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基于5G的城市轨道交通车地无线通信应用

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张艳赵国强

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

：TN929文献标志码：A：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1Mbps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