基于5G的mMTC物联网系统在 铁路物流领域的应用

姜 博 ，田长海，蔺 伟

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081 2.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

随着我国高速铁路的发展，普速铁路的货运能力不断释放，铁路生产力布局发生了很大的变化，铁路物流发展迅速。但是，目前我国铁路物流的智能化、信息化、专业化程度不足，难以支撑日益增长的铁路物流需求。5G作为新一代移动通信技术，是发展智能社会和数字经济的重要基础设施[1]。基于5G的大规模机器类型通信（mMTC）物联网技术具备大容量、多连接、低时延、高可靠、高安全性等特性，具有免布线、基站易施工等优点。随着近年来5G网络和终端投入商用，德国、日本开始探索5G在铁路行业的融合应用，为铁路物联网应用规划频率。基于5G的mMTC物联网技术可以为实现智能铁路泛在互联提供坚实的网络基础，为提升铁路物流行业的装备和智能运营水平提供支撑。

1 铁路物联网发展现状及需求

1.1 铁路物联网发展现状

2000年起，原铁道部与中国联合网络通信集团有限公司采用短距离微功率技术，部署了车辆车号自动识别系统，发布了《铁路机车车辆自动识别设备技术条件》[2]、《铁路客车电子标签暂行技术条件》和《动车组电子标签暂行技术条件》等重要技术标准。相关设备设置在铁路局分界口站和车辆段等车辆造修点，用于铁路货车车辆的位置跟踪和费用清算，实现了货车精细化管理，提高了货车运用效率，是物联网技术在我国铁路行业应用的成功案例。随后，物联网技术的应用一直延伸至铁路建造、运输生产和设施设备监控监测等领域，研发了编组站综合自动化系统、车辆运行安全监控系统、磁介质客运车票系统、自然灾害和异物侵限监测系统等[3]。随着铁路运输业务的发展，目前使用的部分铁路物联网系统存在容量不足、连接数较少、覆盖范围不足、数据传输速率较低等问题，限制了铁路智能化业务的发展，需要更先进的物联网技术进行承载。

1.2 铁路现代物流对物联网的需求分析

现阶段，我国大多数物流企业的信息化建设模式较为传统，尚未建立完善的物流信息交互平台，物流企业之间、物流企业与客户之间难以实现快速的数据交换和共享。在铁路物流过程中，货物和设备状态等信息获取和传递的实时性、广泛性均存在较大的缺口，需要利用先进的通信技术实现物流信息传输和交互，充分有效地整合物流资源，提高物流效率和管理水平[4-5]，具体表现在以下方面。

（1）货场和编组站管理方面。需要通过物联网对进出货场的车辆和人员进行登记和行动轨迹记录，对物流资源和作业过程进行安全管理，并提供报警功能，实现货场信息管控。移动物联网具备移动性强、连接数多的特性，可以实现货场和编组站内的货物和车辆识别和管理，为提高货场和编组站的智能化水平提供支撑。

（2）货物运输方面。5G物联网技术具备网络覆盖区域大、功耗低等优势，其多连接特性能以较低的成本提高物流运输定位追踪和装载状态监控效率，实现货物路径、温湿度、压强、装载状态等信息的实时动态监控，提升铁路物流安全风险预警能力，提高货物运输安全性[6]。

随着“智能铁路”概念的提出[7]，铁路智能化、智慧化的步伐加快。物联网技术属于智能铁路总体架构中的智能感知层，对实现智能铁路的全面感知和泛在互联起着至关重要的作用。铁路物联网业务需求分析如表1所示。

表1 铁路物联网物流业务需求分析Tab.1 Business demand analysis of railway IoT logistics

2 基于5G的mMTC物联网应用分析

铁路物联网是解决铁路各专业基础设施“物物互联”和信息交换的信息网络，在满足铁路物流的业务需求中起到重要作用，为铁路基础设备设施的全生命周期管理和维护、铁路货物运输全程监控等业务提供信息化、智能化手段，降低维护成本，提高运输效率。

2.1 基于5G的物联网技术演进

随着业务的演进，物联网对于连接数、通信质量和传输速度的要求逐渐提高，而移动蜂窝网络覆盖广泛、使用灵活、通信可靠性高，是物联网通信的核心支撑网络，具备保障铁路运输安全、提高铁路运输效率的潜力。

2020年7月发布的5G技术R16版本更新了较为完备的5G物联网技术——mMTC，进一步支持非正交多址接入技术，允许多个用户共享时频资源，支持更多数量的连接，同时支持上行传输免调度技术，简化了终端的随机接入流程，进一步减小传输时延和功耗。基于5G的mMTC网络可以支持海量的物联网终端同时接入网络，降低物联网终端的成本和功耗，提升网络的能效，可以更好地支撑铁路物流的发展。国际电信联盟5G的能力要求如表2所示。

表2 国际电信联盟5G的能力要求Tab.2 Capability requirements of International Telecommunication Union

2.2 mMTC技术特性分析

为了满足业务对机器类型通信（MTC）提出的要求，第三代合作伙伴计划基于蜂窝网络标准，定义了面向低速率、低成本、低功耗需求物联网业务的增强型机器类型通信（eMTC）、扩展覆盖GSM （EC-GSM），以及NB-IoT等技术标准。其中，EC-GSM基于2G网络，并非为物联网业务专门设计，其终端发射功率相对较大，需要大容量电池供电；而NB-IoT是基于移动通信网络的物联网技术，具有广覆盖、多连接、低功耗、低成本的优势，解决了传统物联网存在的技术碎片化、覆盖不足的问题[8]。与NB-IoT技术相比，eMTC可以提供语音通话功能，并具备传输速率的优势，可以满足较高移动性的物联网应用需求。

随着支持物联网应用的MTC对广域连接数量和传输速率需求的快速增长，通过蜂窝网承载物联网应用成为未来的发展趋势，蜂窝物联网也成为5G的重点技术。mMTC是嵌于蜂窝系统的NB-IoT技术和eMTC技术的演进升级，将在已有物联网技术的基础上使用更低功耗服务更多用户。mMTC是5G网络三大通用场景之一，可以提供面向低速率、低功耗、广覆盖、多连接需求的物联网业务，其4个关键性能指标包括： ①覆盖的耦合损耗≤164 dB；②最大耦合损耗下的延迟≤10 s；③超过10 a的UE电池寿命；④设备连接密度1×106个/km2。mMTC可以提升通信服务覆盖距离和信号穿透性，通过减少设备功耗提高待机时间，满足5G时代的物联网业务需求，使物联网实现“万物互联”。

2.3 mMTC系统能力分析

基于5G的mMTC具备突出的技术优势，可以应用于铁路物流领域的典型场景，满足铁路物流领域的业务需求。在不同的场景下，建立具备一定系统能力的物联网，以适配特定业务需求。基于5G的mMTC的系统能力可以按以下方面进行分析。

（1）传输速率。即物联网终端进行数据传输可以达到的速率，物联网的数据传输过程通常由传感器采集数据后发送给服务器端进行处理。

（2）传输频率。即物联网终端对网络资源的数据传输请求频度，较低的传输频率有利于共享，可以更好利用网络频率资源。

（3）传输实时性。体现在物联网终端模块的实时待机状态和故障状态的抢修恢复上，部分业务是对长期渐变数据进行监测，不需要太高的实时性，但有部分业务需要即时获取数据并进行处理。

（4）设备密度。即单位面积区域内可布设的物联网设备或节点数目。

（5）网络覆盖方式。主要有线状覆盖或面状覆盖2种方式，具体覆盖范围和使用频率、传播环境、功率等因素相关。

（6）待机时间。为了减少设备复杂度和部署难度，物联网终端普遍使用电池供电方式。考虑到不同业务存在不同的作业间隔，可采用不同供电方式满足业务需求。

2.4 mMTC物联网在铁路物流领域的应用分析

2.4.1 应用场景

物联网的应用场景多样，为了充分利用5G通信技术的优势，满足铁路物流领域的业务需求，应在传统的监测类物联网应用范围上进行扩展，实现万物互联。参考国际铁路联盟提出的新一代铁路专用移动通信业务需求规范，可以将我国铁路的宽带移动通信业务需求梳理为4大类，分别是铁路正线连续广域覆盖、铁路站场和枢纽等热点区域、铁路沿线地面基础设施检测、智慧列车宽带应用。铁路通信场景及需求如表3所示。

综合考虑物联网技术演进、铁路物联网应用现状和铁路运输的业务需求，基于5G的mMTC物联网应用平台框架可分为智能建造、智能装备、智能调度、智能客运、智能物流、智能管理六大模块。其中，智能物流是基于5G的mMTC物联网应用平台的重要组成部分，可以提供货物全程智能跟踪、智能化多功能货主服务和货运经营智能化服务等内容。

铁路物流过程涉及多种物联网应用场景，在铁路编组站、区段站、中间站、集装箱中心站、货场、动车段（所）、客运站等区域应设置站场无线通信系统。随着国家5G新型基础设施的建设，未来站场无线通信可基于5G专网或公网实现。车站、编组场内的各类传感器数据传输属于物联网业务，可通过mMTC技术实现基于5G mMTC的大量传感器采集数据回传等物流应用业务。

2.4.2 应用方法

5G物联网技术在铁路物流领域应用可分为3个核心阶段，即信息感知、网络互联、智能处理，可覆盖仓储服务、运输服务、配送服务、综合物流四大业务板块。

（1）信息感知。通过红外传感、温度传感、湿度传感、定位系统、射频识别技术（RFID）等设备，利用感知技术按一定频率，周期性地采集和识别物理信息，实现数据采集多维化、实时化，满足用户对信息广度的需求，为货物全程智能跟踪提供支撑。

（2）网络互联。利用5G蜂窝网络，传输物理环境、货物状态等通过智能感知阶段获取的信息，形成数据网络，实现物与物、人与物之间的信息数据互通，为智能化多功能的货主服务提供支撑。

（3）智能处理。在识别、采集、传输信息后，物联网可通过云计算、边缘计算等技术，对货物信息、处理流程、运输轨迹等数据进行智能化处理和分析，实现铁路物流智能化经营，达到提高铁路物流质量、提升运输效率的目的。

2.4.3 部署方式

物联网在铁路物流领域的应用可使用固定、车载和手持多种类型的物联网终端，其部署方式如下。

（1）固定类物联网终端。固定类物联网终端通常安装在仓库门口或其他货物通道，应具有识别功能、基础设施监测和网络传输功能，用于货物出入库跟踪、铁路物流基础设施状态监测、协助设备定位等。固定类物联网终端以传感设备为主，包括红外传感、温度传感、湿度传感设备等，为冷链运输和特殊种类的运输提供环境监测。

（2）车载类物联网终端。通常安装在货物列车中，应具有北斗或5G定位功能、数据传输功能和语音或高清视频通话等功能，并根据承载业务的安全等级需求进行相应的数据安全加密。在铁路物流运输过程中，运输货物品种、形状、状态和运输环境各异，并且时刻处于移动状态，对运输货物进行有效的识别、追踪、监控是运输管理的难点。物联网技术可以通过在列车上安装终端设备，获取货物的状态、位置、性能等参数，并传输到中心平台进行处理，进一步加强对货物的跟踪以及对车辆的监控，将货物、司机、车辆驾驶情况等信息高效结合，提高运输效率，降低运输成本，为货主提供多元化、智能化的服务。

（3）手持类物联网终端。通常由使用者在货场、车站、物流园区等地点手持使用，应具有北斗和5G定位功能、数据传输功能、识别功能和语音或高清视频通话等功能。手持类物联网终端应具备的功能与车载类物联网终端类似，但工作场景集中于车站、货场等集中作业场所。手持类终端是RFID技术的主要承载设备，可通过扫描货物上的电子标签获取其状态、位置、性能等参数，以及计划车次号、车辆容积、司机信息、运输线路、运行时刻表等运输基础信息，并传送到中心平台，中心可根据物流体系运转情况，通过手持终端与一线工作人员进行直接通话。

2.4.4 能力要求

根据5G物联网技术的系统能力，可以按照不同的物联网终端类型，提出设备的能力要求。

（1）传输速率。基础设施监测、识别功能的数据传输速率要求低，单次的数据传输量小于100 Byte；高清视频通话传输速率要求高，1080P视频传输码率（均值）约为7.25 Mbps。

（2）传输频率。基础设施监测功能需要进行的数据发送次数不大于10次/d，车载、手持终端传输频率较高，其中信息识别终端和电子标签识别终端传输频率应大于100次/d。

（3）传输实时性。基础设施监测功能对实时性要求较低，信息识别、数据传输、5G定位、视频通话功能需要实时传输。

（4）设备密度。铁路站场区域内布设的物联网设备或节点数目约为1×103～ 1×104个/km2；铁路正线布设的物联网设备或节点数目小于10个/km；车载物联网终端涵盖多种功能和类别，设备密度随业务需求数量变化。

（5）网络覆盖。铁路线路通常采用线状覆盖，所有设备均沿铁路线分布在轨道附近；车站、站场等设备密集地区通常采用面状覆盖。对站场特殊区域（如车辆之间可能产生弱场区域），需要额外进行信号补强。

（6）待机时间。考虑铁路维修作业计划多为年度作业，具备年度检修更换电池的可能。因此，供电能力超过1a的电池应可满足铁路物联网基础设施监测类设备的基本待机时长需要。对于有实时通信需求的物联网无线终端，可采用大容量电池或外电源的方式供电。

3 结束语

5G作为新一代信息技术演化生成的基础设施，属于新基建3个主要方面中最重要的信息基础设施，是加速第四次工业革命、抢占全球科技制高点、推进产业转型升级的重要支撑。铁路具有网络覆盖面广、受众人口多的特点，推进基于5G的mMTC物联网系统的铁路行业应用，尤其是在铁路物流领域的应用，可以对铁路线路及沿线环境、移动设施设备、自然灾害等复杂情况和大量装备、货物进行实时监测监控，并通过实时反馈视频音频等信息，与大数据等技术相结合，大幅提升铁路物流信息化、智能化水平，提升铁路物流服务供给质量，促进铁路向信息化、数字化、智能化高质量发展。