5G承载城轨车-地综合通信方案分析

王晓龙

中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司  上海市  200435

摘要：随着城轨车辆的逐步更新换代，对通信技术的要求也越来越高，其中车-地综合通信系统是实现城轨车辆与地铁信息互通的关键技术之一。车-地综合通信系统将列车作为移动平台和数据平台进行连接，并与轨道车辆进行通信。同时利用5G传输技术实现车辆与地面的信息交互。为了满足城轨车辆及地面系统发展对列车通信系统提出了很高的要求，同时在未来城轨通信系统也需要更加智能化以及低成本等特点。那么从车-地综合通信系统出发要满足哪些要求呢？下面将从车辆-地综合通信系统架构及性能、通信设备选型以及系统维护方面进行分析和探讨来为其提供最优支撑条件。

关键词：车-地通信；5G；承载需求

城市轨道交通运输的骨干方式，随着5G的到来，城市轨道交通的数字化进程加快。在数字化轨道交通网络中，城轨列车是关键部件。城轨列车由车载计算机驱动、控制系统和轨道系统自动运行、控制系统监控和自动运行控制。其自动运行涉及大量先进控制技术，如信号、自动控制系统和车辆自动运行控制等。城轨列车也是一个大型工业生产系统，由于其安全特性，其运行和控制系统是基于复杂的环境因素建立的环境。为了确保列车运行和控制安全，城轨列车具有很强的高可靠性、大范围网络覆盖、可扩展性等特点。随着5G技术和车-地通信技术的发展，城轨通信系统逐渐向车-地综合通信演进。

1.系统架构及性能

1.1车-地通信

车-地通信主要由车载设备和轨道车载设备组成，车载设备包括车载电脑、行车控制器、电源设备、网络交换机等。车载电脑主要负责车载设备之间控制、数据交互等功能；行车控制器负责对车辆运行状态、行车状态及应急状况进行实时监控等功能；网络交换机主要负责对轨道车辆车载设备之间的通信交换等功能。车-地通信主要由车载设备和轨道车辆系统共同组成。车载设备包括车辆信息管理系统（PMS)、智能网络通信系统（NGN)、车载无线通信系统（GPRS)等。车载设备通过车载PMS与车载网络连接实时采集相关信息为车辆运行状态及应急情况下行驶提供保障；网络交换系统负责通过NGN、GPRS为基于4G制式LTE演进到第四代LTE制式LTE网络提供通信保障。该系统为基于移动宽带网络进行移动网和无线网之间通信所组成，车载控制系统和城轨车辆控制系统通过车-地通信连接在一起后，该系统基于网络为城轨车辆提供控制通信服务工作；车辆侧监控系统为车-地通信提供控制通信服务工作。

1.2 5G传输

5G通信技术将在城轨应用中率先实现商用，实现5G无线网络能力全覆盖。在城轨场景下,5G无线网络承载包括通信信号传输、站点管理、无线通信、车载终端等部分，每个部分都与城轨通信相关。由于5G网络传输速率快，其传输速率将比4G快2倍以上。由于5G基站规模较大（单个基站规模大于10万个）将大大提升5G基站性能实现5G无线网络与城轨车辆通信功能与服务需求。同时通过多频段LTE基站覆盖与5G基站覆盖进行信息交换，能够提供更高速率及更好的体验效果。目前多家运营商已开展5G基站建设，中国移动、中国电信均已建成具备大规模5G终端部署能力且可同时支持LTE网络与NR网络两种网络形态的城轨车辆-地综合通信系统。

1.3综合性能分析

基于5G网络优势，可充分满足城轨车辆子系统与5G通信网络之间通信需求。具体而言：(1)时延性能：在5G通信标准下，时延是指网络传输过程中在一定条件下，发送方和接收方之间产生的延迟。不同类型的城轨车-地综合通信方案可以满足不同城轨乘客对时延和速率需求。(2)时延控制：采用波分网口可实现在无线网络与蜂窝网络间双向通信。该方式可有效提高通信可靠性，保障乘客正常使用。(3)速率和稳定性：车-地综合通信方案能够满足乘客在车内通信需求。

2.性能指标

2.1承载网络

目前,5G网络和城轨网络的最大区别在于城轨网络中5G基站和城轨设备之间的物理层网络为5G技术在城轨网络中应用提供了基础条件。在5G时代利用5G对城轨场景进行了全方位感知，因此5G网络支持城轨网络中低时延、高可靠、大带宽等特性。通过5G网络实现城轨列车对5G业务速率及时延的快速响应。同时5G/以太网技术支持城轨列车快速接入并实现对城轨列车运行状态和相关设施设备进行监控。在当前3GPPR15版本中（6GHz以下）使用毫米波通信作为实现车-地综合通信技术的通信手段，但由于毫米波在空间维度上比光纤更小更密集，因此应用范围受到限制。因此从4G网络过渡到毫米波网络是目前车-地综合通信最好的选择。同时随着城轨信号系统不断向低频段演进（如6GHz以下高频段、13GHz以下中频段、28GHz以下中高频等）逐渐成熟,在未来可以通过5G基站实现覆盖更大区域（主要是地铁区段）且无需布线等手段将这些范围扩展到其他场景中。

2.2 5G网络及设备

5G网络设备包括以下主要部分：（1）5G基站应支持高速率业务，同时还应具备智能管控功能，应具备实时监控、控制及指挥功能。（2）5G交换机应支持接入、交换和调度等功能；（3）5G微站应具备调度与OSS能力。（4）5G摄像头应具备动态检测能力及监控功能。（5）5G网关应具备移动终端业务接口（OMP)、无线接入能力（RRU)和监控功能等。

2.3安全性

在城轨系统中列车运行过程受到多种攻击，主要包括网络攻击（病毒、黑客、恶意软件等）、移动安全（包括位置跟踪等）以及其他安全威胁，如病毒攻击和恶意软件攻击等。在这些攻击中，攻击者往往使用已知身份和伪装身份以逃避惩罚或发现攻击对象并将攻击内容传送给接触网侧安全设备。由于目前5G网络和5G通信系统相对成熟，为保证5G网络及5G通信设备之间安全通信，同时5G网络内通信业务采用“TLS/TRACE”加密方案，在TLS模式下采用基于公钥基础设施中“Key”为“TLS”的加密算法。基于公钥基础设施加密算法在用户与接触网侧之间通过算法加密协议和密钥进行互访并进行认证（通过认证才能发送、接收密钥）。但由于安全风险高而且网络协议复杂度低很难满足列车运行保障要求（如遇突发事件可及时处理、保证用户信息安全）等众多因素，因此需要同时具备高安全性和低时延要求，从而满足乘客安全保障需求。

3.系统设备选型

3.1 5G设备选型

在5G城轨通信系统中，为了满足5G车-地综合通信环境下车-地通信服务的需求,5G传输设备通常需要支持3G/4G/5G多模合一。5G通信在5G车-地通信系统中主要由基站设备（5GPC机）、5G天线设备、5G基站设备及相关接口设备等组成。基站设备主要负责列车与地面通信。基站设备一般采用单天线方案，基站主要分为小天线和中频天线两种方案。

3.2基于5G全功能微波传输的系统部署要求

基于5G全功能微波传输,5G信号不能经过列车传输到车内信号采集设备中，而需要在车内采集信号。由于5G信号在车内通信时具有较强的抗干扰能力，所以需要使用到微波发射设备。基于5G全功能微波传输设备具有很强的抗干扰能力，可以提供足够高带宽的5G信号传输，并且采用了全功能微波设备具备较强的抗干扰能力。基于5G全功能微波传输方式对系统设备要求如下：车辆内覆盖面积小：一般可覆盖车站1km范围内以及地铁沿线；车辆与地面保持至少2km范围内无遮挡；车辆内部通信距离远:5G天线到车辆位置之间应该能够保持足够远；车辆与地面站间覆盖较好：可以实现相邻车站间高达10km范围内的连接；地铁站点接入要求较高：可通过地面基站实现地铁站点接入；区域覆盖大：城轨车站与地面站之间分布较为均匀；车辆内覆盖广：可以满足区域内各个站点高达100km范围内连接和信号覆盖需求。

3.3基于5G无线控制器的5G应用要求

基于5G无线控制器的5G应用要求主要包括：5G设备采用5G微波接收信号，要求5G微波接收信号速率满足4G/5G传输要求，可支持4G和5G全功能微波传输；5G无线终端设备可支持5G和5G全功能微波通信；5G无线控制器采用模块化设计，便于移动业务迁移；5G无线传感器终端与车辆控制中心实现通信；5G无线控制器具有远程遥控能力。

4.5G车-地综合通信技术研究与应用展望

城轨通信系统是一个多业务通信网络，同时需要满足多种业务需求，因此需要满足各种复杂的技术要求。目前车-地综合通信方案主要包括：车-地通信模式、5G+城轨通信模式等。考虑到这些技术特点，针对城轨列车实现车-地通信已经成为必然趋势。在城轨列车上应用5G技术，能够有效解决无线网络覆盖和实时业务传输两大问题。基于5G的车-地集成通信系统能够实现列车无线实时语音、视频信息传递等多种业务需求。同时，基于5G的车-地综合通信能够实现列车调度、车载视频、客室监控、应急救援等功能。当前基于5G的车-地综合通信系统应用于城轨列车的应用比较少，但是随着5G技术的发展以及车-地综合通信模式的成熟,5G应用于车-地综合通信的可能性将会越来越大。随着车-地通信模式、5G+城轨通信模式更加成熟，车-地综合通信模式将会成为未来城轨列车的主流网络方式之一。

结束语：

综上所述，城市轨道交通作为城市交通的骨干方式，正在经历着数字化的变革。目前，城轨系统的智能化水平越来越高，随着轨道交通越来越多地采用无线接入，城轨列车与地面移动通信系统也将越来越频繁地结合在一起，而无线通信系统的可靠性、可扩展性等因素也将越来越重要。基于大数据和物联网的车-地综合通信系统将会不断发展到新的水平。本文将重点阐述城轨车-地综合通信方案的设计思路和实现方法，以供参考。

参考文献：
[1] 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.

[2] 赵伟慧, 汪晓臣, 孙同庆,等. 基于5G移动通信技术的城市轨道交通车地无线网络协同传输方案[J]. 铁路计算机应用, 2021, 30(5):5.