城市軌道交通5G公專網融合組網方案研究

楊 琪，馮敬然，周 敏，葛偉濤，李珉璇

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

隨著國內城市軌道交通的蓬勃發展，實現智能列車運行自動化、智慧乘客服務便捷化、智能運維安全感知化、智能網絡管理高效化等軌道交通智慧化目標，成為當前城軌創新、發展的目標。以“萬物互聯”為主要特征的第五代移動通信（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技術，具有帶寬更大、時延更低、多接入、可靠性高等優點，可為城市軌道交通智慧化提供更好的平臺。

1 城市軌道交通無線通信系統承載業務需求分析

城軌生產類無線承載業務主要包括車-地間數據傳輸，安全性要求較高。其余運營維護類業務及旅客服務類業務安全性要求較低。

1.1 生產類車地窄帶業務

列車自動控制業務主要依據行車計劃組織行車、依照特定閉塞方式指揮列車正點安全運輸。傳輸速率上/下行不小于512 kbit/s。

列車運行狀態監測業務主要功能是實時監測和診斷列車的運行狀態并進行綜合分析和預警，提供網絡化維保和應急處置支持。最大傳輸速率104 kbit/s。

無線列車調度通信業務主要功能是為行車調度、防災、維修等移動用戶之間提供安全、迅速的語音通信手段。每路語音傳輸速率約32 kbit/s。

列車緊急文本業務主要功能是將地面乘客信息系統(Passenger Information System，PIS)服務器緊急文本信息傳送至車載PIS 終端。最大傳輸速率10 kbit/s。

以上業務要求非常高的可靠性。

1.2 生產類車地寬帶業務

視 頻 監 控（Closed-Circuit Television，CCTV）業務主要功能是將列車內（駕駛室、車廂等）的視頻監控圖像傳輸到地面控制中心，進行集中監控。

乘客信息業務主要功能是將地面計算機系統內的視頻或圖像信息傳輸到車廂內車載顯示終端播放。

車載廣播業務是對車內乘客播放列車運行信息、在緊急情況下對車內乘客進行疏導。

以上視頻寬帶業務要求每路標清視頻傳輸速率不低于1 Mbit/s，每路高清視頻傳輸速率不小于4 Mbit/s。

1.3 運營維護類寬帶通信業務

隨著無線通信技術的發展，未來城軌可以基于大帶寬的無線承載網絡平臺，開發許多智慧化、智能化的運營維護應用。

設備運營維護業務的主要功能是對軌道交通基礎設施無線遠程網管及控制。

視頻監控的主要功能是將車站的應急通信視頻攝像頭、軌旁視頻攝像頭等，在必要時通過5G 通道連接至監控中心。

現場情況采集業務的主要功能是就地采集現場數據情況并實時傳送至控制中心，迅速應對各種突發事件。

遠程運維指導業務的主要功能是通過AR 智能眼鏡，結合視頻會議模式，使現場人員與遠端專家團隊溝通交互。

1.4 旅客服務類寬帶通信業務

基于5G 平臺，可以開發大量旅客服務類寬帶通信業務，提升旅客出行體驗。

乘客服務：可以通過5G 網絡為乘客提供路線查詢、乘客購票、車行或出站資訊，以及車站擠塞、商業及旅游信息等出行輔助服務。

5G 智能巡邏機器人：可現對乘客查詢的應答、對站臺站廳公共區域的巡邏值守等業務。

2 城市軌道交通5G公專網融合組網方案分析

工業和信息化部在2021 年出臺的《工業互聯網和物聯網無線電頻率使用指南》中并未給軌道交通分配獨立的頻段，而是鼓勵各行業優先使用運營商公網承載工業互聯網和物聯網業務。因此，依托公眾移動通信網絡和頻率資源搭建公專融合的5G 城軌專網是短期內城軌的主流選擇。但由于列控業務具有非常高的安全性需求，其車地無線承載網絡需要冗余備份以保證高度安全性，故LTE-M 系統在短期內仍是城軌首選的承載列控及行車調度的專用移動通信系統。5G 公專網可承載PIS、CCTV 等安全性稍低的寬帶車地業務，與LTE-M 系統互為補充。

3 城軌完全利用運營商網絡

3.1 采用軟切片技術

運營商5G 無線網采用服務質量（Quality of Service，QoS）優先級保障邏輯軟切片功能：即通過5G 服務質量標識（5G QoS Identifier，5QI）或切片標識＋5QI 為城軌業務提供優于其他公網業務的服務質量，確保城軌業務的高服務等級。5G 承載網采用基于虛擬專網（Virtual Private Network，VPN）＋QoS 的軟切片技術，即業務在使用VPN 承載時，不同業務打上不同的QoS 優先級標識，根據優先級的標識匹配相應的QoS 策略，保證城軌業務帶寬及服務質量。城軌5G 虛擬專網結構如圖1 所示。

圖1 軟切片方案Fig.1 Soft slicing scheme

本方案中，城軌所有數據流都必須連接至運營商UPF 再返回城軌云平臺與各業務服務器進行通信，因此網絡往返時延（Round-Trip Time，RTT）較大。但此方案城軌不需要新設任何5G 設備，運營商也不需要對隧道內進行5G 覆蓋，故雙方投入成本都最低。

軟切片方案中，公網其他高優先級用戶會對城軌業務有一定影響，故不建議采用該方案承載城軌生產類業務。

3.2 采用硬切片技術

為承載城軌寬帶車地生產類業務，運營商5G網除覆蓋城軌車站內，還需要在隧道內布設5G 漏泄同軸電纜及基站，在高架區間沿線及車輛段內的公網5G 弱場區補設5G 基站及天線，保證城軌列車5G 信號覆蓋良好，同時切換區符合城軌列車高速運行下的切換時長要求。由于車地寬帶生產類業務所需帶寬較大，故本方案可將MEC 下沉到本地，即與5G 基帶處理單元 （Building Base Band Unit，BBU）同址設置MEC 服務器，直接與城軌云平臺相連接，以減少業務時延，同時也可避免大量業務對5G 回傳網通道的占用。

為保證城軌寬帶車地生產類業務的安全，運營商5G 網絡需采用邏輯硬切片技術。

無線采用資源塊（Resource Block，RB）預留切片，即將一個小區的RB 資源分配給多個切片使用，并為每個切片或每個切片組分配不同的物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）資源份額，基站調度器根據份額進行資源調度。該方案保證一個切片（組）的資源緊缺不會影響另外一個切片（組）的業務質量，從而達到比軟切片更穩定的資源隔離度。采用硬切片方案的城軌虛擬專網結構如圖2 所示。

圖2 硬切片方案Fig.2 Hard slicing scheme

5G 承載網使用以太物理端口做切片，并配置獨立的傳輸資源，每個切片使用不同的物理端口實現隔離。也可將靈活以太網（Fliexble Ethernet，Flex-E）物理端口劃分為不同的時隙，根據需求將N個時隙劃分到1 個子通道中切分為不同帶寬的Flex-E 子接口，形成Flex-E 子通道。每個子通道是1 個切片，承載不同的業務，切片之間用Flex-E子通道硬隔離。

硬切片方案的安全性高于軟切片方案，但固定占用公網資源，網絡租用成本也較高。

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城軌完全利用運營商網絡，用戶數據寫入運營商核心網、運營數據都須至運營商邊緣云轉回，存在數據安全風險。網絡管控及設備維護均在運營商側，城軌業務安全性取決于運營商故障響應時間。

4 城軌5G網絡與公網混合組網

要保證城軌用戶信息及運營信息的安全，城軌可考慮自建核心網，利用運營商的公網5G 無線設備混合組網。

4.1 使用運營商5G網絡，自建UPF及MEC網元

城軌共享運營商的無線網和核心網，同時在本地布署城軌專用核心網用戶面設備。UPF 下沉至本地，信令等控制面業務（Control Plane Function，CPF）由運營商核心網完成。在運營商5G 無線網BBU 處部署邊緣計算結點MEC 服務器，使城軌用戶面業務應用能夠實現本地化布署，降低任務時延、減少公網回傳帶寬需求。

該方案城軌用戶信息仍需存儲在運營商核心網，存在一定數據安全和隱私保護風險。

城軌自建UPF 節點與MCE，與運營商混合組網結構如圖3 所示。

圖3 城軌自建UPF節點與MCE，與運營商混合組網結構示意Fig.3 Schematic diagram of the structure of a hybrid network combining operators’ networks and self-built UPF nodes and MCE of urban rail transit

4.2 城軌自建專用小型化5G核心網，共享運營商無線網

獨立建設的城軌核心網保證地鐵用戶數據保存在本地，私密性好。同時，本地核心網與云平臺互連，城軌業務的任務時延小，同時又能減少公網回傳帶寬需求及對公網5G 核心網資源的占用。無線網和承載網的硬切片技術保障了城軌應用的安全性。本方案的缺點是5G 基站設備需由運營商維護，因此故障響應時間不可控。

城軌自建專用核心網與公網混合組網結構如圖4所示。

圖4 城軌自建專用核心網與公網混合組網結構示意Fig.4 Schematic diagram of the structure of a hybrid network combining the public network and a self-built private core network of urban rail transit

5 城軌自建5G獨立專網

若城軌用戶需要用5G 承載列控、列調等高安全性的業務，則需自建完全獨立的5G 專用網絡，包括完整的5G 核心網、承載網及無線網等。必要時需建設完整的A、B 兩層5G 網絡并互為熱備，以保證列控信息的安全性、可靠性。自建網絡由城軌獨立運營，故障響應時間有保障；地鐵用戶數據保存在本地，私密性好，安全性高；本地核心網與云平臺互連，任務時延小。

運營商可劃分獨立頻段給城軌，或城軌使用非授權頻段（如5.8 GHz、60 GHz 毫米波）。

該方案缺點是初期建網投資高，維護費用高，且5.8 GHz 以上頻點不受保護，易受干擾；頻段過高無法使用漏纜，隧道內覆蓋困難。

城軌自建獨立專網結構如圖5 所示。

圖5 城軌自建獨立專網結構示意Fig.5 Schematic diagram of the structure of a self-built independent private network of urban rail transit

6 組網方式比較

城市軌道交通5G 公專網各融合組網方案的優缺點比較，如表1 所示。

表1 城軌5G組網方案比較Tab.1 Comparison of 5G networking schemes for urban rail transit

由于5G 的網絡分布式架構能夠提供靈活多樣的組網方案、MEC 技術也能保證城軌應用的安全與高效，故城軌5G 公專融合的網絡平臺，其組網方案可根據具體業務需求，綜合評估安全性與建網投資、維護費用等，靈活選擇。

7 目前城軌5G應用現狀

當前國內各城市軌道交通集團都在積極研究5G 公專網在城軌中的應用技術，相繼發布了5G應用白皮書。各公網運營商也都積極推進5G 網絡在地鐵中的覆蓋：如成都地鐵10 號線在太平園站布署了公網5G 室內分布系統；大連地鐵1 號線大連北站為乘客提供基于公網5G 通道的無線局域網（Wireless Fidelity，Wi-Fi）信號，鄭州地鐵5 號線及京港地鐵16 號線北段也已全線實現5G 公網覆蓋。以上案例都為5G 公專網在城軌的應用創造良好的條件。

在此基礎上，杭州地鐵在錢江路站展示5G 智能貨柜、5G+AR 地鐵全息教學、5G 巡檢機器人等多項應用；深圳地鐵11 號線實現了國內首例公網5G 承載CCTV 系統應用，列車上共40 個高清攝像頭的監控視頻、設備監測等高達25 G 的車載數據，在150 s 內通過設置在列車上和車站站臺的5G 傳輸設備完成自動傳輸。

8 總結

當前，國家5G 頻率全部授權給公網運營商，中國移動擁有兩段共260 MHz 頻段，中國電信、中國聯通及廣電各擁有100 MHz 頻段，資源豐富。同時，5G 網絡擁有靈活高效的切片技術、邊緣計算技術等，能夠保證運營商為城市軌道交通提供安全高效的定制化網絡服務；因此，城軌可根據自身需求，結合公網資源及5G 先進技術量身訂制，搭建高帶寬、高安全性、高傳輸質量的公專融合的5G混合專網。

本文對城軌5G 公專網融合的各種可行方案進行分析比選，為未來城軌5G 公專網融合建設規劃提供參考，為建設智慧城軌提供技術支撐，助力城市軌道交通高質量發展。