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摘要：城市轨道交通行业采用多种制式技术承载车地无线通信业务，无法满足未来地铁多种应用场景和业务演进需求。通过对未来地铁应用场景及业务需求演进情况进行分析，剖析5G技术的主要技术指标和关键技术，提供了城轨5G专网组网方案及各网络层的组网方式。城轨车地无线5G专网应用可以满足未来地铁业务需求，组网方案符合未来发展趋势，为智慧城轨发展提供了建设思路。
关键词：5G;轨道交通;业务需求;组网方案
中图分类号：TN929文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）18-69-5
0引言
在产业升级、数字化转型的时代背景下，城市轨道交通行业持续发展，信息化建设的成果初具规模[1]。轨道交通车地无线通信在这波浪潮推动下，从窄带演进到宽带，进而衍生出LTE、WLAN等多种技术。
当前阶段，Tetra系统可以满足列车集群调度需求，LTE系统和WLAN系统可以满足信号业务和综合承载业务需求。但随着《中国城市轨道交通智慧城规发展纲要》的发布，车地无线通信的需求发生了重大改变，当前技术即将无法满足未来的城轨行业信息化建设要求。如何将具备更低时延、更大带宽、更大连接密度的5G技术应用到车地无线通信场景，积极探索城轨行业的创新应用已经迫在眉睫。
1业务需求分析
车地无线通信系统通过满足列车自动控制系统（CBTC）、列车状态信息（TCMS）、列车集群调度、乘客信息系统（PIS）/视频监控系统（CCTV）业务、紧急文本、乘客紧急对讲（IPH）及运营维修业务等数据传输需求[2]，在列车与信号、列车与调度、列车与PIS、IMS（视频监控系统）、列车与维修等通信主体之间保证数据传输的安全、稳定、可靠，达到安全、有序、可持续运营的列车运营目标[3]，车地无线通信系统的业务需求如表1所示。
车地无线通信系统一般采用多种技术来满足业务需求，采用Tetra技术承载列车集群调度、LTE-M技术承载信号业务、WLAN技术承载PIS/CCTV等大带宽业务。车地无线通信系统也可单独采用LTE-M技术承载所有业务，但受限于频率带宽及频谱效率，仅处于基本满足承载需求的水平。
随着地铁客运里程增加和智慧城轨建设的发展，当前的业务数据越来越不能满足车地无线通信需求，主要体现在：车载视频无法实时、高清回传到运营中心;运营中心无法实时监测、分析列车状态;运营中心的PIS数据无法实时、直播式推送给车内乘客;日常运维、检修工作缺乏有效通信手段等方面。
2应用场景及需求演进
轨道交通行业加快向数字化、网络化和智能化方向演进，促使地铁在运营、调度、应急、安防及维护等场景中演化出新的业务需求。按地铁应用场景将业务需求划分成3类，分别是列车安全类、生产管理类和运维管理类。
2.1列车安全类
列车安全类业务需求包含CBTC、列车调度及列车状态监测等业务，主要保证列车安全运行，核心内容是保障列车与运营中心之间的数据传输实时、安全。
CBTC业务指列车运行控制系统中车-地双向互联数据业务，完成列车位置跟踪、移动授权、车次号上报等功能。在未来场景中，CBTC业务对传输时延要求更低，对传输可靠性要求更高。
列车调度业务指运营中心通过集群语音通信对列车行车计划的调度，包含对列车的出入库调度、正线调度等。随着客流量的快速增加，地铁行车间隔降低和正线行车数量增多，乘客对列车延误率容忍度在逐渐降低，因此通过监测分析列车司机身体状态、监测司机室及线路实时图像等可视化调度手段，保障列车稳定运行的要求越来越高。
列车状态监测指运营中心对列车上多种传感器状态的监测。目前由于车地通信带宽限制，大多数传感器数据只在列车控制中心存放，无法实时传输到运营中心，更无法对车辆传感器数据进行预警分析。随着我国全自动列车运营里程快速增长，列车状态远程监测、预警分析、故障诊断等功能的重要性逐渐增加。
列车安全类需求主要目标是实现具备低时延、低丢包率、高可靠、系统级冗余配置、高移动性等特征的车地双向数据传输，列车安全类演进需求如表2所示。
2.2生产管理类
生产管理类业务需求包括PIS、IMS等业务，核心内容是提供大带宽的车地无线数据传输通道。
PIS系统主要满足向乘客播报列车运营信息、公共紧急文本等功能，是信息傳播的重要窗口。受限于车地数据传输通道，车载PIS系统可以实现新闻、广告推送，但不能满足电视新闻直播、高清广告投送、体育赛事直播等场景，可以推送应急文本信息，但不能满足播发高清疏散通道图、可视化紧急呼叫等场景。
IMS系统主要满足运营中心通过车地无线链路实时、集中监控列车司机室、列车车厢等车载图像信息。IMS系统目前最多监控2路1 Mbps以上的车载视频，未来IMS需要集中监控更多列车图像信息。
生产管理类主要目标是实现无线网络大带宽传输，对丢包率、时延及可靠性不敏感，列车安全类演进需求如表3所示。
2.3运维管理类
运维管理类有需求应急、维修、自动售检票系统（AFC）、安检等业务，核心内容是提供广覆盖、高连接数的车地无线数据传输通道。 运维管理工作地点分布在地铁隧道、高架、车辆段及站厅等，每个工班都需要进行集群语音、可视对讲、图像信息传输等业务，对现有的无线网络负荷造成巨大挑战。该类业务场景主要实现广覆盖、高连接容量等功能，对吞吐量、可靠性、丢包率不敏感，列车安全类演进需求如表4所示。
3 5G关键技术
5G通信系统由5G核心网、5G基站（gNB）、终端（UE）及数据网络（DN）等组成，支持数据连接和服务。5G核心网将用户平面（UP）和数据平面（CP）功能分开，允许独立扩展运行，具备灵活网络切片功能，5G系统网络架构如图1所示。
5G通信系统在增强移动宽带（eMBB）、高可靠低时延连接（uRLLC）和海量物联（mMTC）三大场景中，相比LTE网络具有革命性发展。5G通信的关键指标[4]为：支持1Gbps以上的数据传输速率;支持低至1 ms的端到端数据时延;支持500 km/h以上的高速移动;支持高于100 Gbps/km2的连接密度;支持99.999%的高可靠性。
（1）大规模天线技术
大规模天线技术亦称Massive MIMO，相比LTE系统，5G的Massive MIMO支持的基站天线个数由传统2/4/8天线演进到64/128/256天线[5]，极大提升了小区峰值吞吐率;支持空间波束赋形技术，提供小区边缘信噪比及吞吐率，降低邻区干扰。
Massive MIMO技术配合100 MHz频谱带宽及合理的时隙配比，可以实现上行高达650 Mbps、下行高达2.5 Gbps的峰值速率。
（2）网络切片技术
5G核心网的UP和CP独立运行，网元之间进行了模块化设计，各网元位置可以灵活部署。5G核心网优化了本地路由并将UPF网元下沉到数据网络的部署位置，减少了网络节点，从而实现网络侧的低时延传输。5G系统在空口优化了帧结构，节省调度开销，从而降低了空口传输时延，时延优化关键路径如图2所示。
网络切片技术结合空口优化，实现了低至1 ms的数据传输时延。
（3）QoS流技术
5G QoS流是QoS数据转发处理的最小粒度，支持保证比特速率（GBR）和非保证比特速率（Non-GBR）。基于QoS流调度的承载不再设置专用承载和默认承载，每个数据会话必须有一個默认QoS规则相关联的QoS流，该QoS流在整个数据传输周期都给UE提供连接。
不同优先级的数据业务在不同的QoS配置上进行调度，高优先级的业务被优先保障调度，实现数据传输的高可靠性。
（4）其他技术
5G系统进行了时变信道估计[6]设计，支持多径信道解调，从而支持更高的终端移动性。设计了动态无线资源管理，优化了切换流程，保持了空口数据无缝切换的特性。
通过分析关键指标和关键技术，5G通信技术能够满足轨道交通行业未来多种场景的业务需求。
4 5G应用方案
传统的城市轨道交通专网分为应用层、网络层、接入层和终端层，将5G典型网络架构映射到城轨专网上，得到如图3所示的城轨网络5G组网架构。
4.1应用层组网
随着网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）等5G技术的兴起，应用层组网将不再局限于在运营中心设置本地的物理机房，实现自主可控、功能完备、安全可靠的城轨云与大数据平台成为未来趋势。
城轨云及大数据平台有助于突破数据共享壁垒，统一管理各业务的运维数据，实现云业务的协同管理。
当前阶段由于云基础平台尚不完备，应用层组网采用在运营中心建立专网数据中心的模式，统一接入各专业服务器，完成业务数据的处理。应用层与网络层之间通过部署安全防火墙，限制数据访问权限，实现网络安全隔离作用。
4.2网络层组网
城轨专网网络层主要实现5G用户平面网络切片部署和控制平面网络基于服务的交互。当前的网络切片部署方案主要分成3类，分别为优享、专享和尊享模式，主要区别在于城轨专网与运营商网络之间共享基础设施的范围，如表5所示。
地铁公司需综合考虑成本、安全及业务承载可行性等因素，建设符合自身实际的城轨5G切片网络。
参考传统城轨专网A/B网建设模式，5G UPF建设可以进行冗余配置，单个业务可以同时接入多个UPF和数据网络，当其中一个出现问题时，另一个UPF和数据网络可以独立完成业务传输。一定程度实现网络的数据业务冗余传输，提高车地无线链路可靠性，UPF网络冗余架构如图4所示。
4.3接入层组网
接入层组网指5G基站和传输网的组网。传统LTE在接入层组网时，将BBU集中部署在地铁沿线集中站机房，将RRU拉远部署在地铁轨旁，这种方式对机房资源要求高。5G接入层网络可以采用CRAN集中部署方式：将基站拆分成CU（集中单元）和DU（分布单元），在运营中心或集中站集中部署CU，将DU和AAU（有源天线单元）拉远部署，可以有效减少管理成本和节省机房资源，5G基站集中部署架构如图5所示。
4.4终端层组网
5G车载终端主要包含TAU、车载台等，用于承载信号业务、集群调度和综合承载业务。5G车载终端作为列车数据网关，将列车数据发往空口并传送到数据网络，同时接收来自空口的数据，并下发给车载业务设备实现业务数据的上传下达。
4.5城轨5G部署难题
5G技术能够满足城轨专网建设的业务指标和组网要求，但仍存在部分亟待解决的难题。
工信部无线委员会给城轨专网批复的频率为1 785～1 805 MHz，本频段不在5G FR1支持的频率范围内，为城轨5G专网部署重新申请专网频段还是复用运营商频段，是需要顶层设计的问题。
5G基站应用Massive MIMO技术支持在地铁地面部署64 T64R大规模天线，但在地铁隧道内不具备条件。主要是隧道内部署2根以上的漏缆成本极高，较少的漏缆根数无法达到Massive MIMO效果。
5G核心网部署时，运营商的UPF切片与城轨专网之间的数据传输路径尚不成熟，无法实现传统专网的安全、独立、隔离的目标，仍需要在优享、专享和尊享3种模式中探索。
5结束语
本文从当前城市轨道交通行业需求出发，分析未来地铁应用场景和业务需求演进情况，为了地铁应用场景趋向于“大带宽、低时延、高可靠”等方面发展。5G通信系统具有超可靠低时延、大规模大带宽接入能力，其关键指标正好契合未来地铁业务需求，并能提供较为完善的城轨专网组网方案，是未来车地无线通信专网的一种解决方案。
5G技术在地铁实际部署中仍存在一些问题，需要城市轨道交通协会牵头组织相关方进行深入的试验探索，共同推动智慧城轨加速發展。
参考文献
[1]佚名.中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[J].城市轨道交通，2020（4）：8-23.
[2]中国城市轨道交通协会.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.
[3]李士东，戴克平.5G在城市轨道交通行业中的应用分析[J].铁道通信信号，2020，56（7）：89-93.
[4] 3GPP TS 22.261：Service Requirements for the 5G System， Stage 1（Release 16）[S].Valbonne：3GPP，2020.
[5]艾渤，马国玉，钟章队.智能高铁中的5G技术及应用[J].中兴通讯技术，2019，25（6）：42-47.
[6]郑健海.面向5G移动通信系统的信道估计关键技术研究[D].南京：东南大学，2017.
关键词：5G;轨道交通;业务需求;组网方案
中图分类号：TN929文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）18-69-5
0引言
在产业升级、数字化转型的时代背景下，城市轨道交通行业持续发展，信息化建设的成果初具规模[1]。轨道交通车地无线通信在这波浪潮推动下，从窄带演进到宽带，进而衍生出LTE、WLAN等多种技术。
当前阶段，Tetra系统可以满足列车集群调度需求，LTE系统和WLAN系统可以满足信号业务和综合承载业务需求。但随着《中国城市轨道交通智慧城规发展纲要》的发布，车地无线通信的需求发生了重大改变，当前技术即将无法满足未来的城轨行业信息化建设要求。如何将具备更低时延、更大带宽、更大连接密度的5G技术应用到车地无线通信场景，积极探索城轨行业的创新应用已经迫在眉睫。
1业务需求分析
车地无线通信系统通过满足列车自动控制系统（CBTC）、列车状态信息（TCMS）、列车集群调度、乘客信息系统（PIS）/视频监控系统（CCTV）业务、紧急文本、乘客紧急对讲（IPH）及运营维修业务等数据传输需求[2]，在列车与信号、列车与调度、列车与PIS、IMS（视频监控系统）、列车与维修等通信主体之间保证数据传输的安全、稳定、可靠，达到安全、有序、可持续运营的列车运营目标[3]，车地无线通信系统的业务需求如表1所示。
车地无线通信系统一般采用多种技术来满足业务需求，采用Tetra技术承载列车集群调度、LTE-M技术承载信号业务、WLAN技术承载PIS/CCTV等大带宽业务。车地无线通信系统也可单独采用LTE-M技术承载所有业务，但受限于频率带宽及频谱效率，仅处于基本满足承载需求的水平。
随着地铁客运里程增加和智慧城轨建设的发展，当前的业务数据越来越不能满足车地无线通信需求，主要体现在：车载视频无法实时、高清回传到运营中心;运营中心无法实时监测、分析列车状态;运营中心的PIS数据无法实时、直播式推送给车内乘客;日常运维、检修工作缺乏有效通信手段等方面。
2应用场景及需求演进
轨道交通行业加快向数字化、网络化和智能化方向演进，促使地铁在运营、调度、应急、安防及维护等场景中演化出新的业务需求。按地铁应用场景将业务需求划分成3类，分别是列车安全类、生产管理类和运维管理类。
2.1列车安全类
列车安全类业务需求包含CBTC、列车调度及列车状态监测等业务，主要保证列车安全运行，核心内容是保障列车与运营中心之间的数据传输实时、安全。
CBTC业务指列车运行控制系统中车-地双向互联数据业务，完成列车位置跟踪、移动授权、车次号上报等功能。在未来场景中，CBTC业务对传输时延要求更低，对传输可靠性要求更高。
列车调度业务指运营中心通过集群语音通信对列车行车计划的调度，包含对列车的出入库调度、正线调度等。随着客流量的快速增加，地铁行车间隔降低和正线行车数量增多，乘客对列车延误率容忍度在逐渐降低，因此通过监测分析列车司机身体状态、监测司机室及线路实时图像等可视化调度手段，保障列车稳定运行的要求越来越高。
列车状态监测指运营中心对列车上多种传感器状态的监测。目前由于车地通信带宽限制，大多数传感器数据只在列车控制中心存放，无法实时传输到运营中心，更无法对车辆传感器数据进行预警分析。随着我国全自动列车运营里程快速增长，列车状态远程监测、预警分析、故障诊断等功能的重要性逐渐增加。
列车安全类需求主要目标是实现具备低时延、低丢包率、高可靠、系统级冗余配置、高移动性等特征的车地双向数据传输，列车安全类演进需求如表2所示。
2.2生产管理类
生产管理类业务需求包括PIS、IMS等业务，核心内容是提供大带宽的车地无线数据传输通道。
PIS系统主要满足向乘客播报列车运营信息、公共紧急文本等功能，是信息傳播的重要窗口。受限于车地数据传输通道，车载PIS系统可以实现新闻、广告推送，但不能满足电视新闻直播、高清广告投送、体育赛事直播等场景，可以推送应急文本信息，但不能满足播发高清疏散通道图、可视化紧急呼叫等场景。
IMS系统主要满足运营中心通过车地无线链路实时、集中监控列车司机室、列车车厢等车载图像信息。IMS系统目前最多监控2路1 Mbps以上的车载视频，未来IMS需要集中监控更多列车图像信息。
生产管理类主要目标是实现无线网络大带宽传输，对丢包率、时延及可靠性不敏感，列车安全类演进需求如表3所示。
2.3运维管理类
运维管理类有需求应急、维修、自动售检票系统（AFC）、安检等业务，核心内容是提供广覆盖、高连接数的车地无线数据传输通道。 运维管理工作地点分布在地铁隧道、高架、车辆段及站厅等，每个工班都需要进行集群语音、可视对讲、图像信息传输等业务，对现有的无线网络负荷造成巨大挑战。该类业务场景主要实现广覆盖、高连接容量等功能，对吞吐量、可靠性、丢包率不敏感，列车安全类演进需求如表4所示。
3 5G关键技术
5G通信系统由5G核心网、5G基站（gNB）、终端（UE）及数据网络（DN）等组成，支持数据连接和服务。5G核心网将用户平面（UP）和数据平面（CP）功能分开，允许独立扩展运行，具备灵活网络切片功能，5G系统网络架构如图1所示。
5G通信系统在增强移动宽带（eMBB）、高可靠低时延连接（uRLLC）和海量物联（mMTC）三大场景中，相比LTE网络具有革命性发展。5G通信的关键指标[4]为：支持1Gbps以上的数据传输速率;支持低至1 ms的端到端数据时延;支持500 km/h以上的高速移动;支持高于100 Gbps/km2的连接密度;支持99.999%的高可靠性。
（1）大规模天线技术
大规模天线技术亦称Massive MIMO，相比LTE系统，5G的Massive MIMO支持的基站天线个数由传统2/4/8天线演进到64/128/256天线[5]，极大提升了小区峰值吞吐率;支持空间波束赋形技术，提供小区边缘信噪比及吞吐率，降低邻区干扰。
Massive MIMO技术配合100 MHz频谱带宽及合理的时隙配比，可以实现上行高达650 Mbps、下行高达2.5 Gbps的峰值速率。
（2）网络切片技术
5G核心网的UP和CP独立运行，网元之间进行了模块化设计，各网元位置可以灵活部署。5G核心网优化了本地路由并将UPF网元下沉到数据网络的部署位置，减少了网络节点，从而实现网络侧的低时延传输。5G系统在空口优化了帧结构，节省调度开销，从而降低了空口传输时延，时延优化关键路径如图2所示。
网络切片技术结合空口优化，实现了低至1 ms的数据传输时延。
（3）QoS流技术
5G QoS流是QoS数据转发处理的最小粒度，支持保证比特速率（GBR）和非保证比特速率（Non-GBR）。基于QoS流调度的承载不再设置专用承载和默认承载，每个数据会话必须有一個默认QoS规则相关联的QoS流，该QoS流在整个数据传输周期都给UE提供连接。
不同优先级的数据业务在不同的QoS配置上进行调度，高优先级的业务被优先保障调度，实现数据传输的高可靠性。
（4）其他技术
5G系统进行了时变信道估计[6]设计，支持多径信道解调，从而支持更高的终端移动性。设计了动态无线资源管理，优化了切换流程，保持了空口数据无缝切换的特性。
通过分析关键指标和关键技术，5G通信技术能够满足轨道交通行业未来多种场景的业务需求。
4 5G应用方案
传统的城市轨道交通专网分为应用层、网络层、接入层和终端层，将5G典型网络架构映射到城轨专网上，得到如图3所示的城轨网络5G组网架构。
4.1应用层组网
随着网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）等5G技术的兴起，应用层组网将不再局限于在运营中心设置本地的物理机房，实现自主可控、功能完备、安全可靠的城轨云与大数据平台成为未来趋势。
城轨云及大数据平台有助于突破数据共享壁垒，统一管理各业务的运维数据，实现云业务的协同管理。
当前阶段由于云基础平台尚不完备，应用层组网采用在运营中心建立专网数据中心的模式，统一接入各专业服务器，完成业务数据的处理。应用层与网络层之间通过部署安全防火墙，限制数据访问权限，实现网络安全隔离作用。
4.2网络层组网
城轨专网网络层主要实现5G用户平面网络切片部署和控制平面网络基于服务的交互。当前的网络切片部署方案主要分成3类，分别为优享、专享和尊享模式，主要区别在于城轨专网与运营商网络之间共享基础设施的范围，如表5所示。
地铁公司需综合考虑成本、安全及业务承载可行性等因素，建设符合自身实际的城轨5G切片网络。
参考传统城轨专网A/B网建设模式，5G UPF建设可以进行冗余配置，单个业务可以同时接入多个UPF和数据网络，当其中一个出现问题时，另一个UPF和数据网络可以独立完成业务传输。一定程度实现网络的数据业务冗余传输，提高车地无线链路可靠性，UPF网络冗余架构如图4所示。
4.3接入层组网
接入层组网指5G基站和传输网的组网。传统LTE在接入层组网时，将BBU集中部署在地铁沿线集中站机房，将RRU拉远部署在地铁轨旁，这种方式对机房资源要求高。5G接入层网络可以采用CRAN集中部署方式：将基站拆分成CU（集中单元）和DU（分布单元），在运营中心或集中站集中部署CU，将DU和AAU（有源天线单元）拉远部署，可以有效减少管理成本和节省机房资源，5G基站集中部署架构如图5所示。
4.4终端层组网
5G车载终端主要包含TAU、车载台等，用于承载信号业务、集群调度和综合承载业务。5G车载终端作为列车数据网关，将列车数据发往空口并传送到数据网络，同时接收来自空口的数据，并下发给车载业务设备实现业务数据的上传下达。
4.5城轨5G部署难题
5G技术能够满足城轨专网建设的业务指标和组网要求，但仍存在部分亟待解决的难题。
工信部无线委员会给城轨专网批复的频率为1 785～1 805 MHz，本频段不在5G FR1支持的频率范围内，为城轨5G专网部署重新申请专网频段还是复用运营商频段，是需要顶层设计的问题。
5G基站应用Massive MIMO技术支持在地铁地面部署64 T64R大规模天线，但在地铁隧道内不具备条件。主要是隧道内部署2根以上的漏缆成本极高，较少的漏缆根数无法达到Massive MIMO效果。
5G核心网部署时，运营商的UPF切片与城轨专网之间的数据传输路径尚不成熟，无法实现传统专网的安全、独立、隔离的目标，仍需要在优享、专享和尊享3种模式中探索。
5结束语
本文从当前城市轨道交通行业需求出发，分析未来地铁应用场景和业务需求演进情况，为了地铁应用场景趋向于“大带宽、低时延、高可靠”等方面发展。5G通信系统具有超可靠低时延、大规模大带宽接入能力，其关键指标正好契合未来地铁业务需求，并能提供较为完善的城轨专网组网方案，是未来车地无线通信专网的一种解决方案。
5G技术在地铁实际部署中仍存在一些问题，需要城市轨道交通协会牵头组织相关方进行深入的试验探索，共同推动智慧城轨加速發展。
参考文献
[1]佚名.中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[J].城市轨道交通，2020（4）：8-23.
[2]中国城市轨道交通协会.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.
[3]李士东，戴克平.5G在城市轨道交通行业中的应用分析[J].铁道通信信号，2020，56（7）：89-93.
[4] 3GPP TS 22.261：Service Requirements for the 5G System， Stage 1（Release 16）[S].Valbonne：3GPP，2020.
[5]艾渤，马国玉，钟章队.智能高铁中的5G技术及应用[J].中兴通讯技术，2019，25（6）：42-47.
[6]郑健海.面向5G移动通信系统的信道估计关键技术研究[D].南京：东南大学，2017.