5G移动通信新技术在城市轨道交通信号系统中的应用

文：赵海军，胡海建，田玲，王开强，曾宇溪丨西门子交通中国

近年来，我国深入实施工业互联网创新发展战略，“5G+工业互联网”建设进入快车道，各种应用场景不断拓展，出现了远程设备操控、现场辅助操作、产品质量检测等典型场景。本文就5G新技术结合轨道交通信号系统应用的特点，打破通信带宽与时延的瓶颈，为5G移动通信技术在城市轨道交通信号系统的应用提供了整体的解决方案。

一、城市轨道交通信号系统的通信模型和现状

城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统(ATC)和联锁系统组成，ATC系统包括三个子系统：列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，简称ATS）；列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，简称ATP），列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简称ATO），三个子系统和联锁系统通过信息交换网络构成闭环系统。实现地面控制与车载控制相结合。现地控制与中央控制相结合。

其通信模型如图1所示。

图1 城市轨道交通信号系统通信模型

从结构上看，信号系统的通信网络可以分为三部分，如表1所示。

（一）城市轨道交通信号通信系统与5G移动通信的“融合”

在国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提出：“加快构建基于5G的应用场景和产业生态，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧医疗等重点领域开展试点示范。”“坚持节能优先方针，深化工业、建筑、交通等领域和公共机构节能，推动5G、大数据中心等新兴领域能效提升，强化重点用能单位节能管理，实施能量系统优化、节能技术改造等重点工程，加快能耗限额、产品设备能效强制性国家标准制修订。”

由中国城市轨道交通协会出版的《中国城市轨道交通发展战略与“十四五”发展思路》的研究报告中指出，城市轨道交通发展要适应新时代的态势特征。依托5G、物联网、云计算、大数据等新技术推动整个城市轨道交通行业的数字化转型、智能化发展。从协会层面，对5G移动通信系统在轨道交通领域的应用提出了明确的方向。5G通信技术自应用以来，在工业领域内有了很多的积累。主要利用了5G的增强型移动宽带(eMBB, enhanced Mobile Broad Band)，超可靠低时延通信(uRLLC ultra-Reliable Low Latency Communications)和大规模机器类型通信(mMTC, massive Machine Type Communications)的能力，实现工业生产的转型。

表1 信号系统的通信参数

同样在轨道交通行业中的信号系统专业，5G也能发挥其技术优势。将打破蜂窝移动通信带宽与时延以及安全的瓶颈。为城市轨道交通信号系统的全方位“无线化”提供了可能。

1.与5G SNPN融合建立独立的5G承载网络。3gpp的R16版本提出了新的5G应用概念NPN（Non-public Network，非公用网络）应用模式。同时为这种应用模式，提出了两种部署方式。

·SNPN（Standalone NPN，独立NPN）独立部署。指企业独立部署一张包括核心网、UPF、MEC、gNB等所有网元的5G专网。在独立部署模式下，5G专网可以与运营商5G公网完全隔离，从而可保障企业内的设备信息、控制面信令流量、用户面数据流量等都不会出工厂，保障企业数据绝对安全，以及网络最低时延。

·PNI-NPN（Public network integrated NPN，公共网络集成NPN）。共享部署，也叫“公网专用”。其根据与公网共享程度不同分为“与公网完全共享”和“与公网部分共享”。与公网完全共享，指5G专网完全共享5G公网端到端资源，通过切片技术为企业客户提供“虚拟专网”。与公网部分共享，指5G专网与5G公网之间共享gNB，或者共享gNB和核心网控制面（CP），企业专网内部部署核心网用户面（UPF）和MEC。

这两种模式都可以实现端到端的资源隔离，为垂直行业提供专属接入网络，保障垂直行业客户资源独享。他们的区别在于是否依赖于PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络）提供的网络功能。

对轨道交通信号系统应用来说，SNPN的部署模式更能满足信号系统对安全性、可靠性、抗干扰能力等特性的高要求。

2.SNPN的工作原理。如图2所示，独立部署的SNPN，用PLMN ID和NID（NID：网络标识）的组合来进行标识，PLMN运营商可以使用其分配到的PLMN ID加上NID来区分各个专网，或者使用为专网预留的PLMN ID。

UE初始注册时，会将所选择的标识发给RAN，RAN将标识的发给AMF。与母SNPN签约，签约信息包括了UAC（Unified Access Control，统一接入控制）信息，签约后的UE才能够被允许接入的此SNPN网络中。在UE没有签约或者网络拥塞时，SNPN可以阻止UE接入，以永久防止该UE自动选择并向同一SNPN注册。

图2 SNPN工作原理图

如果已在SNPN注册的UE，有需要访问PLMN网络时，可以通过N3IWF（Non-3GPP Inter-working Function：非3GPP互操作功能）访问PLMN的服务。这时，此UE也需要同时向PLMN注册。

SNPN对于PLMN来说，相当于非可信non-3GPP接入。SNPN选择的终端用户就不能成为PIMN选择的终端用户，反之也是一样的。也就是一个终端或者接入公共网，或者接入专用网，无法同时接入两者。这就既保证了系统通信的封闭性，同时也为部分需要接入到系统以外的网络的用户（智能运维等）提供了便利。

3.与5G LAN的融合，降低工程难度。同时3GPP在R-16阶段也定义了5G LAN技术。5G LAN即是在5G网络上构建局域网类型服务（5G LAN-type service）的技术，可以为特定终端组提供IP类型或者以太网类型的通信服务。能够向客户提供提供与局域网（LAN）和VPN相似的组网服务，并保持5G高性能、远距离接入、移动性和安全性的特有能力。

在轨道交通信号系统中，联锁站之间，联锁站与轨旁设备之间设备面临着线缆移动性限制、光纤铺设成本高等不足。使用5G LAN功能能够使联锁站之间，联锁站与轨旁设备之间摆脱光纤的束缚，使系统设计、安装更简单。同时将大大节省成本。

5G LAN标准定义了两种类型的服务模型，一种使利用交换机支持的非漫游用户面架构，一种是利用参考点N19支持的非漫游用户面架构。N19是两个UPF之间的参考点，用于直接路由不同PDU会话之间的流量和5G局域网服务。通过UPF组网提供点到点、点到多点通信。如图3所示。

在此模型的基础上，针对以太网的应用模型，如图4所示。对于用户终端设备可以通过交换机接入，也可以直接通过5G接入终端接入；或者与开发具有5G接入功能的新产品直接接入。

图3 5G LAN通信模型

图4 5G LAN的以太网接入模型

二、城市轨道交通信号系统的5G通信模型初探

（一）5G SNPN组网替代LTE-M组网构建新一代的安全网络。

5G SNPN组网模型，依托5G的三大应用特性，替代目前主流的信号系统的承载网络LTE-M和WIFI网络，不仅能够实现可靠的连接，同时结合网络切片和切频技术，能够在同一张网络中实现诸如视频传输，智能运维，大数据传输等更广，更大流量承载任务。而目前使用的主流的承载网络，从未来的轨道交通全面发展的态势来看，存在一些需要改进的地方，主要有：

·带宽资源不足，根据LTE-M轨道交通城市轨道交通标准，CBTC需要5M以上带宽，综合承载需要15M带宽。共20M的频带资源，而这些资源是与电力、石油等专业用户共享使用的。特别是在地面、高架等区域将面临申请频段难以满足的局面。这种局面在部分城市轨道交通线路中已经存在。随着智能运维系统以及高清流媒体等对实时性的需求，如果这些业务采用LTE-M承载的话将面临带宽不够的情况。重新建设其他类型的无线网络，无疑会增加成本投入。

·抗干扰能力不强，部分轨道交通线路使用2.4GHz/5.8GHz的WIFI，同时由于其工作在开放性的ISM频段下，其信道存在很大的干扰，特别在露天区域干扰问题尤为突出。

·网络时延较高，LTE网络和WIFI网络的整体时延要高于5G移动通信网络。

5G局域网替代光缆将站间设备、车站与地面设备互联。在5G SNPN组网的推动下，将联锁控制设备“下沉”与轨旁系统平台“上浮”，构建全新的云端-地端信号系统通信网络模型。如图5所示。

图 5 基于5G局域网和5G SNPN网络的信号系统通信模型

联锁控制设备“下沉”指的是将以前部署在设备房中的转辙机，信号机，轨道区段控制设备下沉至被控原件的旁边。轨旁计算机系统平台“上浮”指的是将联锁计算机和ATP计算机平台上浮至中央监控层。联锁控制设备“下沉”的好处包括：

·减少集中站设备房的占地面积，机柜数量以及值班人员数量，节省投资成本和运营成本。

·下沉使控制设备与被控元件融合。使用5G与联锁平台进行数据交换，节约了光、电缆成本以及电缆敷设，以及长期维护的人员和耗材成本。节省运营成本，提高经济效益。

·控制设备下沉大大降低了设备故障的影响面。传统CBTC系统如果发生元件控制计算机故障，那么将会影响到元件控制计算机控制区内轨道元素的正常工作，严重影响了运营效率。控制设备下沉，单个的故障仅仅影响到一个轨道元素的工作，不会造成大面积的故障。

·下沉的控制终端智能化小型化，同时借助5G数字基础设施，可以支持原生运维数据上传和接受远程管理。

轨旁系统平台“上浮”的优势包括：

·计算机平台上浮，减少联锁站设备房的占地面积，机柜数量以及减少值班人员数量，节省投资成本和运营成本。

·计算机平台上浮集中至中央控制中心，方便设备管理和维护，增强系统故障的响应速度和处理效率。

·计算机平台上浮，集中部署。将推动功能“软件化”“开放化”，采用云服务器部署。使硬件设备类型更加统一，更容易形成规模化，降低库存量，提高经济效益。

（二）前瞻性研究和应用

1. 5G+智慧轨道交通项目-基于云计算的下一代信号系统。西门子交通基于新型通讯模型推出了基于云计算的下一代信号系统，即“云信号”（图6）。基本思路是将信号系统向两端转移，省去了传统信号系统的中间部分。一端将原部署在集中站的工业计算机上的联锁和ATP系统虚拟化，转移至云平台的商用服务器上的安全应用，另一端将原来部署在设备站的元件控制计算机高度集成，前移至轨行区设备旁，称目标控制器xCM，通过5G通道直接与云端的联锁安全应用通讯。ATC列车部分也通过5G高带宽通道与云端ATP安全应用通讯，该5G车地通道同时也承载了海量的设备运维数据下传。“云信号系统”为在城轨云平台上建设智能运维生态，进而实现“信号即服务”的全新模式奠定了基础。

图 6 西门子基于云计算的下一代信号系统

2.5G+智慧轨道交通项目-基于5G的城轨云。在5G的增强型移动宽带(eMBB, enhanced Mobile Broad Band)，超可靠低时延通信(uRLLC ultra-Reliable Low Latency Communications)和大规模机器类型通信(mMTC, massive Machine Type Communications)的能力下，基于5G的城轨云新局面被打开。城轨云层分生产、运营和维护三部分，基础设施层的海量安全或非安全数据与云层的互动可通过5G承载网得以实现，其中的信号系统安全数据，在西门子云信号系统的加持下得以实现上云。

图7 基于5G 的城轨云