深圳城际铁路5G公专网应用研究

徐 磊

0 引言

2020年，国家发展和改革委员会批复了《关于粤港澳大湾区城际铁路建设规划的批复》(发改基础〔2020〕1238 号)。该批复明确提出：提升粤港澳大湾区(以下简称“大湾区”)城际交通供给质量，服务粤港澳大湾区建设，打造“轨道上的大湾区”。近期(2025 年)，大湾区铁路网络运营及在建里程达到4 700 km，全面覆盖大湾区中心城市、节点城市和广州、深圳等重点都市圈；远期(2035 年)，大湾区铁路网络运营及在建里程达到5 700 km，覆盖100%县级以上城市[1]。结合项目规划情况，从深圳城际铁路业务需求角度出发，对行业主流技术进行分析，并对5G公专网建设方案进行了探讨研究。

1 深圳城际铁路无线通信业务需求与特点

1.1 地铁无线业务需求分析

多年来，随着地铁建设的快速发展，基于无线通信的服务越来越丰富。现阶段地铁无线通信业务主要包括：列车运行控制业务、列车紧急文本业务、列车运行状态监测业务、视频监控业务、乘客信息系统(PIS)视频业务、集群调度业务等，现阶段地铁无线通信业务需求如表1所示[2]。

表1 现阶段地铁无线通信业务需求Tab.1 Summary of metro wireless communication service demands

上述业务按业务类型可分为数据类业务和语音类业务，按业务级别可分为涉及行车安全的业务和不涉及行车安全的业务，按数据方向可分为下行数据业务、上行数据业务和上下行数据业务。

其中，涉及行车安全的无线业务主要包含列车运行控制业务和集群调度语音业务，上下行速率要求较小，是地铁无线通信系统重点保障的对象。另一方面，上下行速率要求高的业务主要为视频数据业务，不涉及行车安全。因此，从业务的重要性角度和技术能力角度，建设不同的无线通信网络来分别承载“低带宽高安全”和“高带宽低安全”的业务，是现阶段地铁行业较为通行的方法。

1.2 深圳城际铁路的特点

根据政府规划，深圳城际铁路是参照地铁旅客服务标准建设的城际铁路，采用公交化运营模式，其各类无线通信业务需求与地铁需求一致，可以参考表1的概述。

另一方面，深圳城际铁路也有与地铁不同的特点：①不同于地铁各线自成系统，深圳城际铁路需实现跨线运行的“网络化”功能，各铁路线路之间存在过轨跨线运营的要求。②深圳城际铁路设计速度较高，地下段设计速度160 km/h，地上段设计速度200 km/h。③深圳城际铁路线路规划跨深圳、东莞、惠州等多个行政区，无线系统技术和频率选择需要具备通用性。

1.3 智慧城际铁路的需求

随着我国新基建的整体布局，云计算、物联网、大数据等新技术的应用也为轨道交通行业向数字化、智能化的转型提供了可能[3]。智慧城际铁路是指对移动装备、固定基础设施及相关内外部环境信息进行全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，综合利用城际铁路所有移动、固定、空间、时间和人力等资源，以实现城际铁路全生命周期的高度信息化、自动化、智能化，打造更加安全可靠、经济高效、温馨舒适、方便快捷、节能环保的新一代城际铁路系统。业务需求主要体现在包括面向列车运行的智能应用、面向运营维护的智慧运维、面向乘客出行的智慧车站和面向应急防灾的智能预警等[4]。上述新兴的业务需求也对无线通信技术的选择提出了新的要求。

结合无线业务需求分析和地铁行业的应用经验，建议深圳城际采用根据业务的重要性建设不同的无线通信网络。服务于传输速率高、不涉及行车安全、智慧类的新业务的无线通信网络是本次讨论的重点，需具备大带宽的传输能力、灵活快速的本地转发能力和稳定的多设备接入能力。同时，网络设计过程中需考虑足够丰富和灵活的算力资源，以支持智慧城际铁路的发展。

2 主流无线通信技术对比分析

2.1 轨道交通行业主要无线通信技术

现阶段应用于轨道交通行业的无线通信技术主要有Tetra、GSM-R、LTE-M、WLAN 等，轨道交通行业主流无线通信技术如表2所示。

表2 轨道交通行业主流无线通信技术Tab.2 Mainstream wireless communication technologies in rail transit industry

其中，Tetra和GSM-R为窄带无线通信技术，不支持大带宽的数据传输；LTE-M 受频率规划限制，对轨道交通领域的大带宽数据传输能力也较为有限，更多应用于涉及行车安全的业务领域；WLAN随着技术的发展，个别厂家已经能够支持160～200 km/h的移动速度，但由于采用了厂家的私有协议，互联互通能力比较差。另外，近年来也有一些新的技术应用，例如，超高速移动通信技术(EUHT)由新岸线公司设计开发，工作在非授权频段5.8 GHz，支持移动速度300 km/h；基于非授权频段的LTE(LTE-U)，工作在非授权频段5.8 GHz，支持移动速度300 km/h。这2 种技术无线传输能力较强，能够提供较大的数据带宽，可用于承载大带宽的数据业务，但由于技术缺少通用性，网络化和互联互通性较差。

2.2 5G应用可能性分析

第五代通信技术(5G)已经在我国运营商市场投入使用，其高速率、低延时、高系统容量和大规模设备连接的特性受到了普遍的关注。随着新版本标准的逐渐发布，5G技术功能逐渐增强，特别是数据安全和资源保障能力获得了更多的认可。近年来，5G 技术在专网领域的应用越来越多，在港口、智慧工厂、矿井等不同领域均有了一些工程应用案例。5G技术的超低时延、高速率、高可靠性和多终端接入能力为轨道交通行业应用提供了新的可能[5-6]。例如，轨道交通业务主要使用上行数据，在隧道内采用漏泄电缆进行5G网络覆盖时，5G不同漏缆数量下不同频谱带宽的单用户上行网络吞吐能力如表3所示[7]。可以看出，利用电信运营商5G网络构建“虚拟专网”的方式基本能够满足深圳城际铁路大带宽和智慧型的无线应用需求。

表3 5G不同漏缆数量下不同频谱带宽的单用户上行网络吞吐能力Tab.3 Single user network upload capacity for different 5G cable construction methods

2.3 5G公专网方案

5G 公专网是电信运营商针对5G 技术在专网领域应用提出的解决方案。此方案以共用运营商5G频段为基础，按照接入网和核心网设备的不同共享程度区分为3种模式，分别为5G虚拟专网模式、5G混合专网模式、5G独立专网模式[8]，运营商5G公专网网络架构示意图如图1所示。

图1 运营商5G公专网网络架构示意图Fig.1 Schematic diagram of operators 5G private network architecture

（1）5G虚拟专网模式：接入网侧公网用户与专网用户共用运营商频段和基站设备，采用硬切片和服务质量(QoS)方式保证专网用户数据传输资源；核心网侧公网用户与专网用户共用控制面网元和用户面网元设备。

（2）5G混合专网模式：接入网侧公网用户与专网用户共用运营商频段和基站设备，采用硬切片和QoS方式保证专网用户数据传输资源；核心网侧公网用户与专网用户共用控制面网元设备，但为专网用户独立设置了专用用户面功能(UPF)网元，并下沉设置在专网园区内，以保证专网数据不出场的要求。

（3）5G独立专网模式：与前2种模式不同，独立专网模式为专网用户单独设置接入网基站设备和核心网设备，专网频率租用公网的部分频段，做到真正专网与公网的物理分离。

5G公专网3种模式对比分析如表4所示。

表4 5G公专网3种模式对比分析Tab.4 Comparative analysis of three modes of 5G private network

针对轨道交通行业较高的数据安全性和实时性的特点，“数据不出场”和数据安全是最基本的需求，因而虚拟专网模式并不适合。另一方面，独立专网模式需专网用户租用运营商的公网频段，进而直接减少公网用户的可用频段资源。对于轨道交通行业场景来说，专网用户与公网用户共存在同一物理区域，独立专网模式虽然能够获得更好的专网性能和网络效果，但会降低5G 整体网络的灵活性和使用效率，较难获得运营商的支持。因此，采用5G 混合专网模式更符合轨道交通领域的应用场景[10]。

3 深圳城际铁路5G公专网方案建议

3.1 深圳城际铁路5G公专网优化方案

根据上述分析，混合专网模式的5G 公专网可能会受公网故障的影响。为提升深圳城际铁路业务的可靠性，防止因外网光纤线路或公网核心网故障等突发问题影响专网业务，建议在深圳城际铁路调度指挥中心增设下沉的轻量级接入与移动性管理功能(AMF)、会话管理功能(SMF)和统一数据管理(UDM)网元，以保证专网信令的稳定连接。

另外，随着智慧型业务的蓬勃发展，中心云和边缘计算协同技术的大量推广，在保证“数据不出场”的基础上，业务数据前端落地、快速运算也为智慧业务的开展提供更多可能。因此，建议将专网UPF网元进一步下沉至城际铁路前端机房(可根据业务的需求选择下沉至基站或区域)，并配套相应的多接入边缘计算(MEC)节点[11]。深圳城际铁路5G公专网架构示意图如图2所示。

图2 深圳城际铁路5G公专网架构示意图Fig.2 Schematic diagram of 5G private network architecture of Shenzhen intercity railway

3.2 基于5G公专网的智慧应用探讨

上述5G 公专网优化网络方案加强了网络可靠性，依托5G 技术的高传输速率和靠前布放的边缘计算节点，可为深圳城际铁路提供更多的智慧应用，包括实时数据分析和设备控制、区域化的数据存储和数据优化上传至中心云、分发本地数据和快速提升响应等。以下为基于5G 公专网优化网络的智慧应用方案和相应的数据交互流程图。

（1）车载视频上传与分析。随着安全与反恐要求的提升，高速行驶的列车上车载视频的实时上传与分析成为亟待解决的问题，5G 技术对高移动性的支持和高带宽传输的能力，为车站视频的实时上传提供了条件[12]。同时，边缘计算节点能够快速对视频数据进行分析、优化和存储。车载视频上传与分析的数据交互流程如图3所示。

图3 车载视频上传与分析的数据交互流程Fig.3 Data interaction flow chart of on-board video upload and analysis

（2）虚拟现实/增强现实(VR/AR)辅助维修。随着各专业系统新技术的应用及维修工作准确性和快速性要求的提升，利用VR/AR 眼镜/终端辅助维修或许是新的发展方向。VR/AR技术通常需要运用空间定位、方向追踪、图像渲染等多种需要进行复杂计算的技术，对系统算力要求较强[13]。另外，可结合工程建筑信息模型(BIM)技术和技术数据手册等资料，将维修对象的内部结构和指导手册立体化地呈现在VR/AR 终端上，5G 技术的高带宽和边缘计算能力可以满足此类业务的需求。VR/AR 辅助维修的数据交互流程如图4所示。

图4 VR/AR辅助维修的数据交互流程Fig.4 Data interaction flow chart of VR/AR auxiliary maintenance

（3）智能客服融合通信。随着各类面向乘客应用系统的数字化与智能化，利用统一的服务终端为客运工作人员提供便利的现场操控平台能够有效地提升服务质量，提高运营效率，响应突发情况。融合通信可根据车站客运工作场景，结合视频监控、PIS、广播、乘客求助电话、视频会议以及调度电话等业务系统的系统部署情况，在边缘计算节点和中心云上部署相应服务，以实现相关客运服务的调用和数据交互[14-15]。5G技术的高带宽和边缘计算能力可以满足此类应用的需求。智能客服融合通信的数据交互流程如图5所示。

图5 智能客服融合通信的数据交互流程Fig.5 Data interaction flow of intelligent customer service and integrated communication

3.3 进一步研究的问题

与传统公网只为乘客服务不同，上述5G公专网方案作为无线专网的补充，为深圳城际铁路运营大带宽业务和智慧业务提供通道保障。为保证网络的可靠性，对于公网覆盖提出了更高的要求，特别是轨行区的基站密度和天馈覆盖方式需要进一步的研究。一方面，在工程实践过程中如何保证上行链路的带宽，增强不同运营商频率条件下覆盖的完整性，优化无线网络的上下行时隙配比等问题也有待深入研究。另一方面，需要研究开发支持多模功能的车载终端等终端设备，以提升列车等移动终端运行至不同电信运营商网络服务区段的能力。

4 结束语

从安全性和可维护性的角度来说，申请专网频率建设5G专网的方式最符合城际铁路应用的需求。但由于深圳城际铁路沿线较长，运行环境涉及地下和地上区域，结合我国当前的产业现状和频率政策，为都市圈城际铁路申请专用5G 频段的困难较大。5G公专网优化方案借用了运营商的频率资源，在充分利用5G技术高带宽、低时延、多接入能力的基础上，结合云边协同的技术特点，进一步提升网络的稳定性和智慧性，既可以满足大带宽传输、高速移动和互联互通的业务需求，也为后续进一步开发智能化、数字化的应用提供了可能。