5G网络的地铁车地无线综合业务承载研究

2021-04-01王培东

铁道运营技术 2021年2期

王培东

(广州地铁集团有限公司，工程师，广东广州 510335）

1 引言

随着地铁服务的多样化，运营管理需求的不断增加，对车地无线通信的稳定性、安全性、传输带宽等方面提出了更高要求，现有的地铁车地无线通信系统对此存在差距。地铁需要应用最新无线通信技术，实现高速、实时、稳定的车地无线传输，同时综合承载各种业务［1-2］，保证涉及地铁运营的信号CBTC系统、数字集群通信、IMS（车厢视频监控）、PIS 等信息能实时、稳定传输，保障地铁安全运行。

目前，地铁车地无线传输系统主要有陆地集群通信技术（TETRA）、无线局域网（WLAN）、4G LTE、EUHT 等制式。这几种制式除EUHT 和WLAN 外，或多或少都存在综合业务承载传输带宽不足的问题。同时，现有技术在保证各业务传输可靠性即QoS方面也存在不足，具体问题如下：

1）由于WLAN 与很多民用设备一样工作在公共开放频段，民用设备可能会对地铁的车地无线通信造成干扰，致使各业务的QoS无法保障。

2）对于不同QoS 的多种业务，WLAN 采用竞争抢占机制调度资源，无法按照优先级调度资源，造成资源浪费，EUHT技术也存在相同问题。

3）LTE 的QoS 机制在优先级、资源调度方面都优于WLAN，但是LTE在传输多种业务时，隔离度不高，虽然现有系统采用以业务类型和（源/目的）IP 的多级QoS 策略传输业务，但不同业务的GBR 类型不同，且GBR 相同时也存在优先级的区别，对资源的竞争仍很激烈，对各业务的QoS仍有影响。

鉴于此，为了改变现有车地无线通信系统稳定性不高、系统多、带宽有限的现状。结合5G 网络的大带宽、低时延、高可靠性的特点，本文提出将5G网络切片技术应用于地铁车地无线通信系统的综合业务承载中，从而提高车地无线通信系统的安全性、稳定性及实时性，保障地铁安全、稳定的运行，同时降低工程投资。

2 地铁车地无线通信系统需求

2.1 数字集群通信系统在已建成的地铁线路中，专用无线通信系统大多采用TETRA 组网，工作频段在800～900 Mhz，因为TETRA 数据的带宽有限，所以需求的展开基本上都是基于语音调度。

2.2 信号CBTC 系统信号车地无线通信系统应采用AB 双网冗余备份，且两张网分别采用不同的频段，实现双频段冗余覆盖，以防单网故障影响信号系统车地信息交换，给轨旁及车载的信号设备提供实时、稳定的车地无线服务［3-4］。网络应具有信息安全策略，即网络应具多方式和多层次访问控制机制。

2.3 PIS 及IMS 车辆视频监控无线业务需求根据现阶段地铁列车监控摄像头的设置要求，单列6节编组的列车需要布置14个高清监控摄像头，每路高清监控视频大约需要8 Mbps 的流量带宽，整列车的视频监控实时上传至少需要112 Mbps 左右的车地上传带宽［5-6］。

2.4 地铁车地无线通信各业务QoS要求见表1。

表1 每列地铁列车车地无线通信各业务的QoS要求

3 5G网络切片及相关技术

由表2 可知5G 网络具有带宽高、时延低、可靠性高、安全性强等特点，利用5G 网络切片技术可以将多种车地无线通信业务放在一个物理网络之中融合考虑，并且提供给不同类型业务以不同等级、可定义的服务。网络切片技术基于网络即服务的理念，其本质是将网络中的转发、处理、计算、存储功能看作是一种可灵活分配的资源，而不是固定的物理属性。5G 网络切片技术提供了端到端、多种灵活手段、“逻辑+物理”的多种QoS 保障能力，保证了地铁无线车地通信多种业务的传输需求，下面介绍网络切片的基本技术。

表2 主要无线通信技术指标对比表

3.1 软件定义网络SDN 技术由于传统通信网络的控制平面与数据转发平面紧耦合的缺点，网络一旦被部署，基站、交换机以及路由器的网络功能就被固化在其中，无法满足5G 对于多样化的业务需求。SDN 将控制平面与数据平面分离，解决了新业务部署难题，极大提高了网络的灵活性和扩展性，SDN 的控制器也可实现对整个网络的集中式逻辑控制。

3.2 网络功能虚拟化NFV 技术NFV 技术是将具体的网络功能与昂贵的专用硬件平台解耦，将网络功能使用软件模块实现，并进行封装、运行于虚拟机之中，再使用基于行业标准的商用服务器平台对这些虚拟机进行承载，最终在网络中实现软件进行服务数据处理，硬件进行底层数据传输。

3.3 5G 网络的CU/DU 架构为在5G 网络中部署虚拟功能模块实现网络切片，通过对现有基带处理单元BBU 进行拆分，使其分为聚合单元CU 和分布式单元DU 两个功能实体。CU 负责处理实时性要求不太高的业务，DU 则负责物理层和实时性要求高的底层功能，实现了网络的集中式控制和分布式处理。

将NFV 技术应用在5G 切片网络中，在硬件资源池上，CU/DU 架构能够集中实现高层的虚拟功能，有利于降低能耗节省开支。另外，配合SDN 控制器，可以实现不同功能组件之间的灵活调度、统一控制，最终形成5G 网络切片以满足多业务需求。

3.4 切片内Vxlan 通信机制5G 切片之间需要实现逻辑隔离，以满足对网络安全性的要求。目前，主流的网络隔离技术是虚拟局域网VLAN 技术，但该技术无法满足多业务切片的区分隔离需求。因此，研究人员提出使用虚拟化可扩展局域网Vxlan 来代替现有的VLAN技术。

4 基于5G网络切片的系统架构设计

4.1 频段选择基于5G 通信技术的车地无线系统需要申请专用的频点，以免被其他民用无线网络干扰。为降低工程成本，减少区间覆盖密度，有如下低频段可用：1 427～525 MHz、3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz 和4 800～4 990 MHz 这4 个主要频段。由于1 427～1 525 MHz 频段，目前已被大量使用，故建议基于5G网络切片的地铁车地无线系统使用3 300～3 400 MHz 和4 400～4 500 MHz 2 个频段。

4.2 网络架构设计如图1 所示，在该网络结构拓扑中，在车站站厅、站台、设备区和出入口采用室内AAU 覆盖，车辆段和隧道区间采用室外AAU 覆盖，在车站设置CU/DU，并通过传输提供的光纤链路，与设置在中心的核心网相连。中心的核心网设备通过接口服务器，与相关应用系统连接，完成各应用系统在该网上的运行。该网络结构采用AB 双网方案，完全满足信号CBTC 车地传输的需求，同时，结合5G 网络切片技术，两张网承载业务时，根据业务需求，采取分摊负载方式，对AB 双网的核心网、承载网、接入网进行切片，并针对切片承载业务分配不同等级和类别的计算资源、存储资源和网络资源，以满足不同业务对网络的传输要求。其中，A 网承载信号CBTC 业务切片、数字集群系统业务切片和PIS业务切片，B 网承载信号CBTC 业务切片和IMS 业务切片。

图1 网络结构拓扑图

如图2 所示，通过将底层物理基站和无线频谱资源切片化，可以创建4 个不同业务(信号CBTC、数字集群系统、PIS、IMS 等)的虚拟基站。整个车地通信综合承载系统的资源管理功能由4个虚拟切片网络控制器和一个系统管理程序(Hypervisor)实现。虚拟切片网络控制器主要用于调度和确定用户QoS需求以及报告用户QoS 需求给Hypervisor 程序。Hypervisor 管理程序的功能是建立底层物理资源和虚拟切片网络之间的逻辑关系。它不仅要负责物理基站的切片化，还要根据不同的QoS 需求和切片网络传输的反馈信息负责虚拟资源的分配到不同的切片网络。