5G通信系统在城市轨道交通车地通信中的应用分析

蒋海林，邵颖霞，赵红礼

快轨论坛

5G通信系统在城市轨道交通车地通信中的应用分析

蒋海林，邵颖霞，赵红礼

（北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044）

中国国内5G系统已经开始商用，第一个5G系统演进版本的标准化已经完成。首先基于目前普遍采用的LTE-M介绍了城市轨道交通车地通信系统的概况和需求，分析了5G通信系统的关键技术及在城市轨道交通车地通信环境中的适用性，最后讨论提出了未来5G通信系统在城市轨道交通车地通信系统中的一些设计思路和方案，指出LTE-M加5G的NR-U是未来城市轨道交通车地通信建设的可行方案。随着车地通信业务的发展，5G系统将可能应用于未来的城市轨道交通车地通信中并发挥重要的作用。

轨道交通；5G；车地通信；NR-U；网络切片；车车通信

目前，中国城市轨道交通大多采用基于通信的列车运行控制系统(CBTC系统)，其重要特点之一是通过车地之间大容量、双向的数据通信系统来传输列车位置信息和控制信息。高可靠的通信网不仅是城市轨道交通安全运营的基础，也是提高城市轨道交通列车工作效率和自动化程度的有效前提。

现首先介绍城市轨道交通车地通信系统的概况，然后分析最新的5G移动通信技术及其在城市轨道交通车地通信中的适用性，最后研究在城市轨道交通车地通信环境中5G面临的问题，并提出初步技术方案。

1 城市轨道交通车地通信系统概述

城市轨道交通车地无线通信作为保障安全运营的重要环节，承载了多种业务，包括面向安全运营的业务和非安全的业务。面向安全运营的业务主要包括基于通信的列车运行控制系统CBTC (communications based train control)、宽带集群系统业务和列车运行状态监测系统，而面向非安全的业务包括车辆视频监控系统(image monitoring system，IMS)、轨道交通乘客信息(passenger information system，PIS)系统、面向运营维护类业务、面向乘客智能出行类以及面向应急防灾类等业务。不同业务对QoS (quality of service，服务质量)关键指标如吞吐量、时延的要求不相同。

在LTE-M系统的需求规范中，对LTE-M承载的部分业务需求进行了定义[1](见表1)。在GOA3 (grade of automation，自动运行等级3)或GOA4的要求下，LTE-M每小区的QoS需求如下：

表1 综合承载业务优先级与需求

除了以上业务，现在的很多LTE-M系统还增加了宽带集群业务。宽带集群业务包括语音和视频，也需要很大的带宽需求。此外，随着新形势下反恐安全的需要，要求上传的IMS视频监控业务的路数增加，如果要求8路视频业务实时上传，此时上行的业务带宽要求为11 Mb/s左右。现有的LTE-M系统在单网15 MHz频宽配置下，上行链路所能提供的平均带宽一般不超过10 Mb/s，因此现有LTE-M系统很难满足未来上行视频监控的更高带宽要求。

在列车运行控制方面，为进一步提高城市轨道交通运营的效率，业内信号厂家和科研院所开始研究基于分布式控制的城市轨道交通列车运行控制系统，实现局部列车之间的协同与编组，即虚拟编组技术[2]。虚拟编组可通过基于车车通信的“虚拟车钩”将多列列车编组为一列列车的形式，列车编队需要通过车车通信实现一个临时的局部自组织网。虚拟编组模式下列车和列车之间的追踪间隔极小，车车通信的超低时延要求极高。要实现列车间实时低延时通信，采用物理上的车车无线通信比通过地面核心网络转发的车车通信方式更为快捷，现有LTE-M通信技术尚不支持车车间的直接物理通信。

综上所述，基于4G通信技术应用下的LTE-M系统，其综合承载能力目前仍存在一定限制，在信息传输与处理上有待进一步完善。

2 5G关键技术及其在城市轨道交通车地通信中的应用分析

5G通信采用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等核心技术[3]，具有大带宽、高可靠、低时延、广连接等特点，5G技术发展区分成3大主轴，分别是提供更高带宽的eMBB (enhanced mobile broadband，增强移动宽带)，同时也包含了专为大规模物联网应用而发展的mMTC (massive machine type communication，海量机器类通信)，以及能满足各种实时通信需求，且可靠度更高的URLLC (ultra-reliable and low latency communi­cations，超可靠低时延通信)。

2.1 5G网络架构

为了满足不同应用场景和应用需求，5G网络引入SDN/NFV(software defined network/network function virtualization，软件定义网络/网络功能虚拟化)技术，将软硬件平台虚拟化和解耦，底层使用统一的NFVI基础设施，利用SDN控制器实现内部资源灵活调度。5G网络的核心网架构与之前的4G核心网相比有以下主要特征：

1) 控制面与用户面分离。控制面可以放在中央的机房里，因为它对时延处理要求不是太高。而业务面则不断下沉至边缘数据中心，离基站非常近，从而降低时延。

2) NFV/SDN技术。NFV技术应用于核心网，让软硬件解耦，网元成为了一个个软件功能模块。SDN软件定义网络，通过转发与控制面的分离，以及从全网的角度去看待IP网络，可以更好地调度网络，提高资源利用率。

3) 网络功能切片。将一个物理网络分为多个逻辑的网络，满足不同的应用需求。

城市轨道交通车地通信业务特点是每个小区中的列车数目比较少，通常一个小区不超过4辆列车，一条地铁线路不超过100辆车。而现在的5G通信网络通常是为公网设计的，一个核心网服务的用户达到几万甚至几十万以上。因此，5G网络应用于城市轨道交通车地通信系统的列车运行控制，核心网的能力大大过剩。但是，5G网络在城市轨道交通除了用于列车运行控制以外，还可用于提高乘客的乘坐质量与体验以提供众多及非安全信息的公众服务，因此在5G网络架构设计时必须综合考虑业务需求。

5G网络引入网络功能虚拟化技术，核心网的网元所依托的硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的，相互之间是“隔离”的，容易扩容、缩容，也容易升级、割接，可以大大节约资源，有利于降低维护难度和成本，因此非常适合应用在城市轨道交通环境中。

综上所述，将5G应用于城市轨道交通车地通信中，应研究5G核心网的虚拟化和核心网简化技术，设计适合城市轨道交通的SFC(service function chain，服务功能链)，并针对城市轨道交通不同业务类型，针对性地设计5G应用切片。

2.2 提高系统吞吐量、减小传输时延和提高可靠性的技术

2.2.1 5G系统提高系统吞吐量的技术

eMBB场景可以为用户提供更高的带宽，其关键技术包括：使用更高的频宽、Massive MIMO(massive multiple-input multiple-output，大规模多入多出天线)及多波束管理技术、毫米波(millimeter wave)技术以及更高效的调制编码技术等。

5G场景的标准带宽为100 MHz，远远大于LTE的最大20 MHz带宽，而Massive MIMO通过大规模天线，基站可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的高增益窄细波束，提供更灵活的空间复用能力，改善基站和终端接收信号强度并更好地抑制用户间干扰，从而实现更高的系统容量和频谱效率。

此外，5G通信系统采用了比4G通信系统更有效的调制编码方式。现有4G LTE在下行链路具有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM这四种调制方式，5G空口在此基础上新增1024QAM调制方式，提高了调制效率。在上行链路，目前4G通信系统采用的调制方式最高到64QAM，而5G通信系统可以采用256QAM，这样一个码元传输的数据就可以从6 bit增加到8 bit。与LTE数据信道所用Turbo码、控制信道用卷积码等编码方式相比，5G NR (new radio，新无线)采用了全新的信道编码方式，即数据信道用LDPC编码，控制信道和广播信道用Polar编码。这一改进可以提高NR信道编码效率，能以低复杂度和低时延，达到更高的传输速率。

如前所述，5G系统提高吞吐量的技术主要包括更大的频宽、Massive MIMO、毫米波技术和更高效的调制编码技术。毫米波技术传输距离太短，一般只有几十米，在城市轨道交通车地通信的环境中无法应用。而要采用更大的频宽承载城市轨道交通各种业务，则取决于未来5G车地通信的实现方式。目前，可用于城市轨道交通车地通信的专用频段最大为20 MHz，未来也几乎不可能占用100 MHz的专用频段。

由于相当比例的城市轨道交通车地通信环境为隧道，为了保证信号的均匀覆盖，在隧道环境通常采用漏泄电缆进行车地通信信号的覆盖。漏泄电缆中的无线信号在终端看来就是基站的一个天线端口发送的信号。受制于隧道壁对漏泄电缆的安装限制，通常一条线路只能安装不超过2条漏泄电缆。另外，在城市轨道交通车地通信环境中，多用户MIMO 所要求的用户分布在不同角度的条件无法满足。基于以上分析，多天线技术这个5G 最重要的增强技术在轨道交通场景下性能很难发挥。

目前在城市轨道交通环境中广泛应用的LTE-M标准，仍然是基于3GPP Release 9规范，其上行链路只能实现1*2的传输方式，上线链路吞吐量受到限制。而未来的5G系统根据线路漏缆安装和车载天线的配置方式，可以实现2*2或更高阶的上行传输，从而有效提高系统的上行吞吐量。此外，城市轨道交通车地通信环境中，可以采用5G技术中更高效率的调制编码技术。

2.2.2 5G系统减小传输时延和提高可靠性的技术

低时延高可靠URLLC场景是5G系统的另一个应用场景，URLLC的超可靠性是通过采用鲁棒性较强的编码和调制阶数、重复传输实现的。而其低时延实现的方法包括将调度时间资源单位进一步细分成mini-slot、采用自包含帧结构、多调度请求并发机制、上行免授权机制、采用多址边缘计算MEC技术以及HARQ (hybrid automatic repeat request，自动请求重传)反馈增强技术等。

以上的5G系统减小传输时延和提高通信可靠性的措施都是系统内部的实现方法，大部分可以在城市轨道交通环境中应用。而减小传输时延的多址边缘计算MEC技术影响5G核心网的架构和网络切片的设计方案，在城市轨道交通车地通信环境中需要针对性地进行设计。

2.3 车车通信

在5G新发布的R16版本中，对NR的蜂窝车联网通信(C-V2X)进行了优化和增强，即发展了NR-V技术。一般来说，终端和终端之间进行通信需要经过基站，两辆车之间的通信也是如此。但与道路相关的应用对可靠性和时延的要求极高，如果车辆之间能够直接通信，或者通过路侧基础设施来实现直接通信的话，可以进一步提升可靠性、降低时延，从而保障道路安全。C-V2X增加了终端与终端之间的直通性，也就是车车通信，从而提高了通信链路的可靠性。但是，汽车的车联网技术与轨道交通追踪的两列车的外部环境有很大的区别，轨道交通是相邻的两列车之间才需要车车通信，因此需要针对城市轨道交通的运行环境进行相应的设计。

5G NR-V定义的应用场景与道路交通的具体业务、实际状况密切相关，要在城市轨道交通环境中应用NR-V技术，需要针对城市轨道交通应用做相应的设计。

2.4 NR-U

5G NR-U，全称5G NR in Unlicensed Spectrum，即工作于非授权频谱的5G NR。它包括两种模式：LAA NR-U (授权频谱辅助接入NR-U)和独立式NR-U(独立NR-U)。

LAA NR-U，全称许可协助接入NR-U。LAA NR-U实际上是一种载波聚合技术，它将授权频段作为锚点，并定义为主服务小区，主服务小区传送控制信令和高QoS数据，而非授权频段定义为从服务小区，只传送数据，两者聚合，从而大幅提升下行速率。

独立NR-U不再需要授权频谱做锚点，它完全独立地在非授权频谱上运行，任何人都可以像无线网络连接一样部署自己的5G网络，可以用来部署单个接入点，也可以部署自己的5G专网。独立的NR-U像Wi-Fi一样公平，具有完全开放的共享非授权频段，只是使用的是5G NR技术，而不是WiFi技术。

在城市轨道交通通信环境中，由于2.4 GHz开放频段干扰严重，现在使用越来越少，而5.8 GHz频段则面临着无线信号衰减严重的问题。

2.5 切片管理

5G系统中，不同场景的通信对于网络空口的要求有很大不同，通过应用网络切片技术简化了复杂的网络部署及管理。网络切片，本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，以灵活应对不同的网络应用场景。网络切片是5G通信区别于4G通信的标志性技术之一。

网络切片实际是一个端到端的逻辑网络，由一组网络功能、资源和连接构成的一个网络切片，通常跨多个技术域，包括接入网，承载网和核心网。5G切片端到端编排包括接入网、核心网和承载网的编排。

未来城市轨道交通环境中要应用5G技术，网络切片将是关键技术之一。当前网络切片技术在3GPP标准中已经初步实现网络切片的基本功能和基本流程的定义，为5G网络部署和网络切片业务商用奠定了基础。但切片作为一个按需定制的端到端的逻辑网络，涉及无线、传输、核心网和管理域，如果完全按照各个领域的能力进行排列组合将会形成非常多的选择，如何能让行业更清晰地认识切片的能力并能最优匹配到行业应用是一个亟需解决的问题。目前，网络切片的标准化还没有完成，业内厂家、业主和科研院所需要针对地铁行业特点进行定制化设计和开发，一种城市轨道交通业务网络切片设计示意如图1所示。

图1 城市轨道交通车地通信的网络切片设计

Figure 1 Design of network slicing in urban rail train ground communications

3 未来城市轨道交通车地通信的技术方案分析

未来城市轨道交通车地通信系统要引入5G技术，有两种可能的路线：一是和通信运营商合作，基于公网5G并通过网络切片的方式在公网5G上承载地铁业务；二是地铁建设和运营单位自建地铁5G专网。

3.1 基于公网的5G通信系统建设方案

在城市轨道交通车地通信系统中引入公网的5G通信，可以有多种技术方案，例如在文献[4]中，毛磊等人提出了地铁自建5G 核心网和共享运营商基站资源、利用运营商5G 网络配置MEC设备本地分流数据或地铁列车终端接入运营商5G 网络等方案。现在通信设备厂商主流的方法都是采用网络切片实现地铁业务与公网业务的分离。但是，这些方案真正在地铁环境中应用，要实现地铁业务与公网业务在5G网络中共存，解决地铁车地通信业务在可用性、可靠性和干扰隔离等方面的问题。

3.1.1 网络切片的可靠性

网络切片是由很多个网元组成的一个逻辑网络。当考虑网络切片的可靠性时，以核心网网元构成的SFC(服务功能链)为例进行讨论。由于5G通信引入了网络功能虚拟化技术，虽然核心网的网元看上去很多，但是所依托的硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的，可以根据业务的需求进行定制。图2为一个SFC的例子[5]，在图中VNF (virtual network funcion，虚拟网络功能)可以为5G核心网的任意一个功能，表示业务到达率，1～4表示业务处理速率。从提高系统可用性的角度出发，每个VNF可以有一个备份。

图中，每个VNF系统(包含主用和备用两个VNF)的可靠性为：

p为单个VNF的可用性。而整条链路的可用性为：

城市轨道交通承载车地通信系统要求用物理上完全隔离的A、B网双网承载CBTC业务，根据LTE-M需求规范的要求，单网通信中断时间不超过2 s的概率不小于99.99%。根据此要求，需要综合考虑无线接入网和核心网的设计，使得系统的可靠性和可用性达到要求。

3.1.2 未来城市轨道交通车地通信中的低时延业务

对于城市轨道交通车地通信的低延时业务，如虚拟编组等，可以采用移动边缘计算MEC，将业务面下沉至边缘数据中心，离基站非常近，减小业务时延。如图3中在边缘节点，也就是在靠近基站gNB的地方放置一个用户面功能实体UPF，这样用户面数据可以快速地转发给用户终端。

图2 SFC设计示意图

Figure 2 Design of SFC

采用公网5G承载地铁业务的主要问题是公网5G需要承载安全相关的业务，对网络的可靠性和安全性要求很高，责任重大，通信运营商没有相关经验，出了问题的时候还涉及责任划分的问题，并且采用网络切片的方式承载地铁业务，其安全性和可靠性尚无足够的理论依据和实践证明。此外，5G网络的网络切片尤其是针对地铁业务的网络切片还没有可遵循的标准，目前难以实现。

3.2 地铁5G专网建设方案

在城市轨道交通车地通信业务中，CBTC等安全相关的业务对实时性和可靠性要求高，但对带宽的要求相对不高，而IMS、PIS和宽带集群业务对宽带的要求很大，但对可靠性的要求低一些。目前新建地铁在1785- 1805 MHz频段采用LTE-M技术进行车地通信。

采用地铁自建5G专网的方案，在有限的频谱资源条件下，可以考虑将1.8 GHz专用频段用来承载可靠性要求高、但带宽要求低的安全相关业务，5.8 GHz非授权频段用来承载带宽要求高但可靠性要求低的视频业务。这种方案又可以有两种不同的实现方式：一是分别在1.8 GHz和5.8 GHz开放频段采用5G NR技术和NR-U技术；另一种方式是在1.8 GHz频段仍然采用LTE-M技术，但在5.8 GHz开放频段采用NR-U技术。

由于LTE-M系统在城市轨道交通系统中应用的时间不长，并且相同带宽(20 MHz以下)的5G系统相比LTE-M系统性能上并没有太大的优势，从保护投资的角度出发，建议地铁建设采用LTE-M加5G的NR-U的建设方案。

目前华为和中兴等厂商在城市轨道交通环境中推广基于非授权频段的LTE-U方案，但由于LTE-U系统工作在5.8 GHz频段，列车快速移动带来的多普勒频移的影响远远大于1.8 GHz的LTE-M系统，因此LTE-U系统在高速运行环境下(如120 km/h)的吞吐量很难得到保证。而NR-U系统由于子载波的间隔在6 GHz以下频段最大可以设为60 KHz，此时多普勒频移对系统性能的影响要小很多。因此，在未来的5G NR系统中，通过设置更大的子载波间隔，NR-U将是一种更高效的车地通信方式。5G系统的NR-U技术在160 km/h以下速度条件下应用的适应性，将是5G在城轨应用研究的重点。

图3 引入MEC节点的5G通信系统核心网

Figure 3 Core network of 5G communications system with MEC node

采用5.8 GHz频段进行车地通信，存在的问题是5.8 GHz频段的衰减远大于1.8 GHz[6]，5.8 GHz的NR-R的覆盖范围远小于LTE-M系统，这将给无线网络设计和规划带来很多问题，也是未来采用NR-U设计必须考虑和解决的问题。

综上所述，未来的5G系统建议采用5G专网建设的方案，并且可以采用LTE-M加NR-U的网络建设方式，LTE-M系统承载安全相关的业务，而NR-U系统承载非安全相关的业务，既保护了投资，又能在保证安全业务QoS性能的同时，提高非安全业务的吞吐量。

3.3 基于5G V2X的城市轨道交通车车通信方案

在NR V2X的通信标准中，定义了车与车直接通信的直通链路(Sidelink)。通过采用直通方式，城市轨道交通通信系统的车车通信成为了可能，但是城市轨道交通与道路交通的车车通信有很大的区别。

1) 城市轨道交通同一轨道上前车和后车的距离通常远大于道路交通系统中汽车之间的距离，甚至超过车车通信所允许的最大范围。因此，能直接进行车车通信的列车数量远小于道路交通系统，直接进行车车通信的可能性也要小得多。

2) 轨道交通系统的车地通信环境有很多是隧道环境，而道路交通车车之间的通信链路通常是在开放的空间，车地通信和车车通信的信道环境有很大的区别。

3)道路交通的车地通信时延则通常不允许超过100 ms。对于城市轨道交通车地通信来说，通信时延要求是不超过150 ms的概率不小于98%，不超过2 s的概率不小于99.92%。城市轨道交通车地通信对通信的实时性要求低一些，因此在现有的业务要求下，城市轨道交通系统并没有采用车车通信的迫切需要。

4) 对于未来城市轨道交通的虚拟编组业务，列车之间的间距更小，对车车通信的要求更高，但目前尚无具体的性能指标要求，还需要做进一步的研究。

因此，要在城市轨道交通车地通信系统中应用NR V2X技术，通信方案必须进行相应设计。首先，必须判断是否有列车进入可以进行车车通信的范围，然后对进行车车通信的吞吐量、时延和系统可用性的性能进行评估，在此基础上再进行下一步操作。

4 结论

首先总结了城市轨道交通车地通信的业务和需求，介绍了5G移动通信的特点和关键技术，并对5G移动通信关键技术在城市轨道交通车地通信环境中的应用进行了详细的分析，最后对未来5G通信系统在城市轨道交通车地通信中的应用提出了初步的设计方案，未来的城市轨道交通车地通信建议采用LTE-M加5G的NR-U的建设方案。

[1] 城市轨道交通车地综合通信系统(LTE-M)总体规范 第1部分: 系统需求: T/CAMET 04005.1-2018[S]. 北京: 中国城市轨道交通协会, 2018.Long term evolution for metro (LTE-M) generic specifi­cation part 1: system requirement: T/CAMET 04005.1- 2018[S]. Beijing: China Association of Metros, 2018.

[2] RICCARDO P, HOLGER D, JOACHIM W, et al. Reasoning functional requirements for virtually-coupled train sets: communication[J]. IEEE communications maga­zine, 2019, 57(9): 12-17.

[3] 3GPP TS 22.261: Service requirements for the 5G system, Stage 1(Release 16)[S]. Valbonne: 3GPP, 2020.

[4] 毛磊,翟浩杰, 尹尚国. 5G在轨道交通行业的应用探讨[J]. 移动通信, 2020(1): 63-70.MAO Lei, ZHAI Haojie, YIN Shangguo. Discussion on the application of 5G in the rail transportation industry[J]. Mobile communications, 2020(1): 63-70.

[5] MENDIS H K V, LI F Y. Achieving ultra reliable com­munication in 5G networks: a dependability perspective availability analysis in the space domain[J]. IEEE Com­munications Letters, 2017, 21(9): 2057-2060.

[6] LI Jinxing, ZHAO Youping, ZHANG Jing, et al. Radio channel measurements and analysis at 2.4/5GHz in Sub­way Tunnels[J]. China Communications, 2015, 12(1): 36-45.

Application of 5G Communications System in Urban Rail Train Wayside Communications

JIANG Hailin, SHAO Yingxia, ZHAO Hongli

(National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Currently, 5G communications systems are already commercially available in China, and the first version of 5G has been standardized. The LTE-M system has been widely adopted in urban rail train wayside communications, and an overview and the requirements of urban rail train wayside communications based on LTE-M are first presented in this paper. Then, the key technologies and the feasibility of 5G communications in urban rail train wayside communications are analyzed. Certain design schemes for the application of 5G systems are presented in the following section, and LTE-M along with NR-R are considered as candidate schemes in future urban rail communications systems. The 5G communications system will play an important role, possibly in the development of communications services in urban rail systems.

rail transit; 5G; wayside communications; network slicing; vehicle communications

U231

A

1672-6073(2021)02-0042-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.007

2020-07-13

2020-08-17

蒋海林，男，副教授，从事城市轨道交通车地通信系统的研究，lhjiang@bjtu.edu.cn

自然科学基金项目资助(61973026)

蒋海林，邵颖霞，赵红礼. 5G通信系统在城市轨道交通车地通信中的应用分析[J]. 都市快轨交通，2021，34(2)：42-47.

JIANG Hailin, SHAO Yingxia, ZHAO Hongli. Application of 5G communications system in urban rail train wayside communications[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 42-47.

（编辑：王艳菊）