城市轨道交通 5G 公专网建设思路探讨

何 涛，党选丽

（1.华为技术有限公司咨询与系统集成部，广东东莞 523808；2.铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）

1 引言

轨道交通行业的5G应用逐渐丰富，在5G网络建设上，国内已累计建成5G基站71.8万个，三大运营商网络建设速度和规模超出预期。5G网络逐步实现轨道交通全面覆盖，网络能力既提升乘客的出行感知，又可以带给轨道交通车地数据业务传输的可能，实现一网多用的经济效益。虽然5G公用网络（以下简称“5G公网”）完成了覆盖，但是针对轨道交通行业的网络覆盖要求和公网还有很大区别，在5G公网的基础上建设好1张专网，需要探索新的建设思路。

2 5G 移动通信技术简介

5G移动通信网络采用全新的服务化架构、全新的频谱资源，结合多天线系统和先进的算法，可满足灵活多样的链接需求。

在无线性能上，5G采用低密度校验码（LDPC）、Polar新型信道编码方案、性能更强的大规模天线技术等。为支持低时延、高可靠，5G采用短帧、快速反馈、多层/多站数据重传等技术。

在网络架构上，5G采用云化核心网，支持灵活部署。基于网络功能虚拟化/软件定义网络（NFV/SDN），实现硬件和软件解耦，控制和转发分离；支持边缘计算，云计算平台下沉到网络边缘，支持基于应用的网关灵活选择和边缘分流。

在满足5G差异化需求上，5G采用切片技术让运营商能够在一个物理网络之上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，用于满足不同行业客户对网络能力的不同要求（如时延、带宽、连接数等）。目前定义了3种网络切片类型，即增强移动宽带、低时延高可靠、大连接物联网。

3 5G 网络对于城市轨道交通的意义

截止2019年底，在城市轨道交通建设规模上，中国已经有7座城市跻身全球前10位，运营里程总长度6 730.27 km，城市轨道交通总客流量达227.8亿人次。在建设“量”上已是全球领先，但在轨道智能化方面，还未跟上发展的步伐。受限于网络能力，城市轨道交通大量业务数据无法实现实时上传，只能采用本地存储、人工拷贝的方式来进行数据管理。因此，城市轨道交通有必要协同5G技术实现更进一步的发展。而5G网络在城市轨道交通中的定位，需要朝着解决各业务模块痛点的方向努力。

当前城市轨道交通存在几大业务痛点。

（1）无线带宽不足导致视频无法回传。视频的回传诉求主要在车载视频摄像头上。车载视频分为2个部分，第一部分在司机驾驶室，需要安装多个摄像头对司机行为进行监控，确保安全运行。第二部分在车厢内，对车厢情况进行监控，确保乘客的安全。受限于轨道专网频谱，视频只能存储在驾驶室内，到站后下载拷贝。

（2）无线带宽不足导致应急通信难。在应急状况下，车站需要临时部署无线视频摄像头，并且与站外安保人员实现实时通信。以当前地铁的专网带宽以及通信方式，是无法实现多终端的视频回传，信息实时交互存在困难。

（3）现有集群通信手段有限，无线带宽不足。地铁采用的是低频集群通信系统，目前采用的400 MHz/800 MHz集群通信，受限于频段能力，同时又要避免对室外的干扰，目前存在的困难是地下喊不到地面，地面喊不到地下，不同线路制式无法互通，不同站台无法互通。

（4）城市轨道交通专网频点被干扰。城市轨道交通列车控制系统承载于1 800 MHz专网频谱上，该专网频谱同时供机场、电力使用。部分频点与其他区域的同频网络会产生重叠或干扰，导致列车断线停车。

除此之外，列车乘客信息系统（PIS）、列车控制和管理系统（TCMS）等，都因无线带宽受限，无法确保数据有效传输。为解决这些问题，城市轨道交通业主和运营商共同研究5G的应用场景，南京市轨道交通率先实现了全国首个5G+MEC的切片网络，武汉市轨道交通也在将部分专网业务迁移到5G网络上。中国城市轨道交通协会对运营商5G网络给轨道交通的切片专网做了定义——轨道交通5G公专网：基于运营商5G公网，通过资源隔离等技术手段，提供专属网络能力，承载轨道交通相关数据业务，覆盖轨道交通全场景，从而实现5G公网专用。当前运营商在城市轨道交通内建设的5G公网主要为乘客提供服务，而在城市轨道交通中还存在大量的无人区、机房等。要实现5G的应用，信号覆盖是基础。同时在网络容量设计方面，也需按区别于公网的思路进行规划。首先需要完成业务画像，其次梳理话务模型，再次设计业务匹配的网络架构。完成网络建设后，通过部署平台对业务进行可视化管理。

4 城市轨道交通 5G 应用的业务画像

业务画像如同用户画像一样，是将城市轨道交通具体的5G应用转化成网络语言，根据每种业务应用的特征、链接数、上行速率、下行速率、时延、可靠性、并发率等要求，形成网络类型的数据标签。

以车辆运行状态监测业务为例，该业务是将车载主机、各子系统采集的列车状态、故障等信息实时传送到地面监测中心。该业务实际应用场景为正线、车辆基地/停车场。当前局限于网络能力，车辆运行状态监测数据并未实现实时传输，未来通过5G完成列车运行状态实时监测，业务可用性应满足如下技术要求，也等同于网络指标的要求。

车辆运行状态监测业务传输时延要求不超过100 ms的概率不小于99%，业务丢包率不超过1%。车辆运行状态监测业务要求每列车传输速率上行不小于10 Mbps，下行不小于1 Mbps。实现业务功能的终端分别安装在车头、车尾驾驶室内。列车在跑动过程中，终端需要100%在线。

根据要求梳理的车辆运行状态监测业务画像如表1所示。除了车辆状态监测应用外，还有车载PIS、视频监控系统（CCTV）等多种应用，都可以分别实现业务画像。

表1 5G业务画像

通过调研，当前城市轨道交通行业的5G应用可以有如下需求，应用清单如表2所示。

表2 城市轨道交通的5G应用清单

为确保每一种应用的实现，业务画像只关注在单个5G扇区覆盖范围内最大并发的终端数，以及在特定时段内的终端并发率。如CCTV视频承载，就是在列车运行过程中启动，通过车载终端接入单元（TAU）将数据回传。但应急通信业务，只有在应急状态中才会使用，平时不需要占用带宽。因此在业务的网络能力设计中，就需要充分考虑到各业务同时在线的范围与时段。

5 城市轨道交通5G应用的话务模型

在完成对城市轨道交通5G应用的业务画像后，需要根据业务发生的时间与地点确定业务的话务模型。区别于5G公网业务服务，城市轨道交通5G终端的在线时长基本要求为100%。部分业务发生在列车内，部分业务发生在轨道旁，但当列车与轨旁业务同一时间发生在同一5G覆盖扇区，其业务并发所占用的带宽资源就需要统一考虑。

在城市轨道交通线路隧道中，运营商已经部署5G网络，主要面向乘客提供服务。5G采用TDD制式，下行时隙配比高于上行，当前普遍采用的是7 : 3，8 : 2，时隙配比已经固化。城市轨道交通所用的业务模型主要是上行数据，通过计算，在多个终端并发时，轨行区5G单扇区需要提供给车载与轨旁终端的上行吞吐率在70 Mbps左右，下行在30 Mbps左右。

隧道内的5G网络覆盖一般采用泄漏电缆的部署模式，通过测试数据表明，采用100 MHz频谱，部署双缆或四缆，在时隙配比为7 : 3的网络中，双缆2T2R理想吞吐率为150 Mbps，四缆4T4R为252 Mbps。

根据话务模型与双缆2T2R网络建设的吞吐率基线，城市轨道交通5G应用会占用40%左右的5G上行网络资源，由于下行应用业务量较少，对5G下行网络资源占用率为5%左右。

与此同时，还需要考虑乘客使用5G网络资源的情况。由于目前5G手机普及率不高，因此话务模型可以参考4G。未来随着5G用户的增加，乘客使用的网络资源与轨道交通使用的资源是否会冲突，在规划设计中需要提前考虑。

6 承载城市轨道交通业务的5G 网络设计

承载城市轨道交通业务的5G网络设计涉及无线、传输、核心网的端到端3个部分，并通过网络端到端（无线、传输、核心网）的切片隔离来实现对轨道交通业务的保障。切片保障主要包括3种方案，分别为基于服务质量（Qos）保障、专属5G服务、专用5G网络。5G 切片隔离方案如表3所示。

表3 5G切片隔离方案

6.1 5G 无线接入网建设原则

城市轨道交通5G公专网主要需求是覆盖连续性。目前5G公网只针对有乘客区域进行覆盖，如站台、站厅、隧道等。而城市轨道交通车辆段、机房等无人区域并未被完全覆盖。比较特殊的高架桥区域则通过宏站实现兼顾覆盖。未来要实现5G业务的承载，并确保业务的服务等级协议（SLA），那么城市轨道交通沿线就需要实现专网覆盖，以确保网络资源供城市轨道交通乘客和列车独享。5G无线接入网建设中，推荐在信号覆盖方面采用室外专项5G连续覆盖，在频谱规划方面采用异频组网方式；5G车载业务复用共享5G基站，通过5QI优先级或RB资源预留的方式实现逻辑隔离；室外部分尽量采用与公网宏站不同的频谱，降低干扰，减少切换，以保证终端可持续驻留于5G公专网内。

当前5G频谱具备700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz以及4.9 GHz多种选择。采用业务的承载频谱需要遵循以下原则：频谱干净，室外干扰最小；5G载波带宽大，若单载波在100 MHz，可以满足车载业务的承载；选用的频谱可以在泄漏电缆等基础设施里使用。

5G网络部署后，需要完成无线资源的切片方案，实现资源调度，灵活适配轨道交通不同业务场景的隔离需求，5G切片方案如图1所示。

图1 5G切片方案

为满足城市轨道交通不同业务场景的隔离需求，针对5G 专网的切片方案应遵循以下原则。

（1）采用全线漏缆+小区合并技术，减少列车切换，提升终端稳定性。

（2）轨行区扇区规划与车速相关，如假设列车平均速度为 80 km/h，为减少切换，30 s行驶无切换，扇区覆盖距离要大于667 m。

（3）根据每扇区的最大覆盖距离、射频拉远单元（RRU）的间距要求，采用多RRU小区合并特性，合理划分及合并小区，使其既满足容量需求，又减少切换及小区间的干扰。扇区规划组网图如图2所示。

图2 小区合并示意图

6.2 5G 承载网建设原则

针对城市轨道交通业务的5G专用承载网的建设原则包含以下几个方面。

（1）承载网基于灵活以太网技术（FlexE）硬隔离技术创建独立网络切片，确保城市轨道交通业务安全可靠；超低时延类业务采用独立切片承载，确保业务低时延承载。

（2）承载网物理组网需要具备双路由，结合双归属保护功能，实现链路、节点故障的50 ms恢复能力。

（3）低时延业务关联的轨道设备，规划阶段要求接入到同一区域的传输网设备，实现业务就近转发，避免由于传输跨区域业务调度导致无法满足时延要求，每100 km传输距离会产生0.5 ms传输时延，在评估承载网时延时需要综合评估无线设备到用户端口功能/边缘计算技术（UPF/MEC）的光纤距离。

（4）按需端到端部署选择重传（SR）协议，简化5G业务协议配置。5G业务承载端到端（E2E）采用SR协议，简化协议配置（协议数量由10个减少到2个），配合网络连接元件（NCE）一次性完成链路协议配置，实现业务快速发放。通过SR与NCE的配合使能网络自动化，可以将网络设备的利用率由原来的40%提升到80%，从而节约扩容成本。

6.3 5G 核心网建设原则

城市轨道交通5G公专网建设复杂度最高、行业定制化特点最强的子域就是5G核心网。5G核心网可以分为控制面和用户面，控制面网元主要包含接入和移动性能管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、网络切片选择（NSSF）、认证服务器功能（AUSF）、统一数据管理功能（UDM）、策略控制功能（PCF）等，用户面主要为UPF。其中与城市轨道交通业务转发相关性最强的网元为UPF。在城市轨道交通业务终端接入5G网络基本信令及连接建立后，UPF负责城市轨道交通业务的路由转发、策略实施、流量报告、QoS处理等，相当于业务出口网关。从网络安全隔离角度出发，综合网络建设成本以及轨道交通安全策略，建议独立部署城市轨道交通专用 UPF。

综上所述，城市轨道交通5G公专网核心网的建设思路如下。

（1）城市轨道交通行业设置专用UPF网元对用户数据隔离、业务质量自定义、计费稽查、安全增强等方面具有较大意义，建议城市轨道交通5G切片配置专用的UPF。

（2）考虑到城市轨道交通运营企业一般为市属企业，每条线路分别与不同运营商进行商业合作，因此各运营商为城市轨道交通提供的专用UPF网元需要独立部署，不能复用。

（3）除了5G网络内部隔离之外，5G核心网用户面UPF/MEC和城市轨道交通各线路主站/子站之间的N6接口，也需要通过专线承载，以确保E2E安全隔离。

（4）从差异化+确定性SLA业务体验保障视角出发，考虑到传输距离对时延的影响，需要根据时延要求考虑UPF/MEC的下沉位置，UPF/MEC部署位置尽量和城市轨道交通主站/子站等业务系统的部署原则对齐，避免路由迂回。

（5）从可靠性视角出发，基于城市轨道交通业务高可靠性/高可用需求，生产控制、管理信息对应的城市轨道交通专用UPF应考虑冗灾备份（同城或异地）方案。并且在用户面和控制面断连场景下，要考虑业务的持续运行不中断/快速恢复，即应急控制面下沉到主站/子站，和UPF共部署。

7 5G 基础网络覆盖的优化与业务保障

7.1 业务保障

要做好城市轨道交通5G专网的切片效果，基础网络覆盖的质量非常重要。基础网络覆盖的方案决定了车载业务的效果。

建设一张良好的城市轨道交通5G公专网，根据测试总结，建议满足以下关键业务指标（KPI）：

（1）5G全场景参考信号接收功率（RSRP）≥-95 dBm的采样点比例≥99%；

（2）信号与干扰加噪声比（SINR）≥5 dB的采样点比例≥98%；

（3）通过轨行区5G公专网小区合并减少切换次数，小区合并长度不超过1.5 km，业务驻留率≥99%；

（4）5G公专网需满足城市轨道交通平均上行业务并发带宽不小于72 Mbps；

（5）通过切片设计实现业务保障、时延满足城市轨道交通各业务标准要求。

7.2 针对轨行区的网络优化

在公网设计中，每450 m会有一个设备开断点，为解决用户切换问题，450 m漏缆两头会接上不同基站的信号，在一条漏缆里会存在两个不同的扇区。对于乘客来说，由于业务连续性不强，当前设计可以满足业务需求。但是对于车载业务来说，一条漏缆里有两个扇区的信号，会造成切换频繁，导致业务时延增加。部分区域由于切换失败，导致车载终端驻留失败。通过扇区合并，在不损失容量的情况下，减少列车终端的切换次数，可以极大程度提升业务感知，减少业务时延。

5G网络建设后，通过持续网络优化，可实现小区吞吐率的提升。同理，在城市轨道交通的5G业务中，每种业务定义的优先级不同，在速率、时延上，都需做好业务保障。每种业务在使用过程中均会发生资源抢占，网络切片方案在资源上做了一定的隔离。另外，针对相同切片中的不同业务，还可以采用两种机制保障：采用最低速率（PMBR） 可确保单上网用户级速率稳定；采用保证比特速率（GBR） 可确保网络级用户速率稳定。

8 城市轨道交通 5G 业务的可视化管理

为确保城市轨道交通5G公专网的高效运营与运维，避免5G公专网成为“黑匣子”，运营商需要基于城市轨道交通行业对专网自管理的需求，提供业务可视化平台。一方面，借助大规模数据采集技术，实现5G公专网从终端、网元到业务应用等多域、多类型数据的融合；另一方面，借助业界成熟的大数据可视化相关组件，在数据展现层，构建技术先进、体验良好的人机交互方式，包括数据实时展示、图表灵活操作、指标定制、多屏协同等能力，实现丰富绚丽的数据表达与数据洞察。最终向城市轨道交通5G公专网运营运维人员展现一张数据融合、透明可视、体验便捷、运营高效的网络，实现从网络到业务的全方位立体化可管、可控、可视，助力运营运维高效决策，保障业务稳定可靠。

城市轨道交通公专网的可视化，从底向上，包含终端设备可视化、端到端网络可视化、业务质量可视化以及网络故障可视化。

（1）终端设备可视化。实现城市轨道交通公专网中各类终端的集中化纳管、可视化连接，确保所有终端的属性被完整描述，可视呈现，实现终端资源与业务的映射。

（2）E2E网络可视化。完整呈现城市轨道交通公专网中从终端、接入网、承载网、边缘节点、核心网以及应用服务器等端到端的网络拓扑，实现网络设备自发现、网络节点的TOPO自动生成，以及网络性能指标的动态呈现。借助E2E网络可视结果，网络管理人员可以了解当前的网络整体结构、网络运行状态，判断和定位网络性能瓶颈，从而实现对整个网络的运行状态进行及时有效的监测和控制。

（3）业务质量可视化。一方面可还原业务的逻辑拓扑路径，使得每个业务流可独立的呈现与分析，另一方面，将反应业务体验的指标进行灵活呈现，使得业务的真实体验信息可感知可管理。一旦出现业务质量的劣化，可快速被发现、跟踪和定位。业务质量可视，是轨道交通公专网业务SLA保障的基础。

（4）网络故障可视化。基于对端到端网络设备的资源、告警、性能等信息的综合采集与融合分析，提供城市轨道交通专网的网络故障可视能力，包括基于网络TOPO的告警呈现、事件预警与分析、故障定界与定位、故障根因钻取分析等能力，此外，还提供一键报障入口，让网络管理人员可快速将故障呈报到运营商网维部门，快速响应、协同定位并及时处理网络故障。

9 结语

对于5G公专网的建设，还需要国内更多城市轨道交通公司启动试点，互相贡献知识、相互借鉴经验，相互学习，取长补短，才能推动整个5G产业的发展，最终确定针对城市轨道交通5G公专网的建设标准。