摘要：本文基于5G網絡切片技術提出一種地鐵車地無線通信綜合業務承載方案，利用5G網絡切片技術為不同的業務差異化分配虛擬資源，以滿足多種業務的差異化需求，且5G的大帶寬也能為綜合業務承載提供了有力的保障。

　　關鍵詞：綜合業務承載;車地無線通信;5G;網絡切片;大帶寬

　　1引言

　　隨著地鐵服務的多樣化，運營管理需求的不斷增加，對車地無線通信的穩定性、安全性、傳輸帶寬等方面提出了更高要求，現有的地鐵車地無線通信系統對此存在差距。地鐵需要應用最新無線通信技術，實現高速、實時、穩定的車地無線傳輸，同時綜合承載各種業務[1-2]，保證涉及地鐵運營的信號CBTC系統、數字集群通信、IMS(車廂視頻監控)、PIS等信息能實時、穩定傳輸，保障地鐵安全運行。目前，地鐵車地無線傳輸系統主要有陸地集群通信技術(TETRA)、無線局域網(WLAN)、4GLTE、EUHT等制式。

　　這幾種制式除EUHT和WLAN外，或多或少都存在綜合業務承載傳輸帶寬不足的問題。同時，現有技術在保證各業務傳輸可靠性即QoS方面也存在不足，具體問題如下：1)由于WLAN與很多民用設備一樣工作在公共開放頻段，民用設備可能會對地鐵的車地無線通信造成干擾，致使各業務的QoS無法保障。2)對于不同QoS的多種業務，WLAN采用競爭搶占機制調度資源，無法按照優先級調度資源，造成資源浪費，EUHT技術也存在相同問題。3)LTE的QoS機制在優先級、資源調度方面都優于WLAN，但是LTE在傳輸多種業務時，隔離度不高，雖然現有系統采用以業務類型和(源/目的)IP的多級QoS策略傳輸業務，但不同業務的GBR類型不同，且GBR相同時也存在優先級的區別，對資源的競爭仍很激烈，對各業務的QoS仍有影響。

　　鑒于此，為了改變現有車地無線通信系統穩定性不高、系統多、帶寬有限的現狀。結合5G網絡的大帶寬、低時延、高可靠性的特點，本文提出將5G網絡切片技術應用于地鐵車地無線通信系統的綜合業務承載中，從而提高車地無線通信系統的安全性、穩定性及實時性，保障地鐵安全、穩定的運行，同時降低工程投資。

　　2地鐵車地無線通信系統需求

　　2.1數字集群通信系統在已建成的地鐵線路中，專用無線通信系統大多采用TETRA組網，工作頻段在800～900Mhz，因為TETRA數據的帶寬有限，所以需求的展開基本上都是基于語音調度。

　　2.2信號CBTC系統信號車地無線通信系統應采用AB雙網冗余備份，且兩張網分別采用不同的頻段，實現雙頻段冗余覆蓋，以防單網故障影響信號系統車地信息交換，給軌旁及車載的信號設備提供實時、穩定的車地無線服務[3-4]。網絡應具有信息安全策略，即網絡應具多方式和多層次訪問控制機制。

　　2.3PIS及IMS車輛視頻監控無線業務需求根據現階段地鐵列車監控攝像頭的設置要求，單列6節編組的列車需要布置14個高清監控攝像頭，每路高清監控視頻大約需要8Mbps的流量帶寬，整列車 的視頻監控實時上傳至少需要112Mbps左右的車地上傳帶寬[5-6]。

　　35G網絡切片及相關技術

　　可知5G網絡具有帶寬高、時延低、可靠性高、安全性強等特點，利用5G網絡切片技術可以將多種車地無線通信業務放在一個物理網絡之中融合考慮，并且提供給不同類型業務以不同等級、可定義的服務。網絡切片技術基于網絡即服務的理念，其本質是將網絡中的轉發、處理、計算、存儲功能看作是一種可靈活分配的資源，而不是固定的物理屬性。5G網絡切片技術提供了端到端、多種靈活手段、“邏輯+物理”的多種QoS保障能力，保證了地鐵無線車地通信多種業務的傳輸需求，下面介紹網絡切片的基本技術。

　　3.1軟件定義網絡SDN技術由于傳統通信網絡的控制平面與數據轉發平面緊耦合的缺點，網絡一旦被部署，基站、交換機以及路由器的網絡功能就被固化在其中，無法滿足5G對于多樣化的業務需求。SDN將控制平面與數據平面分離，解決了新業務部署難題，極大提高了網絡的靈活性和擴展性，SDN的控制器也可實現對整個網絡的集中式邏輯控制。

　　3.2網絡功能虛擬化NFV技術NFV技術是將具體的網絡功能與昂貴的專用硬件平臺解耦，將網絡功能使用軟件模塊實現，并進行封裝、運行于虛擬機之中，再使用基于行業標準的商用服務器平臺對這些虛擬機進行承載，最終在網絡中實現軟件進行服務數據處理，硬件進行底層數據傳輸。

　　3.35G網絡的CU/DU架構為在5G網絡中部署虛擬功能模塊實現網絡切片，通過對現有基帶處理單元BBU進行拆分，使其分為聚合單元CU和分布式單元DU兩個功能實體。CU負責處理實時性要求不太高的業務，DU則負責物理層和實時性要求高的底層功能，實現了網絡的集中式控制和分布式處理。將NFV技術應用在5G切片網絡中，在硬件資 源池上，CU/DU架構能夠集中實現高層的虛擬功能，有利于降低能耗節省開支。另外，配合SDN控制器，可以實現不同功能組件之間的靈活調度、統一控制，最終形成5G網絡切片以滿足多業務需求。

　　3.4切片內Vxlan通信機制5G切片之間需要實現邏輯隔離，以滿足對網絡安全性的要求。目前，主流的網絡隔離技術是虛擬局域網VLAN技術，但該技術無法滿足多業務切片的區分隔離需求。因此，研究人員提出使用虛擬化可擴展局域網Vxlan來代替現有的VLAN技術。

　　4基于5G網絡切片的系統架構設計

　　4.1頻段選擇

　　基于5G通信技術的車地無線系統需要申請專用的頻點，以免被其他民用無線網絡干擾。為降低工程成本，減少區間覆蓋密度，有如下低頻段可用：1427～525MHz、3300～3400MHz、4400～4500MHz和4800～4990MHz這4個主要頻段。由于1427～1525MHz頻段，目前已被大量使用，故建議基于5G網絡切片的地鐵車地無線系統使用3300～3400MHz和4400～4500MHz2個頻段。

　　4.2網絡架構設計

　　在該網絡結構拓撲中，在車站站廳、站臺、設備區和出入口采用室內AAU覆蓋，車輛段和隧道區間采用室外AAU覆蓋，在車站設置CU/DU，并通過傳輸提供的光纖鏈路，與設置在中心的核心網相連。中心的核心網設備通過接口服務器，與相關應用系統連接，完成各應用系統在該網上的運行。該網絡結構采用AB雙網方案，完全滿足信號CBTC車地傳輸的需求，同時，結合5G網絡切片技術，兩張網承載業務時，根據業務需求，采取分攤負載方式，對AB雙網的核心網、承載網、接入網進行切片，并針對切片承載業務分配不同等級和類別的計算資源、存儲資源和網絡資源，以滿足不同業務對網絡的傳輸要求。其中，A網承載信號CBTC業務切片、數字集群系統業務切片和PIS業務切片，B網承載信號CBTC業務切片和IMS業務切片。

　　通過將底層物理基站和無線頻譜資源切片化，可以創建4個不同業務(信號CBTC、數字集群系統、PIS、IMS等)的虛擬基站。整個車地通信綜合承載系統的資源管理功能由4個虛擬切片網絡控制器和一個系統管理程序(Hypervisor)實現。虛擬切片網絡控制器主要用于調度和確定用戶QoS需求以及報告用戶QoS需求給Hypervisor程序。Hypervisor管理程序的功能是建立底層物理資源和虛擬切片網絡之間的邏輯關系。它不僅要負責物理基站的切片化，還要根據不同的QoS需求和切片網絡傳輸的反饋信息負責虛擬資源的分配到不同的切片網絡。

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　　5總結

　　本文針對目前地鐵車地無線通信中業務系統獨立部署存在的不足研究提出利用5G大帶寬、低時延和切片化等優勢，可以實現通過一張無線網絡融合信號CBTC、數字集群系統、PIS、IMS等多種業務系統，同時保證各系統服務質量，為未來實現地鐵列車全自動駕駛和車車通信創造了更多可能。

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　　作者：王培東