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基于5G无线通信技术的城市轨道交通信息传输系统设计

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年5月上作者：徐晨

[导读] 随着高速铁路的普及和列车运行速度的提高，列车控制信号的及时、可靠的无线传输和旅客的移动互联网接入成为关键。为了满足这些需求，铁路移动通信系统正从全球移动通信窄带系统(GSM-R)向宽带系统转变。与 GSM-R 相比，铁路宽带 LTE-R 和5G 可以提供更多的实时视频监控、多媒体调度和铁路物联网等业务。

和勤通信技术有限公司上海分公司   徐晨

摘要：随着高速铁路的普及和列车运行速度的提高，列车控制信号的及时、可靠的无线传输和旅客的移动互联网接入成为关键。为了满足这些需求，铁路移动通信系统正从全球移动通信窄带系统(GSM-R)向宽带系统转变。与 GSM-R 相比，铁路宽带 LTE-R 和5G 可以提供更多的实时视频监控、多媒体调度和铁路物联网等业务。本文首先简要回顾了现有的 GSM-R 系统，并讨论了其局限性。然后，讨论了用户需求和各种数据业务的未来发展，提出了未来铁路移动通信系统的关键性能指标。然后，综述了近期可能应用于铁路移动通信系统的无线技术和网络体系结构。最后，总结了未来铁路移动通信系统面临的技术挑战，并对本文进行了总结.
关键词：5G无线通信技术   城市轨道交通信息传输系统
        引言
        如今，四大发展趋势使得轨道交通交通成为一个越来越重要的课题。首先，由于铁路交通带来的舒适体验和便利，越来越多的人更喜欢乘坐火车出行和通勤。国际铁路联盟(UIC)的统计数据显示，2015年，高速铁路运输的乘客千分率超过了4790亿。其次，高铁线路的长度明显增加。到2015年，全世界已经建成了3.2万多公里的高铁线路。其中，中国有超过2万公里的高铁线路。根据中国铁路网中长期规划，到2025年，中国高铁线路总里程将达到3.8万公里。第三，高铁最高速度记录不断被打破。根据法国国家铁路公司的试验，高铁的最高轮速达到了将近575公里/小时。日本的7节车厢的“磁悬浮”列车达到了603公里/小时的最高速度。中国的 CIT500高速列车达到了605公里/小时的轮速。第四，为了达到高效、安全和便利的目标，铁路交通有望进入一个“智能轨道交通”的新时代，基础设施、火车、旅客和货物将日益相互联系。为了实现这一愿景(地平线2020支持的“智能、绿色和综合交通”目标的一部分) ，“移动铁路”项目已经陆续提出了智能铁路基础设施、智能移动性管理、智能铁路服务和新一代铁路车辆的建议。所有这些具体主题最终都要求在轨道交通中实现无缝的高数据率无线连接，这是新一代智能交通系统(ITS) 的一个关键因素。
因此，铁路通信需要从只处理关键的信号应用发展到各种高速数据应用，如高清视频监控、车载实时高速客运服务、多媒体调度视频流、铁路移动票务和铁路物联网。近年来，为了实现轨道交通的宽带无线接入，出现了各种技术，如长期演进高级(LTE-A) 、 IEEE 802.11 、 WiMax 、 IEEE 802.20 、铁路 LTE (LTE-r) 等。
        一．轨道交通5G通信技术概述
        近年来，快速、安全、高效的高速铁路已成为一种主要的运输方式。许多国家已经开发了高铁来连接主要城市，包括奥地利、比利时、中国、法国、德国、意大利、日本、荷兰、波兰、葡萄牙、俄罗斯、韩国、西班牙、瑞典、土耳其、英国、美国和乌兹别克斯坦。只有欧洲的高铁跨越了国际边界。截至2017年12月底，中国高铁总里程达2.5万公里，占世界总里程的三分之二，年运力超过14亿人次。与此同时，2017年9月，北京和上海之间的高速列车最高时速已经提高到350公里/小时。铁路移动通信系统作为连接地面和列车的重要通信线路，是高铁成功运营的关键技术之一。铁路标准全球移动通信系统(GSM-R)的首个国际移动通信系统提供可靠的双向信道，通过这些信道传输行车许可证、临时限速和其他列车控制信号[4]。GSM-R 已经成功应用了好几年，但还不能满足铁路行业的所有要求。铁路移动通信系统需要跟上4G 和5G 移动通信技术的发展趋势。
        近年来，随着 LTE 技术的成功商业化，铁路长期演进(LTE-R)系统成为一个热门的研究课题。第一个 LTE-R 网络生产是由诺基亚在2016年在韩国实施的。采用先进的物理层关键技术，如正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO) ，以及网络层关键技术，如所有 IP 分组交换和扁平网络结构，使 LTE-R 网络能够在高移动性下实现100Mbit/s 的数据传输，20mhz 带宽和100ms 系统延迟。因此，LTE-R 系统能够提供比 GSM-R 更为全面的铁路业务，如铁路视频监控和列车多媒体调度。
        然而，4G 系统 LTE Advanced (LTE-a)不能适应一些潜在的铁路服务，包括自动驾驶和铁路物联网(RIoT)的大规模连接。列车运行自动化虽然早已在列车上得到应用，但它不能处理复杂的紧急情况。因此，为了实现自动驾驶、防暴系统的大规模连接和乘客的互联网接入，5 g 通信作为一种有前途的解决方案被国际电信联盟(ITU)提出，它最终将实现1Gb/s 的超高峰值数据速率，1-5ms 的超低系统延迟和现有网络容量的1000倍。在2015年，ITU 为新的5G 应用场景定义了三个主要方向，包括增强移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)和超可靠的低延迟通信(uRLLC) 。由于高密度乘客，高速行驶和大量的传感器，高铁可以被认为是一个典型的需要在所有三个方向上发展的场景。最近，世界上最大的5G 测试网络已经在中国部署，5G 有望在2020年商业化。随着5G 技术在未来几年的快速部署，铁路移动通信有望进一步提高5G 技术在铁路系统中的应用。到目前为止，对 GSM-R、 LTE-R 网络和5G 技术的研究已经很多，但对基于5G 的铁路通信网络的研究还很有限。
        二．轨道交通5G通信技术发展现状
        UIC 颁布的 GSM-R 是第一个国际铁路标准移动通信系统，该系统建立在 GSM 技术基础上，并受益于其 GSM 技术传统的规模经济效益，旨在成本效益高的数字化替代那些不兼容的轨道内电缆和模拟铁路无线网络。GSM-R 通常使用靠近铁路的专用基站(BSs)实现，隧道覆盖使用定向天线或“漏”馈线传输。GSM-R 在一个特定频段具有9.6 kbit/s 的双工频率分离数据传输(在欧洲，上行: 876-880兆赫，下行: 921-925兆赫; 在中国和南非，上行: 885-889兆赫，下行: 930-934兆赫;在印度，上行链路: 907.8-909.4兆赫，下行链路: 952.8-954.4兆赫; 在澳大利亚，使用1800兆赫频段的上行和下行链路) ，支持移动速度达到每小时500公里。以我国 GSM-R 系统为例，按照等跨度信道分配原则，共有21个载波信道，信道序列号为999~1019。去除了用于分离和保护的999和1019通道，实际上有19个通道可用，每个都有0.2 MHz 的带宽。

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相邻专用 GSM-R 系统之间的距离为3-5公里，因为需要冗余覆盖以保证高可用性和可靠性。
        GSM-R 网络提供了一个可以开发多种业务以满足铁路相关通信需求的信息平台。 GSM-R 的业务模型自下而上可以分为四个层次: GSM 服务、高级语音呼叫项目(ASCIs)、铁路专用服务和铁路应用。由于 GSM-R 继承了 GSM 的大部分功能，GSM 提供的业务成为 GSM-R 业务的基础。此外，GSM-R 还提供 ASCI 和铁路专用服务，以满足铁路专用通信需求，如集团语音呼叫。ASCI 包括增强型多级优先和抢占(eMLPP)、语音广播(VBS)和语音组呼叫(VGCS)。铁路专用服务包括功能寻址、功能寻址表示、访问矩阵和位置相关寻址。GSM-R 在 ASCI 和铁路专用业务的基础上，提供了多种铁路应用，包括列车控制信息的传输、调度指令和无线列车编号。毫无疑问，GSM-R 成功地实现了其最初的设计目标。尽管如此，近年来还是发现了一些主要的局限性：
        其一，低链路速率: GSM-R 的每个连接的最大传输速率为9.6 kbit/s，这对于图像和视频服务来说是不够的。此外，GSM-R 的延迟在400毫秒的范围内，这太大了，无法提供任何实时交互式服务。
        其二，系统容量小: GSM-R 系统可用的4MHz 带宽只能支持每个信道0.2 MHz 带宽的19个信道，不能满足快速发展的铁路通信。然而，由于 GSM-R 相邻频段已被占用，很难提高 GSM-R 的系统容量。
       最后，少数乘客服务: 随着移动互联网的发展和个人移动终端的普及，乘客对快速、高质量互联网接入的需求显著增长。然而，GSM-R 只提供列车调度和控制服务。到目前为止，火车上的乘客通过铁路沿线的公共网络接入互联网，但用户体验很差。
        三．轨道交通5G通信技术案例分析
        3.1 工程概况
        该项目位于上海浦东新区5 G新宏站项目，主要面向浦东外环外地区(主要是南汇、临港、张江、川沙、外高桥地区)，新增796个5 G宏站；达到该区5 G信号基本覆盖。
        3.2 网络架构
        与以前的蜂窝网络代相比，5G 网络基础设施的密集化引入了 UDN 范式，以获得较大的系统性能增益。这是因为每个用户都有一个或多个 BSs 专用服务。因此，可以利用近端通信和改进的空间自由度。然而，联合用户网络的部署也引入了高度挑战性的干扰管理。为了应对这一挑战，需要考虑回程开销、成本约束和计算复杂度，从而制定高效和实际的网络部署策略。另一个有前途的5G 网络体系结构是 UCN，它有利于集中信号处理、低硬件成本、用户之间无干扰连接等等。它利用了快速发展的云和边缘计算技术的优势。然而，UCN 需要全局 CSI 知识，以便在 ap 之间进行有效的合作。此外，UCN 需要大量的额外容量。在未来的研究中，有希望研究动态 AP 选择、前端压缩、导航分配、功率控制和移动性管理。
        3.3 频段选择
        铁路通信信道模型不同于传统的蜂窝通信信道模型，需要新的测量方法和模型方法在频道建模中，区分6 GHz 以下和20 GHz 以上的频率通常是有用的。在6 GHz 以下，现有的研究大多集中在窄带测量，表征路径损耗，小尺度衰落，以及在各种环境下的阴影，如开放区域，路基，高架桥和火车站。
        3.4 体系架构
        铁路网络体系结构的要求与公用移动通信网络在很多方面有所不同。首先，铁路网络体系结构应该是一个连接各级调度中心的专用通信传输网络。这确保了所有元素通过不同的信息模式相互作用，例如列车司机和调度中心之间的语音呼叫，列车运行控制数据，以及智能铁路基础设施的视频监控数据。此外，铁路通信网络致力于建立一个综合、可靠的应急指挥系统，以实时现场信息作为在紧急情况(如自然灾害或交通事故)下的决策基础。此外，列车运行控制的具体性能要求体现在可靠性业务、专用设备、及时传动等方面。5G-R 网络体系结构的设计主要包括三个部分: 接入网、 CN 和空中接口。与 C-RAN、 D-RAN、 F-RAN 和 H-CRAN 不同，网络体系结构应充分考虑实时性和高可靠性访问以及始终在线传输。它应该能够执行混合网络使用低(低于6 GHz)和高(mmWave)频带。CN 设计同样应该考虑到5G-R 服务和应用，其中使用了网络切片和 SDN/NFV 网络架构。同时，5G-R 网络结构应该支持超可靠的列车运行控制信号传输和高质量的用户体验，以满足多样化服务的多样化需求。应该添加新的 CN 元素以提供不同级别的 QoS。
        之后基于 SDN 和 NFV 的控制域建立了组件化网络。网络将 c 平面和 u 平面完全解耦，灵活地重构了网络的系统控制、网络编排、容量开放等功能。因此，通过对 NFV 的网络功能编排，可以实现特定用例的网络切片、列车关键任务的可靠性以及高质量代价。同时，SDN 使系统能够完全转发和控制元件分离。转发域集中于拓扑感知的路由和用户数据的分布式转发，而控制域集中控制网络。为了满足列车相关业务和旅客相关业务的不同需求，网关设备的简化设计和平面布局侧重于业务传输和带宽扩展，提高了网络边缘的计算和存储能力，满足了时间敏感业务的严格延迟，从而促进了5G-R 网络体系结构的全能扩展。
        四．结束语
        综上，作为一个异构的综合网络，5G 将向后兼容现有的无线通信技术(如3G、 LTE 和 LTE-a)。这意味着5G 将支持所有现有的铁路服务，包括 ASCI 和铁路特色服务，为5G-r 奠定基础。由于自主行驶时延短，实时视频监控数据容量大，以及铁路物联网的大量传感措施，高速铁路被认为是5G 的典型场景。
参考文献：
[1]鲍捷. 城市轨道交通中5G通信技术的应用探讨[J]. 通讯世界,2019,26(08):22-23.
[2]曾文. 面向高速铁路的无人机中继无线携能通信研究[D].北京交通大学,2019.
[3]周相钰,祝陶美. 5G通信在城市轨道交通的应用[J]. 信息通信,2018,(09):169-172..