公专融合5G车地无线通信系统

李 辉，张新波

(1.中信科移动通信技术有限公司，武汉 430205； 2.武汉虹信科技发展有限责任公司，武汉 430205)

0 引 言

当前城市轨道交通中的无线通信体系按专业划分主要包括：列车自动运行通信控制(Communication Based Train Control, CBTC)系统、乘客信息系统(Passenger Information System, PIS)、车辆视频监控(Closed-Circuit Television, CCTV)系统以及其他集群和专用通信系统等。这些专业涉及不同部门，采用不同技术体制，使用不同无线频段，需要独立投资建设及维护管理。

在专网频段申请日趋困难的情况下，很多城市只能使用较小带宽(5～10 MHz)重点保障CBTC系统业务，而CCTV和集群调度指挥等专门业务还无法摆脱传统的多网运营模式。

在第五代移动通信技术(The 5th Generation Mobile Communication Technology，5G)标准趋于成熟和产业链加速发展的背景下，由于5G有着大带宽和高速率的增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、支持海量连接的大规模机器通信(massive Machine Type of Communication, mMTC)以及稳定可靠和低时延(ultra-Relaible and Low Latency Communication , uRLLC)特性，那么在缓解PIS/CCTV高清多路视频传输的带宽瓶颈、隧道环境监控和数据采集及列车运行控制等方面，如何应用5G技术推动城市轨道交通车地无线通信技术革新和应用服务升级，同样也是一个值得探索的技术应用领域[1-2]。

1 公专融合5G车地无线通信系统方案

原有的第四代移动通信技术(The 4th Generation Mobile Communication Technology, 4G)网络因受频段限制而无法兼顾专门业务和综合承载业务的服务，本方案将在网络架构设计和业务应用模式等方面探索如何以5G技术为载体，更好地服务于轨道交通行业专门应用，保障轨道专网业务的安全性，从而提升轨道交通专网服务水平[3]。

本方案利用4G轨道1.8 G专网，通过软件升级方式将现有4G专网升级为支持5G非独立(Non-Standalone, NSA)组网技术的增强型4G专网。基于5G运营商的公网基站，使用基站资源共享方式，利用5G基站的大带宽，承载轨道交通专网的PIS和CCTV系统等大带宽业务及集群和隧道监控等其他业务[4]。其中CBTC为列车控制信号，其重要性和优先级最高，其方案要求双网冗余，所以本方案利用4G专网作为CBTC业务的主网络，5G网络作为承载CBTC业务的备份网络。PIS和CCTV系统等属于综合承载业务，其重要性和优先级次之。随着车辆的增加以及CCTV系统摄像头的高清化，4G 长期演进(Long Term Evolution, LTE)技术上行带宽受限越来越明显，5G公网会极大地补充4G轨道交通专网的大带宽传输需求。图1所示为公专融合5G车地无线通信系统方案图。

本方案的地铁业务方案之一为控制面共享切片部署，其业务路径与公网物理隔离、公网控制网元共享，用户平面功能(User Plane Function，UPF)下沉，包括接入和移动管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)、统一数据管理功能(Unified Data Management，UDM)、认证服务功能(Authentication Server Function，AUSF)和策略控制功能(Policy Control Function，PCF)等网元。图2所示为专网控制面信令和用户面数据流，如图所示，控制信令顺序为用户设备(User Equipment，UE)—5G基站(Generation NodeB，gNB)—AMF(UDM/AUSF/网络切片选择功能(Network Slice Selection Function，NSSF)/网络存储功能(Network Repository Function，NRF))—会话管理功能(Session Management Function，SMF)(PCF/NRF)—UPF；业务数据UE(仅访问专网)—gNB—UPF—地铁网。公网进行用户数据管理和身份鉴权处理等管理，保存用户签约数据和协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)会话相关动态数据等信息。用户面的数据可根据要求进行软或硬加密等处理，以保障地铁业务数据的安全性，运营商统一对公网和专网UPF设备进行资源管理和运营[5]。

图1 公专融合5G车地无线通信系统方案

图2 专网控制面信令和用户面数据流

本方案采用创新的1.8 G NSA组网架构，利用4G 1.8 G专网作为4G的主基站，5G公网基站作为辅基站，其中具体采用NSA option 3X架构。需将4G专网核心网小幅升级为NSA双连接，4G基站升级为支持X2的R15协议双连接，TAU升级为支持1.8 G LTE+3.5或2.6 G双连接。由于运营商的公网需要同时承载5G公网业务和地铁业务，本方案采用静态结合动态资源划分的方式分配5G 新空口(New Radio，NR)的空口资源。隧道内部部署双漏缆用于支持两天线多入多出 (Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO)，露天区域采用极化天线进行覆盖[6]。

2 方案搭建

2.1 4G专网基站

目前国内轨道交通行业参与构建数据通信系统(Data Communication System, DCS)信号系统的LTE设备一般采用分布式基站组网方式(如图3所示)，可通过软件升级支持5G NSA Option 3X方式组网。其中BBU负责基带信号的处理， RRU负责射频信号的处理，两者之间通过光纤传输进行拉远。RRU设备既可安装在地铁车站设备机房，也可安装在隧道内部，覆盖地铁列车运行轨道，其采用1 785～1 805 MHz专网频段，承载CBTC系统、CCTV系统和PIS等综合承载业务。

图3 分布式基站组网方式

通过升级BBU软件使其支持5G NSA功能，配合5G公网基站，可接入5G车载终端设备，实现更高带宽要求的综合承载业务。

2.2 5G公网NSA基站

本方案采用NSA组网方案，通过公网5G网络的高带宽能力承载未来地铁行业更高带宽的综合承载业务需求。利用NSA组网技术接入到目前的4G LTE专网，所有业务独立于5G公网网络，实现与公网业务的隔离，满足业主对地铁业务的安全要求。

未来5G网络建设中大量应用分布式皮基站来提升网络覆盖质量将成为主流的部署方案，轨道交通典型的隧道场景非常适合用分布式皮基站来覆盖。

分布式皮基站是一种新型的数字化基站主设备，采用3级网络架构。5G BBU负责基站信号的处理，射频信号集线器(Radio Hub, RHUB)主要完成上连BBU Ir光接口到下连皮站射频拉远单元(pico-Remote Radio Unit, pRRU) Ir光接口的数据分发和汇聚功能、天线数据合并和天线数据分发功能、通过Ir光接口从BBU获取系统时钟和系统同步功能及通过Ir光接口进行设备级联的功能。pRRU实现射频信号处理功能，pRRU通过有源以太网(Power over Ethernet, PoE)或光电复合缆接口与RHUB连接。接口连接关系如图4所示。

图4 分布式皮基站3级网络架构

2.3 4G专网核心网

本方案通过对现有轨道交通项目LTE核心网进行软件升级，支持5G NSA连接功能，同时接入现有的LTE 演进型Node B(evolved Node B，eNB)和公网gNB，实现对LTE系统的带宽扩容。改造后的LTE网络将专用于CBTC系统和列车状态信息等低带宽业务的传输，以满足CBTC系统等业务的高可靠性和高安全性要求。5G公网将专用于CCTV和PIS等综合承载业务，以满足未来更高带宽要求的综合承载业务。

演进的分组核心网(Evolved Packet Core, EPC)由移动管理实体(Mobility Management Entity, MME)、服务网关(Serving Gateway, S-GW)和分组数据网关(Packet Data Network Gateway, P-GW)等网元组成，图5所示为EPC网络架构图。其中，MME负责接入鉴权、移动性管理、会话管理、切换控制、MME Pool管理、跨地域漫游和网络时间协议(Network Time Protocol, NTP)客户端等功能；S-GW负责承载管理、路由选择和数据转发及服务质量(Quality of Service, QoS)控制等功能；P-GW负责UE网际互连协议(Internet Protocol，IP)地址管理、承载管理、路由选择与数据转发及QoS控制等功能。

2.4 5G车载终端

2.4.1 车载TAU

车载TAU的主要模块设计包括客户终端设备(Customer Premise Equipment，CPE)模块、电源模块和功放(Power Amplifier，PA)模块，如图6所示。

图5 EPC网络架构

图6 车载TAU

(1) CPE模块

图7所示为CPE模块示意图。如图所示，CPE系统板由以下几个单元构成：

· 1片主控芯片系统(中央处理器(Central Processing Unit,CPU))；

· 1片5G/4G双模无线模块；

· 1片无线局域网(Wireless Fidelity，WiFi)模块及相关的外设芯片；

· 1片千兆以太网交换机(Gigabit Ethernet Switch,GE Switch)芯片及1片千兆物理层换口(Gigabit Ethernet Physical interface,GE PHY)芯片时钟单元；

· 电源模块

· 对外接口(RS485、RS232、USIM接口)。

图7 CPE模块

其中，核心网部件为5G/4G无线模块。该模块支持中国全网通，即支持5G：n78,n79,n41和LTE：B1,B3,B7,B8,B34,B38,B39,B40,B41以及LTE-M规定的1.8 G专网频段，即1 785～1 805 MHz。

主控CPU与模组之间采用AT(Attention)指令方式进行交互，如图8所示。

图8 AT指令交互

(2) 电源模块

该模块负责给CPE系统板和PA系统供电。可同时双路输出+12和+28 V。考虑现场不同方案的需要，提供交流220 V AC、直流110 V DC和直流48 V DC 3种输入。

(3) PA模块

2和10 W设备的PA模块采用相同的PA管，其中2 W设备的PA模块采用线性回退技术，10 W设备的PA模块采用模拟预失真(Analog Pre Distortion，APD)技术，如图9所示。

图9 PA模块

2.4.2 车载双链路备份

在部分应用中，为提高系统可靠性，需要提供主备两条传输链路，其中一条链路工作在主模式，另一条链路工作在备份模式。

假设图10中的链路1(有线链路1+CPE1+无线链路1)为主链路；链路2(有线链路2+CPE2+无线链路2)为备份链路。当CPE1检测到无线链路1的链路质量不足以支撑业务要求或CPE1故障或有线链路1故障时，应用系统数据流切换到链路2；当链路1恢复正常后，应用系统数据流也恢复到链路1。

图10 传输链路

路由备份：分别将链路1和2配置为交换机的主备路由。当无线设备检测到无线链路故障时，关闭有线链路，通知交换机路由故障，然后由交换机完成路由切换。

链路聚合：指将多个物理端口捆绑在一起成为一个逻辑端口，链路聚合可增加链路带宽和链路冗余备份。

链路聚合支持两种工作模式：负荷分担和非负荷分担模式(主备模式)。负荷分担模式：聚合组的各成员链路上同时都有流量存在，它们共同进行负载分担，采用负荷分担后可以给链路带来更高的带宽，当聚合组成员发生改变，或部分链路发生失效时，流量会自动重新分配；非负荷分担模式(主备模式)：聚合组只有一条成员链路有流量存在，其他链路则处于Standby 状态，这实际上提供了一种“热备份”的机制，因为当聚合中的活动链路失效时，系统将从聚合组中处于Standby状态的链路中选出一条作为活动链路，以屏蔽失效链路，切换速度为毫秒级。

将链路1和2捆绑在一起，成为一个逻辑端口。当CPE检测到无线链路故障时，通过链路聚合控制协议(Link Aggregation Control Protocol ，LACP)完成与交换机间的聚合信息交互，启动备份链路。

虚拟路由器冗余：虚拟路由冗余协议(Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP)通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备，使用一定机制保证当主机的下一跳交换机出现故障时，及时将业务切换到其他交换机，从而保持通信的连续性和可靠性。

VRRP将该虚拟路由器动态关联到承担传输业务的物理设备上，当该设备出现故障时，再次选择新设备来接替业务传输工作，整个过程对用户完全透明，实现了内部和外部网络不间断通信。快速切换可以使VRRP主备切换的时间控制在200 ms以内。将两个CPE设备构成一个VRRP备份组。当CPE检测到无线链路故障时，通过VRRP再次选择新设备来接替业务传输工作。

路由备份、链路聚合和虚拟路由器冗余3种组网方案的对比如表1所示。

表1 组网方案对比

2.4.3 车载TAU组网方案

本方案所用的车载终端采用LTE/5G双模TAU终端，终端通过双连接技术同时接入到LTE和5G网络，其中CBTC业务通过LTE专网传输，CCTC和PIS等综合承载业务则通过5G公网网络进行传输[7]。

图11所示为一典型的车载TAU组网方案，在列车两端分别布置两台TAU实现CBTC信号系统、火灾报警系统(Fire Alam System,FAS)和车辆状态信息等业务综合承载接入。单端两台TAU通过合路器合路，共用两个车载垂直化鱼鳍天线和两个平板天线进行通信。所有业务通过车载交换机与TAU连接。

图11 车载TAU组网方案

2.5 隧道覆盖方案及业务需求

结合5G设备规格属性，针对地铁典型隧道覆盖场景需求，本方案采用高防护等级的室分分布式天线系统(Distribute Antenna System，DAS)覆盖，图12所示为室分DAS覆盖图。

如图所示，车站安装了BBU和交换机，轨旁间500 m左右安装RRU和双漏缆，BBU至RRU光纤

星型连接，车辆改装2.6 G频段天线或靠窗临时连接测试终端。

同时，需要满足相应的地铁专用业务需求，不同业务类型具有不同的带宽需求：下行(地→车)以PIS业务需求量为最大(4～6 Mbit/s)，结合多车CBTC业务需求，至少需保留10 Mbit/s以上传输带宽；上行(车→地)以车辆CCTV回传业务需求量为最大(每路2～4 Mbit/s)，14路并发视频回传需至少保留60 Mbit/s以上传输带宽，具体业务需求如表2所示，部署要求如表3所示。

图12 室分DAS覆盖

表2 专用业务需求

表3 部署要求

3 结束语

本方案提出的车地无线通信系统有效地保护了已有的4G 投资，对原有4G 专网系统进行平滑升级，5G作为4G的补充覆盖来承载大带宽需求，固定投资较小。基于5G NSA网络来承载地铁业务，可以第一时间利用5G技术实现行业应用案例，由于运营商早期都是部署NSA网络，轨道可尽早利用现有5G网络技术尽快部署轨道行业应用。同时采用4G/5G双网冗余设计增强可靠性，采用3X架构组网，数据业务可同时在4G/5G上传输，当4G/5G任意一个系统发生故障时不影响轨道业务传输，提高了系统的可靠性；采用单TAU综合承载方案可大幅减少车载设备和系统复杂度，终端通过双连接技术同时接入到LTE和5G网络，其中CBTC业务通过LTE专网传输，CCTV和PIS等综合承载业务则通过5G公网网络进行传输，经实践测试，承载业务能满足高速率和多路承载的要求，并且该系统具有很好的灵活性和适应性，在保证CBTC核心业务的前提下，可根据5G覆盖情况无缝开通CCTV和PIS等各项业务。本方案在没有5G覆盖的地方可以用4G承载CBTC业务，在5G覆盖达标后可立即无缝完成双网对接。