軌道交通5G應用研究

曹玉鑫，謝 浩，李 臣

（濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

隨著5G通信技術的飛速發展與應用，5G定義的三大場景：eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（大規模物聯網）和URLLC（超高可靠超低時延通信）可以滿足軌道交通各種業務需求。5G的高速率、低時延、高可靠性和大帶寬優勢，為軌道交通場景應用提供了技術支持，能夠滿足軌道交通通信系統實時、大業務量數據傳輸的需求，使得軌道交通與5G技術的結合成為了必然結果，軌道交通5G技術使城市出行與管理更加智能化和高效化，在軌道交通中可更好地發揮5G通信技術的價值與作用[1]。

本文從軌道交通主要業務場景入手，研究了軌道交通5G應用，通過分析軌道交通多種業務的需求，劃分出軌道交通5G的三種專網模式（物理專網、虛擬專網和混合專網），針對每種專網模式的特點，提出軌道交通5G專網建設方案，最后通過車地5G環境搭建及測試結果分析，驗證了軌道交通5G滿足對各種業務的要求，可提升低時延和高可靠優勢，為后續5G專網建設提供了可參考的組網策略[2]。

1 軌道交通5G應用

軌道交通5G技術提供多樣化的業務需求和業務特征的能力，使得其能夠適應不同的環境的業務需求，具有較好的靈活性和多樣性，5G技術不僅可以為用戶提供高性能業務，還可以在車地之間建立支持高速移動、高速率、高實時、高可靠的通信鏈路[3]。

1.1 列車緊急文本應用

列車緊急文本是指PIS服務器傳送給車載終端的緊急文本信息，借助5G的超低時延技術，大幅度降低空口傳輸時延，減少轉發節點，將計算、處理和存儲推向移動邊界，讓數據能夠實時快速地處理[4]。

1.2 列車運行狀態檢測應用

列車運行狀態檢測是將傳感器采集到的列車關鍵參數實時傳送到地面監測中心，實現各車載子系統數據的分布式收集、存儲等功能，借助5G傳輸網絡實現對子系統及關鍵部件狀態進行狀態監視、故障預警及健康評估等功能[5]。

1.3 IMS視頻監控應用

IMS視頻監控是指將列車的視頻圖像通過無線方式實時傳輸到控制中心進行集中監控。借助5G的毫米波通信技術，在較高的頻率使其受干擾很少，因此能提供穩定的傳輸信道，實現超高速數據傳輸。

1.4 PIS視頻應用

PIS視頻業務是指由地面將視頻信息通過廣播傳輸到車廂內實時播放，利用5G的大規模MIMO技術，配備更多的天線，同時發送和接收多個數據信號，使數據速率和鏈路可靠性得到加強，改善通信質量。

1.5 列車運行控制系統

CBTC系統無線傳輸通道采用獨立的雙網冗余物理通信，利用5G的異構網絡技術，將不同類型網絡融合，提升軌道交通系統容量，根據用戶、業務和網絡的特點來選擇合適的網絡，滿足業務的多樣性需求[6]。

1.6 小結

軌道交通中的各業務：列車緊急文本應用、列車運行狀態檢測應用、IP多媒體子系統（IMS）視頻監控應用。隨著地面旅客信息系統的數據量增大，要求更準確的實時性和高效性傳輸要求，具體需求如表1所示。

表1 軌道交通各業務需求

2 軌道交通5G專網建設方案

軌道交通5G覆蓋面臨投資高、用戶體驗要求高等挑戰，因此軌道交通5G建設方案應以組網方案、容量提升、站型和天線方案、設備上車四個方面為重點，總體的建設方案如圖1所示?？偨ㄔO方案圖包括了三大場景：車站、停車場和列車場景，將列車中的PIS視頻流、CCTV流和CBTC服務器均通過5G終端與列車天線連接，三大場景的數據流均通過5G技術進行數據傳輸，將采集到的數據通過5G承載網傳入到地面傳輸網和5G核心網中[7]。

圖1 軌道交通5G建設框架圖

5G專網可以分為三類專網：虛擬專網、混合專網和物理專網，這三類專網模式可以滿足軌道交通多場景業務需求，下面將針對軌道交通領域詳細研究這三種專網模式的建設方案。

2.1 物理專網方案

軌道交通5G物理專網通過獨立自建方案，區別于垂直民用通信行業，獨立自建一張從核心網到無線接入網的端到端5G專網，可以與運營商的5G公網之間實現完全的物理隔離，實現硬件和資源的獨占，使用獨立的基站和獨立頻譜，如2圖所示，整個物理專網方案為公網與專用網完全物理隔離的狀態，基于專用獨立的頻段建立，實現與公網的互不干涉、完全隔離[8]。

圖2 獨立自建專網方案

2.2 虛擬專網方案

軌道交通虛擬專網方案在核心網處使用運營商的核心網，采用公共基站，實現硬件和資源共享，同時需保障QoS。軌道交通5G虛擬專網方案如圖3所示，整個虛擬專網方案以5G技術為核心，采用成熟的軟硬件平臺，從列車各種控制器和攝像頭采集到的信息通過車頂天線傳入到公共基站中，然后將數據通過接入網，最后傳入云化核心網[9]。

圖3 虛擬專網方案

2.3 混合專網方案

為了降低5G網絡時延，在混合專網中引入了邊緣計算技術，將5G網絡許多控制權限下放到網絡邊緣，網絡結構類似一個個局域網絡，如圖4所示。整個混合專網方案是為軌道交通建設5G專線和專網，將MEC部署在地鐵中，UPF下沉到線路，軌道交通系統所采集到的各種數據都將通過列車上的5G車載終端設備傳入到5G專網中，然后通過MEC直接傳輸到地面傳輸網，只有信令部分會傳回到運營商的核心網[10]。

圖4 混合專網建設方案

3 軌道車地5G測試環境搭建

本次測試主要根據現車實際情況，確認5G車地網關的安裝位置、電源線和以太網線的布局，測試OLED車窗播放電視直播效果。根據車頂情況，確認車頂天線安裝位置，5G車地網關在頭尾車各安裝一臺，通過WI-FI饋線與天線進行連接，5G車地網關的交換口分別與交換機和OLED車窗通過以太網線連接，如圖5所示。

圖5 系統拓撲圖

4 測試結果分析

總共測試14站13區間，測試結果如圖6所示，平均在469 Mbps，最低300 Mbps。計算機使用ATK 快速Ping，總共ping 發送114 923個報文，接收114 889個報文，丟包34個，丟包率為0.03%；使用手機進行ping測試，發送1 478個報文，接收1 474個報文，丟失4個。丟包率為0.2%。

圖6 網絡性能測試結果

測試結果表明，軌道交通使用5G技術后可以明顯提高數據上行/下行的傳輸速率，減少時延以及大幅降低丟包率，實現超高速數據傳輸。改善了鏈路通信質量，可靠性得到加強，能夠滿足多種業務的需求，使得整個軌道交通系統更加靈活可靠。

5 結束語

5G作為先進的移動通信技術，以其大帶寬、低時延、高可靠、廣連接、泛在網等多種優勢，在軌道交通中發揮著重要作用，軌道交通應用5G提供了多樣化的業務需求和業務特征，使得其能夠適應不同的環境/應用場景的業務需求。本文結合軌道交通不同業務場景和業務需求，針對三種專網模式，提出不同的軌道交通5G應用方案，最大程度地賦能軌道交通，為軌道交通的設計、建設與運營提供有效指導，更好地促進軌道交通的可持續發展?！?/p>