5G 在城轨无线专网中的应用探索

陆海亭,付保明,梁志正,孙春洋

(1.南京交通职业技术学院,江苏 南京 211188;2.苏州市轨道交通集团有限公司,江苏 苏州 215006;3.南通城市轨道交通有限公司,江苏 南通 226014)

0 引言

城市轨道交通是城市公共交通的骨干,具有安全、高效、快捷、节能、环保等突出特点,是一种可持续发展的交通运输模式。 智慧城轨建设是交通强国建设的重要路径和战略突破口之一,是当前城市轨道交通的发展方向。 2020 年3 月,轨交协发布的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》中明确指出,要充分利用第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology, 5G)、大数据、云计算、人工智能、物联网、区块链、卫星通信等新兴信息技术,构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国式智慧型城市轨道交通。由此可见,5G 技术是智慧城轨的基石,对于智慧城轨的构建必不可少。

5G 是具有大带宽、低时延及广连接等特点的新一代宽带移动通信技术,是实现人、机、物互联的网络基础设施。 5G 网络按照架构分为核心网、传输网、接入网,它使用了一系列先进的关键技术实现了技术革新。 核心网关键技术包括网络功能虚拟化(NFV)、软件定义网络(SDN)、网络切片(Network Slicing)和多接入边缘计算(MEC)。 传输网关键技术包括前传和回传技术(Backhaul& Fronthaul)。 接入网关键技术包括云无线接入网(CRAN)、软件定义无线电(SDR)、认知无线电(CR)、 Small Cells、自组织网络(SON)、设备到设备通信(D2D)、Massive MIMO、 毫米波(mmWave)、 波形和多址接入技术、带内全双工(IBFD)、 载波聚合和双连接技术、 低时延技术、低功耗广域网络技术(LPWA)、卫星通信等。

2018 年6 月,3GPP 发布了第一个5G 标准(Release-15),支持5G 独立组网,重点满足增强移动宽带业务。 2020 年6 月,Release-16 版本标准发布,重点支持低时延高可靠业务,实现对5G 车联网、工业互联网等应用的支持。 2022 年6 月,Release-17(R17)版本标准将发布,重点实现差异化物联网应用,实现中高速大连接。

1 业务需求

城轨无线通信系统是满足城市轨道交通生产、办公以及乘客移动通信需求的必不可少的基础网络,它大致可分为生产无线、办公无线、公安无线、乘客无线4类网络[1]。 生产无线网络主要满足列车运行指挥需要,一般为TETRA/WLAN/LTE;办公无线网络主要满足日常运营办公,一般为WLAN;公安无线网络结合地面公安无线通信制式进行选择,一般为PDT;乘客无线网络通常由移动运营商等第三方单位承建,一般为4G/5G 或WLAN。

将5G 应用于城轨无线通信网络中,对公网和专网业务进行综合承载,是前景可期的应用方向。 截至2021 年8 月,成都、北京、呼和浩特、深圳等城市开通运营的新线路都已实现了5G 公网在城轨的覆盖;但城轨5G 专网的应用尚处于探索阶段(武汉、石家庄、重庆、杭州等地)。 无线专网对于城轨运营的安全和效率尤为重要,下文主要探讨5G 在城轨无线专网中的应用。

根据轨交协相关指导文件要求、城市轨道交通车地数据传输需求以及未来需要承载的业务对带宽的主要需求[2],城轨运营无线网络包括生产、办公及乘客无线网络,它承载的业务按照性质可分为列车运行类、运营维护类和乘客服务类。

除了CBTC 列控数据、集群调度语音、车辆乘客信息(PIS)视频、车辆视频监视(CCTV)等传统常用车地无线业务之外,随着全自动无人驾驶模式的推广普及、智慧运维的迅猛发展,车辆走行部系统业务(弓网检测)、接触网检测系统业务、集群调度视频业务、乘客召援和对讲业务、列车中心广播业务、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监测业务、巡检业务、物联网业务等新兴业务亦对无线通信的传输带宽、时延及连接均提出了更高的需求。

城轨无线专网承载的业务需求主要包括:列车运行安全/非安全生产业务、维修类业务和其他业务,如表1 所示[3]。 根据表中的各种业务特点来看,迫切需要搭建一个大带宽、低时延、广连接的高可靠车地无线传输网络。 而5G 技术恰逢其时,单独组网不仅可以综合承载现有的所有业务,还可以增加多路高清视频,以及满足更多业务的需求,既简化了新线网络设计的复杂度,同时也降低了维护的难度[4]。

表1 城轨专用无线业务需求汇总

2 应用场景

2.1 无线技术制式比较

城轨专用无线网络主要传输车地之间视频、图像、数据、语音等业务,所用技术制式种类较多,主要有TETRA,WLAN,LTE-M,EUHT 等技术,这些技术制式目前仍处于共存状态。 TETRA 无法提供宽带业务;WLAN 技术虽然带宽大,但抗干扰能力弱;LTE-M 技术虽然抗干扰能力强,但在带宽方面捉襟见肘。 它们单独组网受限较大,无法满足城轨的综合承载需求,故常多网组合应用[5]。 但是,即使多网组合应用仍然不能满足城轨业务的潜在大带宽、低时延、广连接的固有需求。 5G 技术不仅能满足城轨业务的固有需求外,还有高可靠性,因此,5G 可以大展身手,“一网打尽”,综合承载各项业务。 需要将城轨车地生产无线的各项具体业务匹配到5G 的应用场景中。

2.2 承载业务场景归类

国际电信联盟定义了5G 的三大应用场景:增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)。 下面针对三大场景将城轨业务进行归类。

2.2.1 提升移动宽带,增强视频业务

5G 的网络速度是4G 的10 倍以上,用户体验速率达到1Gbps,这是满足超高清视频传输业务的有力手段。 5G 将提供大带宽(高速率)的移动服务,主要面向城轨3D/超高清视频等应用。 目前,城轨车辆CCTV,PIS 等业务的视频以高清(1080P)为主,4K,8K 超高清视频是继视频数字化、高清化之后的新一轮重大技术革新,是未来发展趋势。 不仅是传统的车辆CCTV、车辆PIS,新兴的接触网检测系统业务、车辆走行部系统、集群调度视频业务、巡检等视频相关业务都对超高清视频有使用需求。 超高清源视频实时传输容量巨大,5G 让超高清视频传输成为可能。

2.2.2 高可靠低时延,助力无人驾驶

目前4G 网络时延最好只能做到20 ms,在5G 场景下,传输时延只有1 ms。 全自动无人驾驶是城轨列控大势所趋,城轨无人驾驶、列车紧急文本下发、乘客召援和对讲业务等业务均对时延和可靠度异常敏感,它们迫切需要高可靠、低时延的无线通信技术。 5G 带来的超高可靠、低时延通信场景,能更好满足全自动运行(FAO,无人驾驶)的无线通信需求。

2.2.3 万物互联互通,奠基智慧运维

5G 突破了人与人之间的通信,使人与机、机与机之间的通信成为可能。 5G 连接能力可以达到100 万连接/km2。 5G 技术让城轨海量设施设备物联网应用得以实现,比如机电设备零部件和运营维护人员全部接入网络,进而实现万物互联、智慧运维[6]。

3 应用障碍

无线通信系统具有技术难度大、前期投入大、研发周期长及产业链庞大等特点。 参照基于 4G 的 LTE 专网技术自 2011 年在神华铁路线开展试验,历时5 年多才在轨道交通行业逐步推广。 因此,基于 5G 的城轨专网技术应用任重而道远。 5G 专网应用到城轨中亟须解决专用频段、系统安全、经济实用、低碳环保、绿色节能等一系列问题[7-8]。

3.1 频带专用性

频带资源一直是城市轨道交通无线系统重点关注的内容之一。 参照LTE-M,性能更优越的基于5G 通信技术的车地无线系统需要申请专用频点,这样可有效解决车地无线系统受到民用产品干扰的问题。 但目前具体的针对城市轨道交通的频带分配方案尚未明确,并且分配给城轨行业专用频宽的大小也是城轨车地业务高速率传送能否实现的先决条件。

3.2 系统安全性

5G 是面向垂直行业和运营商深度融合的网络,在安全性方面主要采用非物理隔离的虚拟隔离技术措施来保证安全性和不同的服务等级要求,但5G 是否能够满足 CBTC 的要求还需进一步研究。 此外,无线信号是开放传输的,由于无线接入的接入终端数量大幅增加,将对系统的信息安全带来极大的压力,要做好防护措施,以免重要的运营系统和关键设备受到威胁和攻击,对此还需要做深入的研究。

3.3 经济实用性

5G 系统由于频率的提高,无线信号的传输衰减也大大增加,5G 网络将是一个密集部署的无线通信网络,在小基站、大规模天线阵列的接入设备部署上将会产生大量的设备投资,对无线系统的维护和管理也大大增加了工作量。

此外,5G 网络如何贯彻执行节能减排、低碳环保的绿色发展理念,实现系统低功耗、高能效也不容忽视。

4 结语

5G 移动通信技术具有许多优势与特点,如大带宽、低时延、广连接、高可靠,能弥补4G LTE 通信技术的诸多不足,为城轨无线专网业务提供更加坚实的基础网络支撑。 5G 技术方兴未艾,将给轨道交通领域的无线通信技术带来一场深刻的技术变革。 相信在不久的将来,5G 通信技术必将在城轨无线专网中得到广泛应用,必将提高城轨运营的安全、效率和服务水平,进而必将开启智慧城轨新时代。