5G NR地铁专网综合承载方案探讨

丁元锋，吴 卉，李高科

（1. 北京经纬信息技术有限公司, 北京 100081；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所, 北京 100081）

地铁无线网络中，WLAN、数字集群（TETRA，Trans European Trunked Radio）、LTE-M和增强型超高吞吐量（EUHT，Enhanced Ultra High Throughput）等无线专网多网并存、专网专用，满足特定应用而分别独立建设和运营[1]，部分网络传输质量并不高。文献[2]提出了采用多网融合的方法提高传输质量的方案；文献[3]提出了综合承载乘客信息系统（PIS，Passenger Information System）、视频监控（CCTV，Closed Circuit Television）和WiFi的方案，但无法承载基于通信的列车控制（CBTC，Communication Based Train Control）和调度等应用；文献[4]和文献[5]提出了LTE-M综合承载方案，但存在带宽不足的问题；文献[6]～文献[8]研究了EUHT综合承载方案，但无法承载调度和物联网（IoT, Internet of Things）应用。地铁综合承载一直没有较为理想的可行方案，为此，本文研究基于5G 新空口（5G NR，5G New Radio）的地铁专网综合承载方案。

1 地铁综合承载需求

1.1 地铁应用系统

地铁运营依赖复杂而多样化的应用系统支撑，地铁无线专网负责承载地铁应用系统，按照运营安全标准分为涉及安全应用（简称：涉安应用）系统和非涉及安全应用（简称：非涉安应用）系统，涉安应用系统主要包括：车—地CBTC（A+B冗余）、车—车CBTC、Tetra和宽带集群（B-TrunC，Broadband Trunking Communication）等；非涉安应用系统较多，主要包括：PIS、CCTV、列车控制和管理系统（TCMS，Train Control and Management System）、公共广播（PA，Public Address）、乘客WiFi及地铁IoT应用等。

1.2 地铁应用系统车地通信需求

地铁不同应用系统对车地通信的需求差别较大，主要差异体现在可靠性、带宽、时延、丢包率及漫游中断时间等指标上，如表1所示。

表1 地铁应用系统车地通信需求

1.3 地铁无线专网综合承载现状

地铁环境下，WLAN、TETRA、LTE-M或EUHT等无线专网的综合承载现状如表2所示，专网之间既存在互补和协作、又存在竞争和替代的关系。针对当前地铁综合承载需求，1个专网无法满足，2个专网可基本满足；如果还考虑潜在需求，即使4个专网协作并存也无法满足。

表2 地铁无线专网综合承载现状

现存地铁无线专网无法满足的承载需求包括：

（1）车—车通信和高并发宽带集群等低时延高可靠性应用；

（2）车载乘客信息、视频监控、广播、乘客上网等移动性大宽带应用；

（3）列车控制管理系统、基础设施检测等物联网应用。

因此地铁需要新一代的移动通信技术提升综合承载能力，实现网络融合，满足地铁发展需求。

1.4 地铁综合承载需求

地铁涉安应用系统需要提升地铁专网综合承载的通信性能。地铁信号下一代CBTC系统的发展可能经历列控和联锁一体化、基于车—车通信的去中心化CBTC系统及车载全自主CBTC系统3个发展阶段[9]，车—车通信成为基本需求，通信性能要满足高可靠、低时延、快速漫游切换等要求。下一代的地铁集群调度系统也有同样的发展需求，从基于语音的调度向宽带多媒体集群调度升级和演进，支持低时延、高并发的承载技术成为基本需求。

地铁非涉安应用系统需要提升地铁专网综合承载的移动性大带宽能力和海量物联网接入能力。车载PIS和CCTV系统的带宽需求一直只能得到部分满足；TCMS、PA、WiFi等其它车载需求，一直被抑制；提升运营效率和安全的地铁物联网需求则一直被忽视。

LTE-M地铁专网的综合承载能力得到了广泛验证和认可，正迅速地升级、替代既有的WLAN和TETRA，具备综合承载PIS、CCTV等的技术能力，但与WLAN和EUHT相比，大带宽能力明显不足。另外，LTE-M也无法满足下一代CBTC系统的车—车通信需求和地铁IoT应用需求。移动通信技术已发展到5G时代，研究5G NR综合承载技术是满足地铁发展需求的必然选择。

2 5G NR满足地铁综合承载需求的技术

2.1 终端直连技术

5G NR R 15[10]标准在LTE的车联网技术基础之上引入终端直连技术，把应用场景从车联网扩展到公共安全和关键应用等领域，实现车辆到车辆的直接通信，R 17标准还将进一步优化终端直连链路的功耗、频谱效率、可靠性、时延等参数，R 17标准可满足车联网及地铁下一代CBTC系统车—车通信需求。

2.2 低时延、高可靠性空口技术

4G单向时延通常≥20 ms，5G NR的增强型移动宽带（eMBB，enhanced Mobile Broadband）业务要求单向时延为4 ms，5G NR的超可靠低时延通信（uRLLC，ultra-Reliability and Low Latency Communication）业务要求单向时延为0.5 ms。为此，5G NR采用了多子载波技术，子载波宽度可为15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz或240 kHz，以缩小符号长度，降低时延。引入微小时隙，其最小只有一个符号，采用驮背运输方式，在常规的数据传输前传输微小时隙，获得极低时延。在5 GHz载波侦听空口环境中，微小时隙对保证超低时延效果明显。另外，5G NR还引入了很多策略减少时延，包括：调度信息自包含在数据时隙中；采用异步混合自动重传请求（HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest）；MAC和无线链路控制（RLC，Radio Link Control）的包头结构能够在不知道数据负荷大小的情况下完成数据处理；动态TDD及时长可变的数据传输等措施，降低了整体时延，可实现1 ms的超低时延，可为地铁车—地、车—车通信等CBTC关键应用提供高于99.999%的可靠性，还支持工业级时间敏感网络的数据承载。

2.3 5G NR网络切片技术

5G NR核心网颠覆了2G、3G、4G的核心网设计，基于云原生和服务化架构（SBA，Service Based Architecture），可以敏捷、高效地创建网络切片[11]。网络切片是指在通用硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片在终端、无线接入网、传输网以及核心网方面实现逻辑隔离，更好地满足地铁涉安应用和非涉安应用之间的网络隔离，涉安应用内部不同应用之间的网络隔离，及非涉安应用内部不同应用之间的网络隔离。

2.4 5G NR组播和广播技术

LTE不支持组播功能，5G NR R17标准将支持该功能，主要针对公共安全组播场景和网络视频直播场景。以公共安全组播为例，如遇到突发事件可让特定位置的大量用户同时接收到警告或通知。地铁PIS、PA及CCTV等系统均需要组播功能。

3 5G NR地铁专网综合承载方案探讨

3.1 CBTC信号系统-DCS子系统

城市轨道交通CBTC信号系统采用冗余架构（CBTC-A系统和CBTC-B系统），数据通信子系统（DCS，Data Communication Subsystem）为CBTC信号系统的专用通信网络，包括有线网络和车—地无线网络，要求采用独立组网方式，不应与外界网络发生直接关联。DCS网络结构采用双网冗余设计[12]，为CBTC数据信息提供两条对等独立的网络传输通道，两个网络并行工作，完全隔离，同步传递数据信息。所有信息数据都通过两个独立的网络传送到终点，实现冗余通信，即DCS-A子系统和DCS-B子系统。目前，在线运营的DCS采用两套物理隔离的WLAN子系统或两套物理隔离的LTE-M子系统，分别完成CBTC-A和CBTC-B的承载，若采用5G NR承载，同样需两套物理独立的5G NR子系统。

3.2 5G NR地铁专网方案探讨

第3代合作伙伴计划（3GPP，3rd Generation Partnership Project）为5G NR定义了两种组网模式，非独立组网模式（NSA，Non-Standalone）和独立组网模式（SA，Standalone）。NSA模式下5G NR无线接入网接入到既有的4G核心网（EPC, Evolved Packet Core），与4G无线接入网共用EPC；SA模式下5G NR无线接入网接入到5G核心网（5GC, 5G Core）。

NSA和SA是全球通用的两种5G组网模式。从技术的发展来看，NSA技术更成熟，已在多个国家商用，而SA尚处于初期阶段。从网络覆盖来说，NSA与LTE融合一体化组网，可快速覆盖；SA与LTE并行组网，需独立完成覆盖。从技术标准来说，NSA和SA均是技术标准。从业务承载和应用来看，SA支持eMBB、uRLLC和海量物联网应用（mMTC，massive Machine Type Communication）；NSA仅支持eMBB应用。从5G网络的发展趋势来看，目前部署5G网络的国家，几乎都是NSA先行，并在此基础上逐渐实现SA。

5G NR地铁专网选用NSA还是SA模式进行组网，既需要参考运营商“从NSA起步、向SA演进”的基本发展规律，也需要结合地铁网络现状及应用要求。从地铁应用需求来看，无论采用NSA还是SA，均能满足地铁专用需求，特别是CBTC等关键应用，但不同的地铁线路，无线专网现状差异很大，因此在发展5G NR地铁专网时，只能因地、因时、因频、因需制宜，两种组网模式如图1所示。

图1 5G NR地铁专网组网模式

（1）已建设运营LTE-M的地铁线路，建议采用NSA组网模式建设5G NR-U，既有的两套LTEM子系统满足信号系统CBTC的A网+B网的冗余需求。1.8 GHz频率资源已被LTE-M完全使用，可用资源只有5.8 GHz开放频段或高频专用频段。因此建设5G NR-U，满足TCMS、CCTV、PIS、PA等非涉安、大带宽应用需求，共用既有的EPC-B核心网络（EPC-A核心网络不共用，仅服务于涉安应用），4G网络和5G网络通过分担模式满足地铁的应用需求。

（2）未建设LTE-M的地铁线路，建议采用SA组网模式建设5G专网，可满足当前需求，也可满足未来的扩展需求。目前地铁可用专用资源为1.8 GHz频段的10 MHz频率，资源极为短缺，可支撑信号系统和宽带集群的需求，无法满足地铁其它大带宽应用需求。因此，应将专用频率用于支撑关键应用即涉安应用，开放频率用于支撑非关键应用即非涉安应用。与3GPP的5G频段标准吻合，即专用频段的5G NR和开放频段的5G NR-U，二者分别独立组网。5G NR为CBTC-A信号系统构建一套物理独立的DCS；5G NR-U为CBTC-B信号系统构建另外一套物理独立的DCS。5G NR-U因为频率资源相对充足，还可以同时满足地铁TCMS、CCTV、PIS、PA等其它大带宽应用需求。通过一个5G技术平台、两个5G物理网络，实现地铁不同应用的综合承载、业务适配和安全隔离。

3.3 5G NR综合承载和双层隔离方案探讨

3.3.1 5G NR标准网络切片

5G NR针对增强型移动宽带、超可靠低时延通信和海量机器类通信3类应用场景定义了eMBB、uRLLC和mMTC 3种标准网络切片。通信链路的技术指标包括：移动性指标、带宽指标、时延指标、用户群规模指标和可靠性指标等，可以满足公网需求，但是对于专网来讲，还无法完全满足涉安应用和非涉安应用的多样化需求。

uRLLC网络切片最符合地铁涉安应用的需求，但不同的涉安应用又存在差异，CBTC应用和宽带集群对uRLLC网络切片的安全性定义和通信传输性能的定义略有不同，需要通过技术手段进行隔离和进一步的差异化定义；eMBB网络切片与地铁非涉安应用需求较为吻合，但CCTV、PIS、TCMS、PA等对传输性能的要求差异较大，需要通过技术手段进行隔离和进一步的差异化定义；mMTC网络切片吻合地铁IoT应用，5G NR尚未完成标准定义;5G NR标准网络切片是一层的，地铁需要双层网络切片才能更好地吻合各种应用需求，5G NR网络切片标准支持用户化的扩展和开发。

3.3.2 5G NR网络切片的扩展—双层网络切片

3GPP定义了切片/业务类型（SST，Slice/Service Type），位长8 bit，用于差异化定义网络切片。3GPP允许用户扩展网络切片规范，定义了业务标识码（SD，Service Differentiator），因此可对切片进行二次切片，二次划分为不同的逻辑切片，不同的SD参数和配置匹配不同的差异化应用。

另外，网络切片还可与物理的频段资源相结合，uRLLC切片可以匹配1.8 GHz或其它专用频段，针对地铁不同的关键应用定义不同的SD；eMBB切片可以匹配5.8 GHz或其它高频段资源，针对地铁不同带宽应用定义不同的SD，从而为地铁关键业务和宽带业务提供从底层物理信号到业务层的端到端的隔离。NR基于双层网络切片的业务适配和网络隔离方案如图2所示。

图2 5G NR基于双层网络切片的业务适配和网络隔离方案

3.4 5G NR地铁专网综合承载方案的实施困难

（1）5G NR目前商用的标准为R 15，R 16标准已经完成，正步入商用，但地铁综合承载至少需要R 17标准，该标准的完成多次推迟，目前计划推迟到2021年底发布，产品化完成最快在2022年底，所以地铁部署5G NR不应早于2023年。

（2）5G NR地铁专网无论部署在1.8 GHz频段或较高频段，都存在不确定性。若采用1.8 GHz频段，地铁隧道环境下无法应用大规模多入多出技术（mMIMO，massive Multiple Input Multiple Output）,5G NR相对于LTE-M的技术优势并不明显；若采用较高频段，尽管 LTE-U实现了产业化，但一直没有得到规模推广，5G NR-U将面临同样问题。

（3）5G NR可完全满足CBTC目前及将来的通信需求，但在替代TETRA和B-TrunC时需进行比较验证。3GPP在R 14[13]和R 15标准中定义并完善了关键任务集群（MCPTT，Mission Critical Push to Talk），MCPTT可由LTE或5G NR承载，但尚未完成兼容性测试。因此，在地铁部署5G NR，需进行MCPTT和B-TrunC、MCPTT和TETRA的比较研究。

（4）5G NR网络切片实施并不容易。核心网、接入网及终端需完成跨厂商的切片兼容性测试；传输网需满足5G NR传输指标要求、支持网络切片功能、完成与5G NR的兼容性测试。

（5）LTE-M服务于CBTC应用，在地铁已经广泛部署，引入5G NR或5G NR-U需要实现与LTEM的融合组网，仍待技术验证。

4 结束语

地铁WLAN、TETRA、LTE-M或EUHT只能承载地铁的部分应用，无法实现完全的综合承载和网络整合。建设5G NR地铁专网，在技术和政策上是可行的，利用5G NR可实现地铁应用的综合承载和多个无线专网的整合，满足地铁应用不断发展和长期演进的需求；利用5G NR双层网络切片技术可实现多种应用之间的安全隔离和传输性能的差异化定义。5G NR标准尚需发展和完善，亟需在地铁环境进行5G NR的技术验证研究及3GPP标准的跟进研究。