苏 亮，张玮君

（1.中国移动通信集团广西有限公司，广西 南宁 530023；2.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

1 需求分析

车地无线通信系统主要针对列车的控制系统、运行状态、集群调度、视频监控、列车运维等多个方面进行信息数据传输[1]，从而实现与列车信号、列车调度、列车维修等多个主体之间安全、稳定、可靠的信息数据传输，最终达到地铁站内各个列车稳定运行的目标（如表1所示）。通常情况下，该系统会依靠多项信息技术手段来实现不同的业务需求，如采用TETRA技术实现列车集群调度，采用CBTC技术完成交通通信信号业务，采用IPSAN技术实现视频监控等业务。当前随着城市轨道交通的不断发展，无论是地铁线路还是客流量都在逐渐增多，加之智慧城市轨道的发展，此前业务需求已无法满足当前的车地无线通信需求。另外，随着我国铁路运营里程数的逐年增长，对列车的安全状态监测、故障预警分析以及故障诊断功能等多个方面的重要性也随之增加。因此，保障地铁列车能够安全运行就需要实现低时延、低丢包率、可靠性高、安全性强以及移动性强等特征的车的数据无线传输[2]。

表1 车地无线通信系统业务需求

2 应用原则及内容

2.1 应用原则

（1）按照智能化城市轨道规划建设目标开展。

（2）确保项目方案合理、经济、安全，便于后期项目顺利运行。

（3）整个车地无线通信系统应满足各个运营单位的要求，便于后期的运行、维修与管理。

（4）采用5G技术、5G工艺以及先进材料设备，充分展现出先进的地铁规划理念。

2.2 应用内容

基于5G技术的城市轨道交通信息传输系统的硬件设计包括：区域控制器、车载控制系统、数据控制器、数据通信系统等。软件设计包括无线通信程序设计以及通信信号程序设计。

3 系统架构

车地无线通信系统利用各种先进的技术，对地铁不同业务需求中海量信息数据进行处理和分析[3]。本系统根据应用场景及地铁业务需求主要分为三大方面：列车安全、生产管理以及运维管理等。采用车地无线通信系统，可以从根本上降低列车运行安全隐患，有效降低人力劳动成本，以此实现城市轨道交通信息化系统的高效率。该系统组网框架结构主要包括应用层、网络层、接入层、终端层等，如图1所示。

图1 5G车地无线通信组网架构图

（1）应用层：随着NFV和SDN网络技术的不断发展，5G网络背景下的应用层组网实现了自主可控、安全可靠、功能完备，能够在系统的运营中心建立起专门的组网数据模式，通过统一化完成业务数据接入服务，从而提供多元化的数据服务，并以此实现应用层与网络层之间的安全防火墙部署，最终达到网络安全防范的作用。

（2）网络层：该层是本系统的核心业务层，其主要功能包括信息传输以及网络各个节点信息的高速互通，此外，还包括海量信息数据的收集、集成、转换等。由于网络层内部部署了云平台，因此能够进行人机交互的信息化服务，从而能够提供视频监控服务、设备管理服务、数据传输服务等。此外，利用5G技术，当主系统出现故障时，另一备用系统就可以完成对应的业务数据传输，减少因为系统出现问题导致的地铁业务停滞的情况出现，从而达到提升地铁业务数据处理以及传输能力的目标，也能够提升车地无线网络传输的安全性以及可靠性。

（3）接入层：这一层的主要工作是储存、分析以及处理网络层采集到的数据和信息，接入层是以5G基站以及传输网络为基础的，通过CRAN集中部署的方式，将基站拆解成为CU和DU两个单元。这种模式之下，能够对成本实现有效的管理，也能够最大限度的减少机房资源的消耗。从功能上来看，这一层的主要作用，是应用智能化5G基站平台接收和管理海量的信息与数据，然后通过基站中的有源天线，将5G基站信号变成模拟信号，再进行下一个环节的传输。

4 关键技术及测试

4.1 EVPN技术

基于5G技术的城市轨道交通综合信息网络领域在设置IP地址时会使用到EVPN技术，该技术在信息网络数据传输过程中具有很强的稳定性，安全性也很强。EVPN技术是一种基于二层网络互连的VPN技术[4]，与传统网络系统相比，EVPN技术可以修改两个节点之间的原始连接，而不像传统网络系统只能依靠物理元素进行连接。这一技术能够在任何的两个节点之间存在原始连接的基础上，修改连接的约束条件，同时，在网络上，建立一个私人的网络信息平台。一旦这种专用网络形成，就可以通过使用逻辑隧道的方式，满足数据传输点对点传输的需求，也可以整合更多复杂且多养的信息加密和认证技术，以此确保概念股供网络信息及数据的安全。由于其功能上的优势，EVPN技术也减少了外部影响网络系统的风险，使网络始终保持良好的工作状态，这使得城市轨道交通能够为乘客提供更好的网络服务，提高网络应用的效率。

4.2 网络切片技术

利用5G技术的UP和CP网络二者能够实现独立运行，而两个网元之间的模块化结构可以实现灵活部署。其中的5G技术优化了本地路由，并将UPF网元在数据网络位置进行下沉，从而有效减少网络节点的数量，最终确保低延迟和高效率的传输。此外，5G技术还能够优化空口帧结构，进一步减少列车调度的成本，有效减少空口传输延迟，进而实现网络切片技术优化的空口优化。

4.3 MPLS技术

MPLS是新一代的IP高速骨干网络交换标准，它主要是利用标记进行数据转发的。当分组进入到网络以后，就要为其分配固定长度的短标记，并将这些标记和分组封装在一起，而转发的过程，交换节点只会根据标记进行转发。MPLS的设计就是为了解决网路问题，也能够为下一代IP中枢网络解决宽带管理和服务请求等问题。MPLS最初就是为了提高转发速度提出的，与传统的IP路由方式相比，这一技术在数据转发时，只会在网络边缘分析IP报文头，而不需要再每一跳进行分析，最终达到节约处理时间的目标。

4.4 网络测试

（1）测试方案。首先，在后台的控制中心接入1台笔记本电脑用于本次测试，使列车段通过光纤链路与轨道旁的无线基站相连接；其次，通过空口将信息数据传输至车载接收单元；最后，车载接收单元和计算机系统连接在一起以后，再利用MEO网络性能测试软件，对无线通信的实际情况进行测试，并对网络状况进行测试监督。测试内容包括：①业务吞吐率；②网络上传、下载数据的丢包率、数据传输时延等指标。

（2）测试步骤。分别对轨道两旁基站的5G系统终端进行测试，收集其上、下行吞吐量，以此判断这一系统是否具备足够的业务承载能力。首先，需要设置参数，调整带宽为80 Mbps，并使得双终端的隙配比为3∶1。每一次测试都需要保存相应的测试日志以及数据截图，与此同时，还需要详细记录相应的数据峰值以及真实的吞吐量。其次，需要通过网络信息数据的传输延时分析以及丢包率数据的分析，确认轨道交通在5G系统背景之下，能否满足当前业务系统的需求，也能够判断网络信息数据传输延时和丢包率的需求能否满足。

（3）测试结果。在测试过程中，列车以正常的运行速度沿轨道路线移动，使用MEO软件模拟网络信息数据的传输延时。其中的数据包长度设置为1400字节，传输间隔为100 ms。同时还需要对丢包率进行测试，并实时记录二者的测试结果。最终结果显示，该系统的最小延迟为1 ms，最大延迟为3 ms。由于列车在测试期间运行正常，在生成的信息数据中没有检测到丢包现象发生，因此该系统丢包率被评估为零，符合测试结果的最佳范围。

5 应用场景

5.1 生产管理

城市轨道交通车的无线通信系统中的生产管理业务需求极广，包括PIS、IMS在内，其主要目的是能够提供大规模带宽的无线信息数据传输通道。其中，TSP系统是传播信息的重要载体，其主要作用是为乘客提供多元化的地铁服务以及紧急公告信息；TSP系统主受限于列车与地面之间的信息数据路径，尽管二者之间均能够传输信息数据和紧急情况公告，但是却无法实现新闻在线直播、高清视频广告以及其他视频播放等。

5.2 运维管理

第一，网络数据管理。该系统能够实现地铁站内列车运行数据的全过程管理，防止出现数据丢失、泄漏等安全隐患的发生。第二，提前预警。利用5G技术，可以对设备可能存在的故障进行排除，提前排除风险，提前预警，并做出相应的运维策略。

6 结束语

综上所述，随着5G技术的日益发展，将该技术应用于城市轨道交通建设中成为实现城市轨道交通行业高质量发展的重要途径。近年来，随着智能化城轨概念的不断普及，构建5G城市轨道交通智能化系统，推进信息化建设水平的深度发展已成必然之举。构建5G技术背景下城轨车地无线通信系统，能够有效实现对地铁站内的列车运行数据的智能化管理，满足未来地铁应用场景的低时延、高可靠、高安全性的目标，推动该领域的革新与发展。■