5G通信技術在城市軌道交通信號車地通信中的應用探討

王崇國，李 云

（南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210019）

1 城市軌道交通車地無線通信技術應用現狀

目前，城市軌道交通CBTC信號系統采用的車地無線通信技術主要有WLAN技術和TD-LTE無線移動通信技術。WLAN技術具有成本低廉、技術成熟、極易網絡化等優點，但其本身也存在較大缺點，它在列車高速行駛下帶寬不足、切換頻繁、極易受到外部干擾等，導致系統極易丟包，對城市軌道交通運營穩定性造成影響。LTE作為第4代移動通信技術，可完成信號CBTC、車載PIS、CCTV等業務的綜合承載，且使用1.8 GHz專用頻率（1785 ～1805 MHz），在工程實施階段經過嚴格的頻段審批、規劃和控制，完美地解決了WLAN技術方面的缺陷，在近幾年內成為主流技術。

隨著城市軌道交通在數字化、智慧化和綠色低碳發展領域的不斷探索，城市軌道車地通信業務對通信帶寬的需求不斷提升，LTE系統帶寬不足的問題逐漸凸顯[1-2]。考慮網絡建設成本，也迫切需求能夠提供一個統一承載多種業務的通信系統，并能夠兼顧不同業務對時延、帶寬、傳輸可靠性等的特殊需求。5G通信技術的出現為上述需求提供了新的解決方案。

2 5G移動通信技術

5G作為新一代蜂窩移動通信技術，主要優勢在于：增強型移動寬帶，數據傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網絡；較低的網絡延遲，可滿足用戶具有低時延需求的無線傳輸；極高的可靠性（低于10-9的錯誤率），對城市軌道交通車地通信業務具有重大意義。5G技術在城市軌道交通領域產業化發展將依賴于以下技術。

（1）MEC移動邊緣計算。采用基于移動通信網絡的全新的分布式計算方式，部署在網絡邊沿，提供計算和存儲等功能，使一定的網絡服務和網絡功能脫離核心網絡，實現成本優化、時延降低、流量優化、物理安全和緩存效率增強等目標。

（2）切片技術。將5G網絡劃分為不同特征的切片子網絡，為不同應用場景提供SLA（服務等級協議）保障的連接、服務定制化、相互隔離、時延和丟包可控、端到端的“專網”，滿足多樣化的場景需求[3]。

（3）頻譜資源預留。頻譜資源帶寬可根據實際需求進行分配預留，比如分成2個，根據網絡規模分為60 MHz和40 MHz（或者80 MHz和20 MHz），定義Cell 1（運營商公共）、Cell 2（專用）兩類小區，分別配置公共PLMN和sub PLMN（46701/46702）。

（4）5G網絡QoS。基于業務的QoS需求對數據流標記相應的QoS處理標簽，網絡側基于QoS標簽，執行數據包轉發；QoS標簽可基于業務數據流的需求實時變化，實時滿足業務需求。

3 5G技術在南京地鐵的應用實施

為了探索5G技術在城市軌道交通領域的融合應用，南京地鐵聯合中國聯通、設備廠家在南京地鐵2號線馬群試車線進行了充分地測試研究后，最終將測試成果在寧句城際線進行了落地應用。

3.1 5G通信網絡建設

為控制工程投資，馬群試車線和寧句城際線5G網絡建設均采用了“5G+MEC+基站共享和核心網控制面共享”的模式[4,5]。寧句城際線主要建設范圍為馬群站至百水橋站站廳以及區間部分，站廳采用宏站，隧道內部采用漏纜進行5G覆蓋，載波頻段為3.5～3.6 GHz，帶寬設置為100 MHz，通過頻率專享使地鐵業務實現快速傳輸，不受公眾訪問量干擾，且根據業務需求建立網絡切片和QoS設置。運營商負責5G公專網建設和移動邊緣計算MEC設備的安裝調試。

信號CBTC業務和信號大數據智能運維業務在列車上設置5G 終端設備和4×4 MIMO天線，通過專用5G物聯網卡與5G網絡連接，數據經邊緣計算MEC本地處理，直接傳輸至信號軌旁服務器，做到了“數據不出園區”，不進入5G公網進行傳輸。

圖1 寧句城際線5G建設架構圖

3.2 5G通信網絡應用測試

3.2.1 5G網絡QoS測試

考慮車輛智能運維數據、車載CCTV、信號大數據智能運維業務等上行業務較多，5G網絡時隙配比選用7：3。根據各業務的特性需求，劃分了4個優先級等級，進行了QoS測試，其中擬定CBTC業務QoS為3，信號大數據業務QoS為6，其他車地傳輸業務QoS為7，軌旁綜合監控和車站內需要使用5G傳輸數據的普通業務用戶QoS被設置為8，對業務上下行資源的搶占情況進行測試，如圖2所示，不同業務的SLA均可以保證。

圖2 不同優先級用戶資源搶占情況測試

3.2.2 5G網絡傳輸能力測試

在優先級測試的基礎上，多廠家聯合進行了多業務并行運行測試。實際傳輸能力測試數據如表1所示。測試對比5G網絡AAU和漏纜兩種覆蓋方式，最小傳輸速率均在100 Mbps以上，可以滿足城市軌道交通不同業務的帶寬需求。

表1 5G網絡實際傳輸能力測試

3.2.3 5G網絡切頻測試

測試模擬城市軌道交通占用部分5G頻譜資源，設置20/40/60/80 MHz不同帶寬測試了傳輸性能。在帶寬為20 MHz，時隙配比為7：3的情況下，下行傳輸速率在134 Mbps左右，上行傳輸速率在50 Mbps左右，時延在25 ms左右，驗證結果遠優于LTE系統。

3.2.4 信號車地通信業務測試

根據信號CBTC業務時延和可靠性要求高的應用特點，測試主要關注5G傳輸的時延和丟包率兩項指標，在速率20 Mbps以內進行了多業務的動態并行測試。其中，上下行傳輸速率在5 Mbps以內零丟包率，平均傳輸時延可以控制在10 ms左右，最小時延在3 ms左右。完全滿足CBTC系統在上下行傳輸速率分別不小于1.5 Mbps時，其丟包要求不超過1%，傳輸時延不超過100 ms的概率不小于99%的業務需求。

根據信號大數據智能運維系統業務的應用特點，測試主要關注5G傳輸的大帶寬特性，傳輸數據要求在短時間內快速精準傳遞大量系統運維數據和日志信息到室內數據服務器。多專業并行運行測試，實際測得信號大數據智能運維業務上行速率最高在180 Mbps左右，下行速率在300 Mbps左右，完全滿足信號大數據智能運維業務的需求。

綜合來看，5G系統傳輸性能較現有LTE-M系統和WLAN系統均有巨大的提升，一套5G網絡完全可以滿足城市軌道交通眾多業務對于通信傳輸的需求。

4 需要進一步探討的問題

對于5G系統承載信號CBTC業務，業內依然存在諸多不同的聲音，其中最主要的還是對系統安全性的考慮，認為公專網模式下的傳輸安全性有待進一步驗證，需要考慮5G專網模式。由于專網模式建設成本較高，且存在重復投資，所以公專網模式在經濟性上有較大優勢。針對安全問題，建議在公專網模式下開發合適的安全加密系統對傳輸數據進行加密，同時對終端設備進行授權認證，使系統傳輸安全級別達到開放網絡中系統安全的要求。

5 結束語

目前，5G技術與軌道交通業務的融合應用仍然處于初步探索階段，5G應用場景、產業鏈正在孵化發展。通過馬群試車線和寧句城際線的測試及應用，證明5G通信技術在傳輸可靠性、時延、帶寬等方面均能滿足城市軌道交通眾多業務對傳輸系統的需求。對于5G網絡承載信號CBTC業務的安全性問題，未來仍需結合5G技術的發展不斷進行探索和研究。■