輪重大技術革新,是未來發展趨勢。 不僅是傳統的車輛CCTV、車輛PIS,新興的接觸網檢測系統業務、車輛走行部系統、集群調度視頻業務、巡檢等視頻相關業務都對超高清視頻有使用需求。 超高清源視頻實時傳輸容量巨大,5G 讓超高清視頻傳輸成為可能。

2.2.2 高可靠低時延,助力無人駕駛

目前4G 網絡時延最好只能做到20 ms,在5G 場景下,傳輸時延只有1 ms。 全自動無人駕駛是城軌列控大勢所趨,城軌無人駕駛、列車緊急文本下發、乘客召援和對講業務等業務均對時延和可靠度異常敏感,它們迫切需要高可靠、低時延的無線通信技術。 5G 帶來的超高可靠、低時延通信場景,能更好滿足全自動運行(FAO,無人駕駛)的無線通信需求。

2.2.3 萬物互聯互通,奠基智慧運維

5G 突破了人與人之間的通信,使人與機、機與機之間的通信成為可能。 5G 連接能力可以達到100 萬連接/km2。 5G 技術讓城軌海量設施設備物聯網應用得以實現,比如機電設備零部件和運營維護人員全部接入網絡,進而實現萬物互聯、智慧運維[6]。

3 應用障礙

無線通信系統具有技術難度大、前期投入大、研發周期長及產業鏈龐大等特點。 參照基于 4G 的 LTE 專網技術自 2011 年在神華鐵路線開展試驗,歷時5 年多才在軌道交通行業逐步推廣。 因此,基于 5G 的城軌專網技術應用任重而道遠。 5G 專網應用到城軌中亟須解決專用頻段、系統安全、經濟實用、低碳環保、綠色節能等一系列問題[7-8]。

3.1 頻帶專用性

頻帶資源一直是城市軌道交通無線系統重點關注的內容之一。 參照LTE-M,性能更優越的基于5G 通信技術的車地無線系統需要申請專用頻點,這樣可有效解決車地無線系統受到民用產品干擾的問題。 但目前具體的針對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專用頻寬的大小也是城軌車地業務高速率傳送能否實現的先決條件。

3.2 系統安全性

5G 是面向垂直行業和運營商深度融合的網絡,在安全性方面主要采用非物理隔離的虛擬隔離技術措施來保證安全性和不同的服務等級要求,但5G 是否能夠滿足 CBTC 的要求還需進一步研究。 此外,無線信號是開放傳輸的,由于無線接入的接入終端數量大幅增加,將對系統的信息安全帶來極大的壓力,要做好防護措施,以免重要的運營系統和關鍵設備受到威脅和攻擊,對此還需要做深入的研究。

3.3 經濟實用性

5G 系統由于頻率的提高,無線信號的傳輸衰減也大大增加,5G 網絡將是一個密集部署的無線通信網絡,在小基站、大規模天線陣列的接入設備部署上將會產生大量的設備投資,對無線系統的維護和管理也大大增加了工作量。

此外,5G 網絡如何貫徹執行節能減排、低碳環保的綠色發展理念,實現系統低功耗、高能效也不容忽視。

4 結語

5G 移動通信技術具有許多優勢與特點,如大帶寬、低時延、廣連接、高可靠,能彌補4G LTE 通信技術的諸多不足,為城軌無線專網業務提供更加堅實的基礎網絡支撐。 5G 技術方興未艾,將給軌道交通領域的無線通信技術帶來一場深刻的技術變革。 相信在不久的將來,5G 通信技術必將在城軌無線專網中得到廣泛應用,必將提高城軌運營的安全、效率和服務水平,進而必將開啟智慧城軌新時代。