城市轨道交通5G通信应用综述

2019-02-20张艳

城市建设理论研究（电子版） 2019年18期

张艳

株洲中车时代电气股份有限公司轨道交通技术中心湖南株洲 412005

引言

城市轨道交通列车运行控制业务利用连续、大容量的车地双向无线通信实现列车控制信息的传输，由于1.8G专网频段受限的原因，LTE-M网络传输带宽难以满足无人驾驶应用场景下的车地无线大带宽传输需求。同时，在保障列车运行控制、紧急文本下发等关键业务的高可靠、低时延传输，大带宽传输，高速移动性支持，减少越区切换，避免弱场强覆盖等方面，5G通信网络都有更优越的性能。

1、城市轨道交通无线覆盖特点

城市轨道交通信号系统车地无线信号覆盖范围为沿轨道线路的线性覆盖，实现无线网络的覆盖和接入。无线覆盖的区域主要包括所有车站、正线、高架桥、折返线、车辆段、停车场、试车线。

满足现有城市轨道交通设计最高时速120km/h的运行需求，确保列车在高速运营时无线网络的带宽、丢包率、传输时延满足要求，保证各业务系统平稳可靠地实现车地无线双向通信。

列车正常运行时，车载无线终端（TAU）跨越两个无线小区进行越区切换，不会造成业务中断或者服务降级，无线切换时延需要小于100ms，保证越区切换过程中各业务系统平稳可靠地实现车地双向通信。

车地无线网络采用双网冗余，且两个网分别采用不同频率，实现双频冗余覆盖。列车运行控制系统为保障车地通信的连续性和冗余性，覆盖规划时考虑相邻两个无线基站的覆盖区域彼此重叠，以确保覆盖的快速切换和冗余覆盖。

2、城市轨道交通业务需求分析

根据应用场景分类，我国城市轨道交通安全/非安全宽带移动通信业务需求可分成：列车运行控制业务信息、列车紧急文本应用、列车运行状态监测应用、IMS视频监控应用、地面旅客信息系统应用、集群调度业务信息。

列车运行控制业务：通过列车在交通线路上的实际运行状况和客观因素，对列车车速及制动方式等进行实时的控制、监督，并合理调整业务信息。车紧急文本：PIS服务器传送给车载PIS终端的紧急文本信息。列车紧急文本下发业务为随机性数据。列车运行状态监测业务：列车运行状态实时监测系统，它主要是将传感器采集到的列车关键参数实时传送到地面监测中心，列车运行状态监测业务为周期性数据。CCTV视频监控：通过无线传输的方式将列车驾驶室和车厢的视频监控图像实时回传到控制中心或地面监控站，以便集中监控。PIS视频业务：由地面将视频或图像信息通过广播或者组播传输到车厢内播放。主要包括需要保障连续、高带宽、低时延需求的视频便民信息，如紧急文本、行车信息、新闻广播、换乘信息、在线广告等。集群调度业务：线路运营、应急和维护等需要的各种语音、视频和数据呼叫通信和管理业务。此业务属于生产安全信息网业务。

3、城市轨道交通5G应用分析

5G移动通信的三种典型业务场景包括：增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC）、超可靠低时延通信（uRLLC）。

eMBB主要面向高速移动通信、超高清视频传输等对承载网存在超大带宽需求的大带宽移动宽带应用。单用户的接入带宽达到当前固网宽带相同的量级，相比4G网络吞吐量增长达到数十倍，可满足城市轨道交通提供一网承载的多业务综合承载车地无线传输需求。

mMTC主要面向以传感和数据采集为目标的物联网等应用场景，5G承载网具有高精度同步、多连接通道、低功耗低成本、简易部署等特征，可构建轨道交通5G信息化物联网络，实现车载、轨旁、路基等应用环境下的无线数据采集，协助完成轨道交通各种设备设施的运营维护。

uRLLC主要面向轨道交通、车联网、工业控制等垂直行业，承载网络具备超低时延和高可靠等能力。5G采用分布式网络架构，在终端侧位置部署边缘MEC，并结合5G网络切片技术，实现业务之间的安全隔离的同时为终端提供专用的网络和应用资源。

4、5G通信对轨交通信信号系统的影响

城市轨道交通场景具有高移动性、高吞吐量、高穿透损耗、用户集中、频繁切换等特点。而现有移动通信系统无法适应轨道交通场景的各种特点，这就促使5G系统需要提供先进的网络架构和关键技术，为轨道交通场景中用户提供连续、安全、可靠、高速的宽带移动通信服务。

1）城市轨道交通综合承载解决方案，由于专用频段受限的原因，尤其是无人驾驶（FAO）应用场景下难以满足车地无线通信大带宽传输需求。在满足城市轨道交通列车控制业务、视频传输需求的同时，5G网络还可为智能运维系统提供大带宽传输通道，保障海量车载运维数据的实时转载。为轨道交通提供满足大带宽承载的“多网融合”车地无线通信系统全方位解决方案。

2）超低时延的高速移动通信系统方案，面向城市轨道交通系统的5G超可靠低时延无线通信（uRLLC）解决了列控相关信号的车地无线信息传输需求，支撑这类业务的核心挑战来自于高速移动场景下信道环境的快速变化与传输可靠性、传输时延之间的矛盾。实现网络从接入管道向信息化服务使能平台的关键跨越，大幅降低业务时延，满足轨道交通应用场景中低时延业务需求，是5G网络的代表性能力。

3）轨道交通物联网解决方案，轨道交通物联网指通过物联网技术，构建轨道交通信息化物联网络，实现车载、轨旁、路基等应用环境下的无线数据采集，协助完成轨道交通各种设备设施的运营维护。5G 与互联网的融合使得传感器、处理器和网络技术成本将迅速降低。

4）轨道交通车车通信解决方案，通过车车通信的方式实现无人驾驶，即将传统以地面控制中心为主的列车信号系统转变为以列车自行计算最大移动授权区间的列车控制系统，实现列车与列车互传位置、方向、速率、驾驶模式和车载信号设备及列车车辆相关状态信息等，通过获取临近列车的位置、方向、速率等信息，列车依据防冲撞原则自行计算最大移动授权区间和最大运行速度等行车数据，实现列车无需地面控制中心的自我调度。