5G 网络切片技术 160 千米速度级信号系统业务传输能力研究

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第6期

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阮小飞1, 2，廖志斌1, 2，付嵩1, 2，魏国栋3

城市轨道交通作为高效、安全、环保的公共交通工具，在国家交通体系中占据越来越重要的地位。城市轨道交通一般使用无线通信技术承载列车与地面设备间的通信，实现列车自动运行。目前，城市轨道交通车地无线通信网络，技术上主要使用了WLAN技术和LTE-M技术，目前新建线路均以LTE-M技术为主。WLAN技术频率上为2.4GHz和5.8GHz这两个公共频段，易受乘客及公共空间的信号的干扰。LTE-M使用的1.8GHz频段是工信部批准给交通、电力和石油等行业建立专用通信网和公众通信网设立的，使用时需要当地无线电管理机构规划和批准，干扰小但频率资源紧张，传输能力受限。城市轨道交通信号系统的通信需求主要包括车地间列车控制信息的双向实时传输，列车调度信息，车厢及轨旁视频监控回传，乘客信息系统(passengerinformationsystem，PIS)的实时视频、信息和灾害应急发布等内容。新需求包括高速大容量应用、远程运营维护、大规模设备监控、设备在线监测等。目前城市轨道交通信号系统的无线通信系统繁多，一方面新增无线通信系统费用高昂，网络系统运营维护专业程度过高，维护人员培训困难，运营单位呼吁通信系统精简合并，但另一方面，专用通信系统带宽受限，难以拓展大带宽业务应用。近年来，以5G技术为代表的软件功能虚拟化[1]、网络切片[2]和边缘计算技术[3]的发展，实现了在一套硬件上通过软件配置，实现多个专用网络的技术，通过专用切片或业务优先级，能够达到专网通信的效果。此外，5G网络使用运营商频段，不需要申请专用频率，规避了开放频率面临的干扰和专用频率面临的带宽短缺的问题。在建设费用上，能够节省大量地面设备的投入，极大降低了成本。因此，使用5G网络承载城市轨道交通的车地传输业务具有巨大的发展潜力。许多专家学者结合城市轨道交通对运营商5G公网进行了深入研究。李士东等[4]在频率使用和组网方案两方面提出了5G技术在城市轨道交通中的应用参考；刘为俊[5]研究了城市轨道交通中5G网络的覆盖方案，对隧道区域、地面区域和室内区域不同场景下的无线覆盖方式进行了分析；蒋海林等[6]分析了5G通信系统的关键技术及在城市轨道交通车地通信环境中的适用性，认为LTE-M加5G的方案是未来城市轨道交通车地通信建设的可行方案；王琰[7]从地铁新线和既有线改造两方面，提出5G公网建设的整体思路，并列举了郑州地铁、京港地铁、杭州地铁在部分线路通过5G网络为乘客提供网络服务的实际案例；陈琦[8]使用5G技术监测城市轨道交通车地设备状态，取得了良好效果。5G技术虽然在城市轨道交通应用上已经取得多项研究成果，具有丰富的技术积累和应用案例，但是仍未有承载城市轨道交通信号系统业务的案例。本文提出应用5G网络承载城市轨道交通信号系统业务的方案，并进行了传输性能测试，验证了方案的可行性。

1信号系统业务需求

城市轨道交通车地综合通信系统业务主要包括列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监督业务、IMS视频监控业务和PIS视频业务，其中信号系统业务主要为列车运行控制业务。在LTE-M系统的需求规范[9]中，对城市轨道交通列车在自动运行等级3(gradeofautomation3，GoA3)或GoA4运营场景下，规定了车地主要业务的需求，其中列车运行控制业务的传输优先级和时延要求最高，如表1所示。

在城市轨道交通运行场景下，LTE-M系统的站间距可达到1.2km，LTE-M规范[9]要求一个小区内支持最多6列车的通信，综合承载多种业务时，单个小区需要传输的最小上下行业务量约为15Mbit/s。LTE-M采用1.8GHz专用频段(1785～1805MHz)共20MHz。表2是LTE-M系统在不同带宽、不同时隙配比、支持MIMO等条件下单小区上下行理论峰值速率，该数据是在无线条件良好、无相邻小区干扰的情况下计算得出的[10]。

对照表2，在采用双漏缆覆盖、时隙配比为0(1DL︰3UL)、5MHz频率组网等条件下，单小区的理论峰值速率为下行12.75Mbit/s、上行8.12Mbit/s。实际无线环境下LTE系统传输速率难以达到理论值。因此现有频率条件下，无法实现双网综合承载需求，实践中往往采用10MHz+3MHz划分双网实现车地无线系统，其中10MHz用于综合承载，3MHz仅承载信号系统业务。除以上业务外，无线通信系统后续还将承载车车通信场景，智能化运营场景，故障疏散等新增运营场景的车地无线通信业务。现有LTE-M通信系统已经难以满足后续业务的增长需求。5G技术的大带宽能够满足不同行业的终端接入，其切片技术使得专业用户能够通过共享基础设施实现专用通信，通过配置保障策略，具备传输实时性要求高的城市轨道交通信号系统业务的潜力。信号系统业务的关键传输需求整理为：①单向传输时延不超过150ms的概率不小于98%，不超过2s的概率不小于99.92%；②单向丢包率不超过1%，通信中断时间不超过2s的概率不小于99.99%；③列车上行和下行传输速率不小于512kbit/s；④切换成功率不小于99.92%。

2系统方案

2.1网络方案

城市轨道交通信号系统的车地通信网络分为有线传输系统和无线传输系统。在5G网络承载车地业务传输方案中，有线传输系统包括接入5G网络的多接入边缘计算(multi-accessedgecomputing，MEC)云平台和信号系统有线专用冗余网络，无线传输系统包含车载的无线接入单元和5G无线通信系统。5G网络系统结构如图1所示，列车接入单元(trainaccessunit，TAU)部署于列车两端接入5G无线网络；无线传输系统由5G网络构成；MEC云平台分别接入5G网络、信号系统的有线专网A和专网B；MEC云平台经过防火墙与信号专业有线专网连接，防火墙配置隔离策略阻断非信号系统业务的接入；地面信号系统有线专网由双网冗余的骨干网组成，信号区域控制器(zonecontroller，ZC)设备，联锁设备，列车自动监控(automatictrainsupervision，ATS)设备均接入有线专网。5G网络与信号系统专网之间使用MEC云平台进行接口，并配置防火墙实现业务隔离和访问控制。MEC云平台作为业务网关根据综合通信类别将数据传输到不同地面网络中，信号系统业务则传输至结构图中的信号系统有线专用冗余网络中。

2.2切片方案

网络切片是3GPP在5G中的关键特性之一，相比服务质量(qualityofservice，QoS)，网络切片最大的特点是端到端的隔离。传统QoS虽然实现了一定程度的隔离，但只是核心网内部的隔离，属于“小隔离”。而网络切片横向贯穿了接入网、承载网和核心网，从整个网络上进行隔离，是“大隔离”。当无线接入单元或地面业务网关距离核心网物理距离较远或经过网络节点个数较多时，将产生较大时延。利用MEC下沉方式部署切片网络，可实现用户面数据处理服务部署到目标城市轨道交通线路控制中心，缩短了通信距离，减少了网络节点，从而降低用户的传输时延；此外，切片终端接入基站后，由切片终端归属的数据网络标识(datanetworkname，DNN)，与MEC的用户面功能(userplanefunction，UPF)之间通过5GDNN进行分流[11]，将业务数据留在本地，数据信息不会经过互联网，进一步提高了数据安全性。因此，使用MEC和网络切片技术实现虚拟专网具备满足城市轨道交通车地业务需求的潜力。轨道交通的切片方案如图2所示，专用切片使用DNN技术在专用终端和MEC间建立连接，通过VPN通道与城市轨道交通系统进行网络连接。其中MEC包括多接入边缘节点协同平台(multi-accessedge-compuptingplatform，MEP)和UPF。

UPF作为基站和数据网络之间的互连点，根据5GDNN完成用户平面的GRPS隧道协议(GPRStunnelingprotocol-userplane，GTP-U)协议的封装和解封装。MEP通过本地接入数据网络(localareadatanetwork，LADN)实现流量调度与本地分流，避免回传至核心网，降低时延，并进行QoS保障。列车运行过程中将不断切换小区，信令面的切换控制信令需回传至5G核心网络(5GCore，5GC)的接入和移动性管理功能(accessandmobilitymanagementfunction，AMF)实体，但用户面的车地传输业务仍然通过相同的UPF与本地数据网络间互联。5G无线空口资源可从时隙和频域两个方面划分为不同的资源块，其中频域方向划分的资源单元为12个连续子载波组成的物理资源块(physicalresourceblock，PRB)，PRB预留方案是为特定业务组分配固定PRB，用于承载组内各切片的所有业务。不同切片的数据承载(dataradiobearer，DRB)映射到不同PRB的方案，可实现数据在物理上的安全隔离，获得高可靠性业务传输能力。相对于共享PRB资源的QoS切片，PRB预留切片能够实现无线频谱资源的硬隔离。信号系统业务是地铁最新高优先级业务，关系到行车安全，对网络安全隔离、可靠性要求非常高，因此，使用切片时，必须预留一定比例的PRB资源，保障城市轨道交通分区切片专网的带宽资源。此外，城市轨道交通本身存在各种业务，在预留的PRB基础上还需要增加QoS保障，将不同业务通过不同5G服务质量标识(5GQoSidentifier，5QI)进行管理，优先保障安全业务。此外，5G技术应用场景中的超高可靠、低时延类通信(ultra-reliablelow-latencycommunications，uRLLC)的资源类型为Delay-criticalGBR类型，5QI为82～90，其最大传输速率的5QI为90，传输速率为6.3kbit/s[12]，无法满足表1中城市轨道交通车地业务的速率需求。因此，按照城市轨道交通业务传输需求，参考LTE网络的QoS分类标识(QoSclassidentifier，QCI)规划，5QI的规划如表3所示。

3现场测试

在广州地铁18号线番禺广场站至冼村站区间建设5G实验网，开展承载信号系统车地无线通信业务的现场实验，测试列车通过5G网络接入真实的信号系统地面网络并按照实际运营场景进行实验。广州地铁18号线为已开通线路，最高运行时速为160km/h，全线均在地下，沿线使用天线进行5G网络覆盖。为满足城市轨道交通信号系统业务高可靠、低时延的传输需求，5G实验网采用了结合PRB预留和QoS优先级的切片技术。

3.1网络接入

测试使用的5G网络采用中国移动n79频段资源(4.8～4.9GHz)作为工作频段，频宽100MHz，实验网无线信号覆盖冼村站至番禺广场站区间(共26.7km)及陇枕停车场出入段线的右线区域。UPF和MEC设备部署在广州地铁18号线番禺广场站；BBU设备部署在番禺广场站、南村万博站、石榴岗站、琶洲西区站和冼村站设备室；在番禺广场站到广州东站区间单侧隧道外侧约每400m部署RRU，每个RRU在左右两个方向连接贴壁天线，天线紧贴隧道壁安装，与车载终端天线的位置高度基本一致，保证收发天线端到端无遮挡。5G实验网络的结构如图3所示，UDM为统一数据管理，NRF为网络存储库功能，NSSF为网络切片选择功能，SMF为会话管理功能，AMF为接入和移动管理功能，PCF为控制策略功能，这些均为5G核心网功能模块。列车的5GTAU通过专用DNN发起会话建立请求，由SMF根据5GTAU提供的专用DNN以及所在的跟踪区域(trackingarea，TA)选择UPF，完成边缘协议数据单元(protocoldataunit，PDU)会话的建立，接入与边缘UPF对接的MEC平台。MEC使用网络功能虚拟化基础设施(networkfunctionsvirtualizationinfrastructure，NFVI)将硬件资源虚拟化，实现MEC所需要的UPF和MEP功能；MEP的主要功能为路由和QoS保障，其中应用功能(applicationfunction，AF)组件实现路由及策略控制功能；连接服务(connectivityservice，COS)组件实现数据的本地卸载，确保AF的流量被正确路由到边缘，避免回传至核心网；移动边缘服务(mobileedgeservice，MEService)是MEP平台的基础服务集合。MEC与城市轨道交通信号网之间通过防火墙建立虚拟专用网络(VirtualPrivateNetwork，VPN)，保障数据的安全。

测试通过信号系统专网和5G实验网互通实现列车与地面设备间的通信，并且仅有测试列车通过5G实验网与地面设备通信。测试系统网络规划如图4所示。测试列车在司机室新增信号接口设备、5GTAU和天线，由信号接口设备与既有车载设备进行连接。地面信号系统专用网络通过网关交换机与5G实验网的防火墙进行连接，并对测试车辆指定路由。通过该规划，仅有测试列车会通过5G网络与地面设备连接，其他列车仍然经由LTE的专网与地面信号网络连接，将实验风险降到最低。

3.2测试结果

测试列车按照最高运营时速160km/h以自动驾驶(automatictrainoperation，ATO)模式运行，运行过程中同时传输信号系统业务和其他车地综合通信业务。测试时，对番禺广场至南村万博区间31和33小区、磨碟沙站至冼村站区间47小区进行速率限制，分别对PRB预留和QoS进行了组合测试。

3.2.1普通切片方式

5G网络信号系统业务的切片配置为无RPB预留，信号系统业务和其他车地综合通信业务的5QI均为6。列车通过既有LTE-M专网传输信号系统数据，以ATO模式运行，仅对5G网络进行信号系统业务模拟测试。普通切片方式单程时延测试结果如图5所示，信号系统业务平均时延48.8ms，最高时延2088ms，最低时延7ms，高于150ms时延的数据包980包，高于2s时延的数据包3包；其中在31，33小区中，平均时延384ms，47小区前段平均时延232ms；发送数据12337包，丢失数据包191包，丢包率为1.55%；通信中断时间超过2s的位置为1处。

3.2.2PRB预留切片方式

5G网络信号系统业务的切片配置为网络包括5%的RPB预留，信号系统业务和其他车地综合通信业务的5QI均为6。列车通过既有LTE-M专网传输信号系统数据，以ATO模式运行，仅对5G网络进行信号系统业务模拟测试。PRB预留方式单程时延测试结果如图6所示，信号系统业务平均时延13.35ms，最高时延390ms，最低时延7ms，高于150ms时延的数据包16包，高于2s时延的数据包0包；发送数据11966包，丢失数据包9包，丢包率为0.08%。

3.2.3PRB预留+QoS切片方式

5G网络信号系统业务的切片配置为网络包括5%的RPB预留，信号系统业务5QI为1，其他车地综合通信业务5QI为6。列车使用5G切片网络承载信号系统业务，以ATO模式运行。PRB预留+QoS方式单程时延测试结果如图7所示，平均时延8.13ms，最高时延163ms，最低时延小于1ms，高于150ms时延的数据包1包，高于2s时延的数据包0包；发送数据15717包，丢失数据包0包，丢包率为0%。信号系统业务在5G网络拥塞场景下，配置普通切片、PRB预留切片和PRB预留+QoS切片这3种方式的无线性能测试结果统计如表4所示，在网络拥塞时普通切片有两项指标未能满足信号系统的通信需求，分别是时延小于150ms的概率和单程丢包率；采用PRB预留方式后，在网络拥塞时相比普通切片，平均时延降低了35.45ms，降幅达到72.64%，小于150ms的概率提升了7.94%，达到99.87%，丢包率从1.55%降低为0.08%，极大提升了传输性能，满足了信号系统业务的传输性能需求；当采用QoS策略提高信号系统业务优先级后，与PRB预留方式相比，信号系统业务的传输性能得到明显提升，其中平均时延下降了5ms，提升了39%，低于150ms的数据包提高了0.12%，达到99.99%，丢包率从0.08%降低为0。

4结论

城市轨道交通发展迅速，车地无线综合类业务不断增长，为探索5G网络承载车地综合通信业务的场景下信号系统业务的传输问题，本文在实际线路上使用5G实验网搭建切片网络进行测试，得出如下结论：1)5G网络使用普通切片网络承载信号系统业务时，在速率限制的信道拥塞场景下小于150ms时延的概率为91.93%，未达到信号系统业务要求的大于98%的标准；丢包率为1.55%，未达到信号系统业务要求的不超过1%的标准。因此，无法满足城市轨道交通信号系统的传输需求。2)与普通切片网络相比，5G网络使用PRB预留切片网络承载信号系统业务，在相同速率限制的信道拥塞场景下，小于150ms时延的概率达到99.97%，丢包率降低为0.08%，均优于信号系统业务需求，能够满足城市轨道交通信号系统的传输需求；3)与PRB预留切片网络相比，5G网络使用PRB预留+QoS切片网络承载信号系统业务，时延及丢包率进一步下降，小于150ms时延的概率提高到99.99%，丢包率降低为0，进一步提升了信号系统业务的承载能力。