基于5G NR的车联网在铁路智慧工地车辆管理的研究与应用

杨 刚

（中国铁建电气化局集团有限公司北京城市轨道工程公司，北京 100043）

1 概述

2020年，中国国家铁路集团有限公司发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，明确加大5G通信网络、大数据、区块链、物联网等新型基础设施建设应用。同时丰富应用场景，以新一代信息技术与铁路建设深度融合为牵引，打造现代化铁路智慧体系。

按照前期国内智能高铁系统体系架构模型，智慧铁路的建设涉及到建设、装备、运营等几个主线开展。

面向智能化建设的方向需求，铁路建设工地的智慧化管理需要满足整体智慧铁路的建设要求。而铁路智慧工地将人工智能、传感技术、虚拟现实等高科技技术植入到建筑、机械、人员穿戴设施、场地进/出关口等各类物体中，并且被普遍互联，形成“物联网”，再与“互联网”整合在一起，实现工程管理体系与工程施工现场的整合。

第五代移动通信技术（5G）具有大带宽、广连接、低时延等优势，不仅可以为现场的人员、环境提供管理手段，还可以通过5G 新空口（NR）车联网技术为铁路工地上各种作业车辆提供智慧管理手段。与此同时，可实现人与物、物与物的泛在互联，是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。

2 5G特性及场景

5G新空口协议需要支持各种参数集、新编码、新调制、多流与大规模天线技术，并通过先进的调度与多连接等方案，基于灵活配置的平台和软件架构，以满足不同场景的业务需求。针对连续广域覆盖场景，需要采用大规模天线技术、公共信道波束扫描、高效编码等技术实现大带宽高性能传输。针对低时延高可靠场景，需要采用自包含、Mini-Slot、上行免调度方式来降低空口传输时延，通过HARQ快速重传和降低资源碰撞等技术方案提供数据传输的可靠性。针对低时延高可靠场景，可通过对用户面的协议栈架构进行精简，以最少的协议子层完成对数据处理的技术手段来降低业务面时延。针对高频段场景，需要支持大带宽、数模混合波束赋形、多波束扫描等技术实现高传输速率。

5G典型场景分为增强移动带宽、超可靠低时延通信、海量化机器类通信3种。

增强移动带宽（eMBB）为现场大量的高清视频监控提供传输通道。借助5G大带宽特性，用户可利用高清摄像机的部署实现视频业务的回传，通过地面全景、车载等多种摄像机监管现场车辆及驾驶人员。

超可靠低时延通信（URLLC）网络特性契合车联网技术网联化及智能化的发展方向，该场景对吞吐量、时延和可靠性等功能有严格要求。可为建设工地提供面向智能无人驾驶、远程驾驶等应用场景。能够为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

海量化机器类通信（mMTC）：该场景为现场提供大量的设备连接能力。可以实现现场传感器设备的信息回传，通过大量数据的采集和分析，为车辆的运行提供辅助决策依据。

根据3GPP对5G相关需求的定义，相关系统指标如表1所示。

表1 5G需求定义Tab.1 5G requirements definition

3 5G相关标准

3.1 eMBB参数集和帧结构

1）5G NR的eMBB场景下空口无线帧长10 ms，分为10个长度1 ms的子帧，采用自包含(Self-contained)的时隙结构，时隙长度0.5 ms，每个时隙内同时包含DL、GP和UL符号。

2）系统带宽100 MHz，子载波间隔30 kHz，采用4 096点FFT变换，有效子载波数目3 264个。OFDM符号长度缩短为LTE的一半，每个slot符号0的CP包含352个采样点，其他符号的CP包含288个采样点。

3）每个PRB频域包含12个RE，长度为360 kHz；时域包含14个符号，长度为0.5 ms（1个slot）。100 MHz全带宽分为272个PRB。

4）根据不同的上/下行业务负载需求，eMBB场景支持两种时隙结构。其中，DL-dominant（D）时隙包含10个DL符号，2个GP和2个UL符号； UL-dominant（U）时隙包含2个DL符号，2个GP和10个UL符号，如图1所示。

图1 eMBB时隙示意Fig.1 eMBB time slot

3.2 URLLC参数集和帧结构

基于ITU对空口用户面时延的定义，以下行方向为例，是从应用层数据包到达基站侧PDCP服务数据单元（SDU）入口开始，经过空口的正确传输，数据包到达终端侧PDCP服务数据单元出口，所经历的单向传输时间。可见，下行单向空口时延包含基站侧发送处理时延、空口数据传输时延、终端侧数据接收处理时延3个环节总耗时。4G的LTE物理层标准定义中，以1 ms子帧为基本处理单元，如发送端信道编码、速率匹配和交织、资源映射过程，接收端信道估计时域插值、解速率匹配和解交织及Turbo译码等过程。这种子帧级的处理时序无法满足URLLC的0.5 ms时延指标要求。目前4G的空口时延指标在理想情况下超过4 ms，因此5G设计新型帧结构，采用短TTI传输，结合快速高效的检测和译码方案等技术手段才能满足空口时延指标。

3.3 5G NR车联网标准演进

从2015年开始，3GPP持续开展有关蜂窝车联网（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）的技术研究和标准化工作，在2018年6月完成了基于LTE的C-V2X第一阶段研究工作（R14、R15），主要面向周期性的基本道路安全类业务等。

伴随着智能汽车行业的快速发展，2017年底，3GPP又完成了基于NR的5G标准第一个版本（R15），5G能够提供更加灵活的无线空口设计，并且支持更加广泛的业务需求。

从2018年开始，3GPP RAN开启C-V2X第二阶段的研究和标准化工作（R16、R17）称之为NR-V2X。2020年6月完成R16标准化工作，通过在直通链路引入高阶调制和空间复用的多天线传输机制，用以支持更高的传输速率，同时在直通链路上引入HARQ反馈机制提升传输可靠性。在2022年完成的R17标准中，主要研究终端节电机制及终端之间资源协调机制，用以持续提升直通链路的可靠性，并降低传输时延。

3GPP NR V2X&sidelink的第一个标准已经在Rel-16中，由Work Item“5G V2X with NR sidelink”完成，其中包括NR sidelink在内的解决方案主要针对V2X，同时在满足服务要求的情况下也可用于公共安全。

Rel-17 NR sidelink在Rel-16 NR V2X的基础上继续进行增强。根据Rel-17 sidelink增强WID，主要为增强可靠性和降低延迟两个方面。

增强可靠性和降低时延方面的研究允许在更广泛的操作场景中支持URLLC类型的Sidelink用例。Sidelink的系统级可靠性和延迟性能受无线信道状态和提供的负载等通信条件影响，而Rel-16 NR V2X在某些条件下（如当信道相对繁忙时）在实现高可靠性和低延迟方面有局限性。为了在这样的通信条件下不断提供需要高可靠性和低延迟的用例，Rel-17将提供增强可靠性和降低延迟的解决方案。

基于5G NR的车联网技术，为了满足更高级的业务需求，引入4类应用：车辆编队行驶、半/全自动驾驶、传感器扩展和远程驾驶。

车辆编队行驶能够支持车辆动态组成车队进行行驶，所有编队行驶的车辆能够从头车获取信息，使得编队行驶的车辆之间间距更小，从而提高交通的效率，并且降低油耗。

半/全自动驾驶包括半自动驾驶和全自动驾驶，可以通过邻近车辆之间共享感知数据，并进行驾驶策略的协调和同步，要求每个车辆给临近的车辆共享自己的驾驶意图。

传感器扩展要求车辆之间、车辆与路侧单元（RSU）之间、车辆与行人、以及车辆与V2X应用服务器之间能够实现车载传感器或者车载动态视频信息的交互，从而获得更全面的当前道路的环境信息。

远程驾驶要求通过远程的驾驶员或者V2X应用服务器对远程车辆进行操控和驾驶，这种应用需要更小的时延和更可靠的通信服务提供支撑。

4 智慧工地车辆管理架构设计

4.1 车辆通信方式

5G车联网技术主要可以实现两种通信方式，即直通通信方式（PC5 接口）和蜂窝通信（Uu 接口）。车联网通信方式如图2所示。

图2 车联网通信架构示意Fig.2 V2N communication architecture

直通通信方式实现车与车之间（Vehicleto-Vehicle，V2V）、车与路之间（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）、车与人之间（Vehicle-to-Pedestrain，V2P）短距离的低时延高可靠通信，支持道路安全类实时应用的近程数据交互，采用基站集中控制或终端间分布式信道接入控制、资源管理和干扰控制方法，在蜂窝覆盖范围内、覆盖范围外时均可工作，即可以独立于蜂窝移动网络工作。

蜂窝通信方式通过基站转发实现车与网络之间（Vehicle-to-Network，V2N） 的长距离、大带宽通信，支持远程信息服务，采用基站集中式控制方法，只能在蜂窝覆盖范围内工作。

C-V2X 通过终端直通通信和蜂窝通信两者间的高效协同，为多样化的车联网应用提供不同通信要求。

4.2 车辆管理架构

传统铁路工地通信系统需要车辆在蜂窝网络覆盖的情况才能正常工作，而对于某些场景下，当车辆运行到偏远无网络覆盖地区时，依赖于蜂窝网络覆盖的方式无法正常工作。而5G车联网系统可以在无蜂窝网络覆盖的情况下，以直通通信方式，应用在无蜂窝网络覆盖的特殊场景下，增加蜂窝网车辆通信的可靠性和冗余度。利用终端和网络的能力实现工地车辆管理、报警管理、指挥调度和司机管理等功能。工地车辆管理架构示意如图3所示。

图3 工地车辆管理架构示意Fig.3 Construction vehicle management architecture

4.3 系统功能

车辆管理功能可实现施工车辆实时车况查看、故障诊断、定位跟踪、实时路况和轨迹回放等功能。

报警管理功能可实现路线偏离告警、危险区域告警、超速告警、驾驶行为告警和车辆故障告警等功能。

智慧调度功能可实现车辆派遣、用车记录、进/出工地记录等功能。

司机管理功能可实现司机档案管理、工地考勤管理、驾驶行为分析和效率分析等功能。

统计报表功能可实现车辆使用时间统计、油耗分析、异常形势统计等功能。

5 车联网在智慧工地应用价值

5.1 保障车辆行驶安全

车辆在施工工地行驶时，需要对周围环境、天气、线路等数据进行采集分析，提升车辆全面感知能力，还需要对其他车辆、临近铁路线的火车等进行提示预警，降低施工车辆在工作过程中发生意外事故的概率。5G NR车联网技术进一步为铁路通信的智能化提供条件，提升车辆的感知能力，辅助提升车辆应对突发情况的能力，降低意外事故发生，保障车辆行驶安全。

5.2 对现场车辆有效管控

对于铁路施工场景，需要用到大量的车辆进行辅助建设，从重型运输车辆到挖掘机、推土机。各种车辆需要协调一致，有效管理，才能在避免现场发生生产事故的同时提高生产效率。各种车辆需要保持与邻近车辆以及路侧设备之间的通信，传输自身的状态信息至控制中心以保证自身的安全运行。5G NR车联网技术可以实现车与车之间直接通信的需求，提升现场各种车辆的通信能力，满足现场工地智慧化管理需求。

5.3 对车辆驾驶员有效管控

车辆在行驶过程中，不仅需要对车辆状况进行有效管控，同时对司机的驾驶行为也需要进行有效管控，包括驾驶员身体健康情况和危险驾驶行为的监控。结合5G NR车联网、视频监控、图像分析等技术实现驾驶员信息的采集，针对异常行为进行报警，加强人员管理，全面提升安全管理能力。

5.4 提升铁路应急抢险能力

当现场出现紧急情况，需要应急指挥车辆和救援车辆抢险救灾时，5G NR车联网首先为作业车辆提供现场感知能力，对现场复杂环境协同感知，避免次生灾害的发生。同时可以利用远程驾驶等手段辅助现场车辆完成特殊危险环境下的作业，在保证作业人员安全的情况下提升抢险能力。

6 结论

5G车联网技术以5G网络为依托，具有支持列车之间的直接通信的能力，且有传输速率高、稳定性高、抗干扰能力强、传输时延低等特点，可以实现铁路施工车辆及驾驶人员的智能管理、提升应急抢险车辆的作业能力。而5G车联网技术的快速发展也会为铁路智能化运行提供更加可靠、安全和高效的实施基础和环境。