城市轨道交通通信网络规划研究

城市轨道交通通信网络规划研究

许士钊

德州城建工程集团有限公司 山东省德州市 253000

摘要：现阶段，5G通信技术在城市轨道交通领域中主要应用在车地通信系统内，用于提升列车与地面设备的通信效果，拓展车地通信容量，实现列车与地面通信间的双向数据传输，确保地面控制中心可实时掌握列车位置信息。稳定可靠的通信技术可提升城市轨道交通运营安全性，且可提高城市轨道交通领域自动化程度，确保列车工作效率。

关键词：城市轨道交通；通信网络；规划

1城市轨道交通中 5G 通信技术应用需求

5G通信技术在城市轨道交通中主要应用于通信业务。城市轨道交通中的通信业务主要包括三大类：列车运行通信业务、生产通信业务、维修通信业务。其中，列车运行通信业务又包括列车通信控制、列车应急对话、紧急文本下发、集群调度语音等；生产通信业务包括乘客信息系统、闭路电视监控等；维修通信业务包括集群调度视频、接触网检测等，城市轨道交通通信业务的最低需求详见表1。

表 1 城市轨道交通通信业务的最低需求

在LTE-M蜂窝通信技术正式应用前，表1中通信需求始终无法满足，导致城市轨道交通通信系统采用不同技术完善通信功能，而LTE-M技术的应用满足了表1中的最低通信需求，但对于城市轨道交通体系中的视频类通信业务，仅可进行4Mb/s的单向视频传输，集群视频业务无法全面开展，仅可在LTE-M技术支撑下完成基础运营通信。此外，城市轨道交通通信系统的终端接入能力不足，仅可依托于LTE-M技术与传统数据终端连接，无法与城市轨道交通物联网终端进行连接，随着全自动化智慧城轨建设工程的推进，大数据、人工智能等技术逐步应用到城市轨道交通领域中，对车地通信体系提出了更高要求，LTE-M技术现已无法支撑城市轨道交通未来发展，此时可在LTE-M技术的基础上，应用5G通信技术。

2城市轨道交通通信网络规划方案

2.1架构5G网络

5G网络为满足不同通信场景及需求，引入SDN/NFV技术（软件定义网络/网络功能虚拟化），将通信软硬件平台虚拟化转变，同时进行解耦处理，5G网络底层采用NFVI云基础设施（网络功能虚拟化基础架构），并借助SDN控制器提升网络内部资源调度灵活性。相较于4G核心网，5G网络核心网具有以下特征：（1）业务面与控制面分离。在5G网络核心网内，控制面并未对时延处理提出更高要求，因此可将控制面放置于中央机房内，而业务面需不断降低时延，需将其放置于距离基站较近的区域内，并不断下沉，最终设置在边缘数据中心。（2） 引入SDN/NFV技术。应用NFV网络功能虚拟化技术5G网络核心网内可解耦软硬件功能，使网元转化为单独的软件功能模块，而软件定义网络 （SDN） 可分离控制面，立足于全网角度看待IP网络，可高效调度网络资源，实现资源合理配置。（3） 网络功能切片。5G网络核心网可将单个物理网络划分为逻辑不同的多个网络，用以满足城市轨道交通内不同通信需求。

现阶段，5G通信技术网络多以公网为目标进行架构，而5G通信技术核心网可承载几万到几十万的用户，若仅将5G通信技术网络用于城市轨道交通列车运行控制，将产生大量能力过剩，因此，城市轨道交通领域在应用5G通信技术时，应跳出思想局限，借助5G通信技术控制列车运行外，需从多角度出发，如表1中提到的通信业务，致力于打造完整的城市轨道交通通信体系，通过增强城市轨道交通通信质量而为乘客提供舒适的公共服务，立足于城市轨道交通综合通信业务需求，设计出符合城市轨道交通的5G网络核心网。5G网络借助NFV功能虚拟化技术，将支撑核心网网元的硬件进行虚拟化转化，即在5G网络核心网中虚拟出硬件，虚拟化的硬件与城市轨道交通真实硬件既分离与统一，即物理位置的分离与运行状态的统一，此时可通过观察5G网络核心网内虚拟化硬件状态，了解城市轨道交通系统内真实硬件的运行情况，并以此为依据进行硬件升级、缩容、扩容等，实现动态实时通信，降低通信能源损耗与维护成本。

2.2车车通信优化

5G通信技术R16版本增强了蜂窝车联网通信功能 （C-V2X），将5GNR新空口与蜂窝车联网通信功能进行衔接整合。通常情况下，不同终端间的连接需通过基站，而城市轨道列车间的通信同样需构建基站，对轨道道路的时延及可靠性提出了更高要求，为保障列车间的通信效果，提升轨道安全性，可跳过基站，直接实现列车间通信，还可设置路侧基础设施，用以辅助通信，以此降低时延。C-V2X在5G通信技术R16版本中得到了增强，可实现终端间的直接通信，即城市轨道列车直接通信，稳定了列车通信链路。在城市轨道交通中，地车通信始终为重点发展内容，在新时代5G通信技术中，应以注意弥补车车通信短板，但列车间的通信环境区别于地车通信环境，只有相邻的列车间才能够实现稳定的车车通信，因此要求在5G通信技术应用中，结合轨道交通场景及实际运行环境进行5G通信技术网络设计，在现有LTE-M技术基础上引入5G NR-V技术。

2.3 网络切片简化

网络切片为5G通信技术的特征之一，可运用5G通信技术网络切片功能简化城市轨道交通网络部署流程，将城市轨道交通物理网络切分为多个虚拟网络，用以满足城市轨道交通中不同通信业务。为稳定落实网络切片功能，为5G通信技术的应用营造适宜环境，应站在核心网服务功能链角度上展开综合性讨论，并结合不同通信业务需求进行定制。VNF为虚拟网络功能，代指城市轨道交通中5G核心网内的任意通信功能，λ代指业务到达率，μ₁～μ₄则为各通信业务处理效率，为保障核心网稳定性，各VNF均设有备份，图1中的VNF系统稳定性为：

(1)

式（1）中：Pv为单个VNF稳定性。城市轨道交通在应用5G通信技术时，为保障整个业务功能稳定性，应运用两个物理完全隔离的网络承载最关键的通信业务，即列车通信控制，按照LTE-M技术规范，将通信中断时间控制在2s以内，以此保障5G通信技术网络运行效果。

结语

综上所述，5G通信技术的应用并不局限在移动通信领域，更可为社会各行各业赋能，由于现阶段5G通信技术主要依托电信运营进行推动，尚未建立5G专网频率，给5G通信技术在城市轨道交通中的应用造成一定难度，因此，在实际应用期间，应系统化地看待该问题，结合城市轨道交通实际情况构建5G网络，在保障车地通信效果的同时优化车车通信效果，简化网络切片，完善通信部署。

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