基于5G与V2X的智能有轨电车无线通信系统设计及性能测试

李永波，罗钊，刘刚，韩熠，杨辉，马征，王小敏，任晓春

有轨电车作为一种介于地铁与公交之间的客运交通方式,在环保、经济和运量方面都具有一定优势,得到各地政府的大力支持。据不完全统计,全国各地有轨电车规划总里程已经超过5 000 km［1］,进入5G时代后,更多智能业务和技术将被集成到有轨电车中,如自动驾驶、实时监控、边缘计算等,实现有轨电车高智能、高效率、高可靠行车是城轨交通的主要发展方向。

无线通信系统是有轨电车控制系统的重要数据链路,负责支撑有轨电车的多种重要运营业务。当前正在使用的主流通信技术有:基于McWiLL的自建网络、TETRA+WLAN和TD-LTE。自建McWiLL无线通信系统的初期投资较高,后期运营维护的开销较大,难度较高；TETRA+WLAN技术的工作频段为开放频段,容易受到民用Wi-Fi的影响而引起通信中断；相较WLAN技术,TD-LTE技术提高了系统的移动性和稳定性［2］,能够满足现阶段有轨电车业务需求,但随着通信系统智能化的推进和运营业务的不断增加,TD-LTE技术在带宽资源方面也将面临巨大挑战。

考虑以上几种通信技术的局限性,本文设计了一种基于5G和LTE-V2X技术的智能有轨电车无线通信系统,能够在2种通信技术间智能切换:当SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio,信号与干扰加噪声比）和RSRP（Reference Signal Receiving Power,参考信号接收功率）达到预定阈值时,优先选择5G通信；低于阈值时,主动切换到LTE-V2X模式,通过PC5口进行车车通信和车地通信。本文还通过实地测试对无线通信系统的5G和LTE-V2X通信性能进行测试和分析。

1 5G和V2X技术的重要特征

1.1 5G技术特征

不同于传统的移动通信技术,5G是一种多技术集成的广域无线通信技术,超高频率和超大频宽使5G的传输速率可以达到传统LTE技术的10倍以上；通过对物理层和网络层的优化,5G获得了更低的网络时延和更可靠的通信质量,特定场景下连接时延可达到1 ms级别,准确度达到99.999%；5G利用网络虚拟化、云计算、软件定义网络等技术,构成海量物联网络,能够满足车联网、VR（虚拟现实）、高清监控视频、智能交通等多种业务需求。

将5G应用到有轨电车无线通信系统中,将会带来多方面性能的提升:丰富的带宽资源和更高的传输速率可有效提升乘客业务质量；高可靠、低时延的特征可在保证运营安全性的同时提高车地通信的及时性；而海量物联的特点可为有轨电车综合维护网络的建设创造条件［3］。

5G技术在运营商服务领域已经得到基本普及和应用,但在城轨交通中仍未成熟,专用频段尚未制定。以租用运营商5G网络为前提,已有学者提出一些方案设计:如通过结合边缘计算和运营商5G公网,使有轨电车终端设备支持运营商的5G网络服务,并实现有轨电车本地数据上传到边缘服务器的信息分流［4］；另一种方案是只租用运营商建设的5G公网,使有轨电车的车载台和手持台等终端直接接入5G公网,运营商为有轨电车设置专用网络切片（包括核心网、传输网、接入网）,以确保满足有轨电车无线通信业务需求［5］。本文将采用接入运营商网络的方式,为车载和轨旁设备提供5G数据通道。

国内各大城市也在不断推进有轨电车在5G方面的建设。2019年5月,西安高新区制定了《西安高新区5G基站建设推进工作方案》,成立5G基站建设工作专班,计划建设5G网络全覆盖的高新区首条有轨电车线路；2019年底,亦庄新城现代有轨电车在经开区建设5G标准基站超200个,基本实现5G网络全域覆盖,并聚集多家5G产业链上下游企业,完善多种产业需求；2021年1月,中国移动嘉兴分公司通过筛选弱覆盖区域进行增补微站,使嘉兴有轨电车T1和T2线5G无线覆盖率超过98%,5G时长 驻 留比 为100%［6］；2021年初,南海区有轨电车5G示范段工程项目也正式动工。

1.2 V2X技术特征

V2X车联网技术是指通过通信和传感等智能技术,对人、车、路旁的基础设施的状态信息进行感知、传输、计算,提取并有效利用,实现对交通系统的监管,从而提升道路的通行能力,保证人们的生命和财产安全,同时也为自动驾驶提供技术支持［7］。

V2X技术在城市交通领域已经较为成熟,在轨道交通中也被证明具有一定的可行性:基于车车无线通信建立了以列车为中心的新型CBTC系统,并通过仿真系统验证了其对系统AoI（Age of Information）性能的提升［8］；同时考虑无线通信系统的误码率和传输速率,对其性能进行评估,证明V2X技术在列车控制系统中具有一定的可用性［9］；利用车车通信技术实现列车本地数据的接触感知类数据卸载,有效提升了系统计算资源的利用率和处理能力［10］；在列车站前折返和站后折返模式下,将不同通信技术支持的列控系统的折返能力进行仿真比较,基于车车通信的列车折返能力明显更优［11］；将V2X无线电系统运用到有轨电车与自动驾驶汽车中,并通过实地测试证明,在岔口实现有轨电车或自动驾驶汽车与社会车辆的高可靠通信具有一定的可行性［12］。

本文所采用的车用通信技术是基于LTE演进形成的LTE-V2X技术,其标准中有2种空中接口:Uu口是负责车辆与基站之间蜂窝通信的接口,类似LTE,能够提供大带宽和广覆盖的数据通信；PC5口负责车辆之间的短距离无线电通信,其特点为低时延和高可靠性。针对有轨电车复杂的道路环境,如弯道遮挡和道岔路口,本文在LTE-V2X技术的基础上提出2种优化协议,对通信环境进行改善。将LTE-V2X应用到有轨电车无线通信系统中,可以实现电车与相关实体之间的位置、速度等信息的准确交互。同时,蜂窝网通信中断或轨旁设备损坏时,LTE-V2X无线通信可以维持通信系统正常运行,增强通信系统的容错能力。

2 传统有轨电车信号系统及通信系统

根据《有轨电车信号系统通用技术条件》（CJ/T539-2019）的定义,有轨电车信号系统主要由中心调度管理系统、正线道岔控制系统、车载控制系统、平交路口信号控制系统和信号维护监测系统构成［13］,信号系统之间的数据通道由骨干网和无线通信系统共同构成。有轨电车的通信系统不断发展升级,除基本的有线数据传输和车地无线通信外,还包括多种乘客服务和系统维护需求,如:亦庄新城有轨电车通信系统包括时钟系统、电话系统、广播系统、视频监控系统、乘客信息系统、网络管理系统、维修及培训系统；江苏省有轨电车规范则要求包括传输系统、无线通信系统、公专电话系统、闭路电视监控系统、广播系统、时钟系统、电源及接地系统和乘客信息显示系统［14］；南京有轨电车工程一号线则包括通信传输系统、专用/公务电话系统（公专合一）、无线通信系统、时钟系统、信息网络系统、闭路电视监视系统、广播系统、乘客信息显示系统、综合调度监控系统、电源及防雷接地系统和通信线路［15］。

无线通信系统是有轨电车车地通信的重要保证,其总体架构如图1所示,由车载控制系统、中心控制系统和轨旁控制系统共同构成。

图1 有轨电车无线通信系统总体架构

1）车载控制系统。分别利用速度传感器和道路信标对电车的行驶速度和位置信息进行实时监控,并通过全线覆盖的无线通信通道将电车的行驶状态反馈给控制中心和联锁系统。

2）轨旁控制系统。由正线道岔系统和联锁系统2部分组成。正线道岔系统能够监测有轨电车位置、办理进路和控制信号机,避免电车在岔区发生侧冲和碰撞。联锁系统在电车进入道岔区域时,负责处理电车发送过来的进路请求,根据请求建立进路并进入锁闭状态,保证正线道岔系统不会发生异动。联锁系统还可以将轨旁设备状态和进路状态通过骨干网发送到中心控制系统,协助中心实现远程操作。

3）中心控制系统。负责监控整条线路的电车和轨旁设备的运行状态,根据路况和司机请求,利用轨旁设备远程办理进路或更新运行计划；同时能够通过联动乘客导向系统和视频监控等弱电系统,将传统行车调度升级为综合调度。

以成都蓉2号线有轨电车为例,系统通过自建TD-LTE的方式构建无线网络,平均带宽要求大于10 Mbps（30%带宽裕量）,优先满足车地各类信息流对带宽的需求,实现车载实时语音、数据及视频传输。有轨电车车地通信业务指标见表1。

表1 有轨电车车地通信业务指标［16］

3 智能有轨电车无线通信系统设计

3.1 系统架构及功能

智能有轨电车无线通信系统仿真模型见图2,主要包括:中心控制单元、轨旁控制单元、区间设备和车载控制单元。

图2 有轨电车无线通信系统仿真模型

车载控制单元由实物DMI（Driver-Machine Interface,人机接口）和车载仿真ELSSIM（Enhanced Localization System Simulation,加强型定位系统）组成,通过5G<E-V2X通信模块接入5G网络,与控制中心进行车地通信,从而实现电车定位。中心控制单元由实物中心服务器和轨旁设备仿真OLCSIM（Optimize Level-crossing Control Simulation,路口优先控制系统）组成（由于仿真环境限制,初步仿真模型中将轨旁设备系统集成到中心控制系统中）,中心控制系统通过5G<E-V2X模块接入5G网络,进行远程调度和监控,轨旁设备则利用通信模块的PC5口与有轨电车进行无线通信。

智能有轨电车无线通信系统能够为各业务数据提供高速率、高可靠、高容错、低时延的数据通道,实现有轨电车的智能调度和高效运营。①实现车载与调度中心的车地通信,包括车载到中心的定位功能:DMS（Dispatching Management System,中心调度管理系统）的系统显示界面能够查看相应的车次窗,且能够随着电车移动发生相应变化,并实时检测5G环境质量；②实现中心到车载的车控信息传递功能:将车段附近其他电车的车次号、轨旁设备信号灯位变化等信息发送到车载DMI,使司机能够实时掌握道路情况,辅助司机驾驶；③实现车载到轨旁OC的路口请求通信功能:DMS显示电车附近相应路口的信号灯,根据电车相对位置,触发路口优先请求,由禁止转为通信状态；④实现车车通信功能:实现前、后车的速度、位置等数据的交互,后车DMI显示前车的速度以及至前车的距离,当车距小于安全距离时会强制实施紧急制动,保证行车安全。在系统故障和脱离5G环境时,可由LTE-V2X通信替代5G通信,实现上述功能,并保证通信质量。

3.2 集成5G与LTE-V2X的智能网关设计

在智能有轨电车无线通信系统模型中,5G<E-V2X智能网关将所有系统接入5G网络,并提供LTE-V2X无线通信功能,是此系统的核心技术。智能网关可以根据数据类型和通信需求,选择Uu口或PC5接口进行数据通信,同时实时检测Uu口通信指标。当不具备可靠通信环境时,自动切换到PC5口进行无线电通信。同时,还可以提供GNSS（Global Navigation Satellite System）定位信息,实现基站同步和卫星授时同步,从而有效提高LTE-V2X通信的准确性。网关具备丢包重传和中继转发2种优化协议,在遮挡环境或不具备同步条件时,可有效提高PC5口的通信可靠性。

4 PC5口性能优化

LTE-V2X的广播频段在5.9 GHz,高频传输技术的局限性导致PC5口通信的穿透力极弱,建筑物和路口转角的遮挡都会产生极大影响。由于LTE-V2X系统采用单载波频分复用技术,对同步误差十分敏感,若特定环境下LTE-V2X系统不能进行精准同步,会对性能产生恶劣影响。针对遮挡环境和同步误差的问题,本文对LTE-V2X的PC5口进行性能优化,设计了丢包重传和中继转发2种优化协议,并在实地测试中对LTE-V2X的无优化直传、丢包重传、中继转发和重传&转发4种模式下的通信性能进行比较分析。

4.1 无优化直传模式

发送端以100 ms的间隔发送200个数据包,接收端每收到一个包就统计收包个数并发送反馈包。发送端根据发包时间和反馈包收包时间统计时延,接收端统计丢包率。此过程不会根据丢包率判断是否重发,只进行单一的发、收包和统计操作。具体流程见图3。

图3 无优化直传模式流程

4.2 丢包重传模式

无优化直传模式的性能存在波动,容易受到环境变化的影响,考虑增加丢包严重情况的检测机制:每个数据包都会被标记ID,接收端收到数据包后将收到的包ID回传给发送端,发送端通过比较收包ID与发包ID来判断是否丢包。此判断过程以100 ms为一个间隔,丢包则重传,成功则继续发下一个包。具体流程见图4。

图4 丢包重传模式流程

4.3 中继转发模式

为了降低建筑物遮挡造成的通信损耗,在拐角阻挡通信处增加一个转发单元B。B与发送端A和接收端C的通信环境无阻挡,避开障碍物对通信的阻断,保障通信顺畅。由于增加了转发过程,时延会相对增大,具体流程见图5。转发过程中涉及4类消息:A发送到B为类型1、B发送到A为类型4、B发送到C为类型2、C发送到B为类型3。由于LTE-V2X是广播方式通信,A、B、C端都可以收到通信范围内所有类型的消息,通过B端转发类型1和类型3,A只能收到类型4消息,C只能收到类型2消息的方式,实现了中继转发功能。

图5 中继转发模式原理图

4.4 重传＆转发模式

重传＆转发模式在中继转发功能的基础上增加了丢包重传功能。经测试验证,该模式能够极大地提高通信的准确性,是4种模式中通信准确性最优的一种,既能通过重传降低丢包率,也可以通过中继转发避开遮挡对通信的阻碍。由于存在转发过程,与单转发模式的时延大体一致。

经过仿真测试验证:4种通信模式中,无优化直传模式由于没有附加功能,性能最差；重传模式则是通过丢包重传功能降低无遮挡环境下的丢包率；中继转发模式通过增加RSU转发的方式避免了障碍物对通信的阻断；重传＆转发模式既可以通过重传降低丢包率,又可以通过RSU转发避开障碍物,性能最优。

5 测试方案与结果分析

由于既有有轨电车线路不方便进行智能板卡的部署和测试,因此选用公路车载来模拟有轨电车运行场景。测试内容主要有:直线无遮挡环境下LTE-V2X的性能测试；遮挡场景下LTE-V2X和5G的直传、丢包重传、中继转发、重传＆转发,共6种模式的性能测试。

2021年1月中旬,分别在成都市金牛区中铁产业园和成都市金牛区天龙南三路段2个场景进行了LTE-V2X和5G的通信性能测试。实验过程中,通过记录某一段行驶路径内的丢包率与时延,检测通信质量。测试系统由无线车载通信单元（包括天线、智能板卡、LTE-V2X发包测试软件）、中继模块和数据记录单元共同组成。

5.1 遮挡场景性能测试

在遮挡场景下,发送端A车和接收端B车之间存在建筑物遮挡。为减少遮挡带来的通信衰减,在道路拐角处放置中继转发单元RSU,RSU与A、B车可视无遮挡,A车与RSU的距离为200 m（园区道路最长距离）,B车与RSU的距离为80 m,如图6所示。实验过程中,B车静止,A车逐渐驶向RSU,测试点位以20 m为间隔进行测试,每个测试点测试5组数据,每组统计200个数据包的时延和丢包率,统计记录5组数据的平均值。

图6 遮挡场景系统构成图

遮挡场景下,LTE-V2X在4种模式下的通信丢包率见图7（a）,时延见图7（b）。当通信两点之间存在建筑物遮挡时,由于高频载波的穿透能力较弱,遮挡环境对通信性能影响较大。无优化模式下,在A车与RSU之间的距离为120 m时丢包率达到了100%,而重传模式对遮挡场景下的通信性能提升并不明显,中继模式和中继&重传模式则克服了遮挡带来的问题,使可靠性大幅提升,在A车距中继200 m（园区道路最远距离）时,通信性能仍然可靠。时延数据相对稳定,无优化直传模式下,时延维持在20 ms左右；发生重传时,根据重传次数增加时延；中转和中转&重传模式下,由于增加了转发过程,时延相对增大。

图7 遮挡场景下V2X在4种模式下的性能测试

以成都蓉2号线有轨电车为例,其EB（Emergency Brake,紧急制动）加速度为-1.2 m/s2。假定后车入弯前行驶速度为40 km/h,前车由于故障停在原地,速度为0 km/h,两者被弯道遮挡视线。当后车开始减速到与前车保持相同速度时,所需的最短安全距离为51.4 m,LTE-V2X的最佳有效通信（中继＆重传模式下）距离为200 m以上,则当5G通信系统失效时,仅凭借LTE-V2X完全可以实现安全行车并避免弯道撞车。

在对LTE和5G网络进行测试的过程中,同样通过统计测试点的丢包率和时延情况来比较通信性能,见图8。园区内5G和LTE的信号覆盖强度稳定,未产生丢包。从图8可以看出,5G网络的时延相比LTE有明显的改善,降低了10 ms左右,达到了预期的改善时延效果。但由于园区内5G网络覆盖尚未稳定,带宽会根据位置产生从200 Mbps到500 Mbps的波动；而LTE带宽相对稳定,维持在50 Mbps左右,测试结果显示5G带宽的峰值相较LTE也达到了10倍左右的提升。

图8 遮挡场景下5G和LTE的时延

5.2 无遮挡场景性能测试

另一个测试地点为成都市金牛区天龙南三路段,此路段为无遮挡直线道路,分别进行了固定点位的LTE-V2X最远有效通信距离测试和移动性对LTE-V2X性能影响的测试。

在固定点位场景下,发送端A车和接收端B车均在对方的直线可视范围内,两车最远距离为500 m,测试点位以50 m为间隔进行测试,每个测试点记录5组时延和丢包率,并记录平均值。

无遮挡静止场景的LTE-V2X丢包率测试结果见图9（a）。在400 m之内都可以进行零丢包的可靠通信,增加了重传优化机制后,超过400 m的丢包率虽然有所改善,但仍未能实现可靠通信。无遮挡静止场景的LTE-V2X时延测试结果见图9（b）,可见距离对LTE-V2X通信时延影响较小。

图9 无遮挡静止场景的V2X性能测试

进行移动性对LTE-V2X性能影响的测试时,为保持30 km/h的相对速度,B车保持静止,A车以30 km/h的速度驶向B车,每个点位取5组数据的平均值进行记录,测试结果见图10。可以得出结论:以30 km/h的移动速度产生的多普勒频移,不会对LTE-V2X的可靠通信距离和时延产生影响。

图10 无遮挡场景30 km/h速度下的V2X性能测试

无遮挡场景下,LTE-V2X的可靠通信距离可达400 m。假定后车以70 km/h的速度在直线道路行驶,前车由于故障或者其他紧急情况停在原地。后车的紧急制动距离为157.5 m,则400 m的有效通信距离能够满足实施紧急制动的要求。

6 结论与展望

国内有轨电车的建设不断推进,不断朝着智能化方向发展,无线通信技术的重要性也逐渐凸显。目前WLAN技术和LTE技术已经达到发展瓶颈,很难满足下一代智能城市轨道的发展需求。5G技术利用其大带宽、低时延、高可靠的传输特点,能够突破目前有轨电车的业务容量不足的现状,为其智能化和自动化发展创造条件。在5G网络通信质量差的情况下,LTE-V2X通信技术也能够保证行车安全,保障车车与车地通信,实现列控列调。本文针对有遮挡和无遮挡场景进行了实地测试,测试结果表明:5G技术应用到有轨电车中,带宽与时延相较LTE可以得到很大提升,更大的带宽可以支撑更多无线通信业务,更低的时延能够有效缩短行车间距,从而提高运营效率；同时,LTE-V2X的可靠通信距离也足够有效避免发生道路事故,保证行车安全。相信将5G和LTE-V2X无线通信技术应用到有轨电车中,一定能够为有轨电车发展提供更广阔的空间与前景,相关成果也可进一步推广至轻轨、地铁等其他城市轨道交通制式,从而推动整个城市轨道交通的发展。