5G在城轨无线专网中的应用探索
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作者:陆海亭 付保明 梁志正 孙春洋
摘要：5G是具有大带宽、低时延及广连接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。文章简介了5G 技术概况，分析了城市轨道交通无线专网的各类业务需求，展望了城轨各类业务在5G三大应用场景中的具体应用，探讨了5G在城轨应用中亟待解决的问题，认为5G 必将在城轨无线专网中得到广泛应用。关键词：城市轨道交通;5G;业务需求 ;应用场景
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（5thGenerationMobileCommunication Technology，5G）、大稻荨⒃萍扑恪⑷斯ぶ悄堋⑽锪网、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（C-RAN）、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]。
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。
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