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1 引言
轨道交通行业的5G应用逐渐丰富，在5G网络建设上，国内已累计建成5G71.8万个，三大运营商网络建设速度和规模超出预期。5G网络逐步实现轨道交通全面覆盖，网络能力既提升乘客的出行感知，又可以带给轨道交通车地数据业务传输的可能，实现一网多用的经济效益。虽然5G公用网络（以下简称“5G公网”）完成了覆盖，但是针对轨道交通行业的网络覆盖要求和公网还有很大区别，在5G公网的基础上建设好1张专网，需要探索新的建设思路。 2 5G 移动通信技术简介
5G移动通信网络采用全新的服务化架构、全新的频谱资源，结合多天线系统和先进的算法，可满足灵活多样的链接需求。
在无线性能上，5G采用低密度校验码（LDPC）、Polar新型信道编码方案、性能更强的大规模天线技术等。为支持低时延、高可靠，5G采用短帧、快速反馈、多层/多站数据重传等技术。
在网络架构上，5G采用云化核心网，支持灵活部署。基于网络功能虚拟化/软件定义网络（NFV/SDN），实现硬件和软件解耦，控制和转发分离；支持边缘计算，云计算平台下沉到网络边缘，
支持基于应用的网关灵活选择和边缘分流。
在满足5G差异化需求上，5G采用切片技术让运营商能够在一个物理网络之上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，用于满足不同行业客户对网络能力的不同要求（如时延、带宽、连接数等）。目前定义了3种网络切片类型，即增强移动宽带、低时延高可靠、大连接物联网。
截止2019年底，在城市轨道交通建设规模上，中国已经有7座城市跻身全球前10位，运营里程总长度6 730.27 km，城市轨道交通总客流量达227.8亿人次。在建设“量”上已是全球领先，但在轨道智能化方面，还未跟上发展的步伐。受限于网络能力，城市轨道交通大量业务数据无法实现实时上传，只能采用本地存储、人工拷贝的方式来进行数据管理。因此，城市轨道交通有必要协同5G技术实现更进一步的发展。而5G网络在城市轨道交通中的定位，需要朝着解决各业务模块痛点的方向努力。
城市轨道交通 5G 公专网建设思路探讨
何 涛1，党选丽2
（1. 华为技术有限公司咨询与系统集成部，广东东莞 523808；2. 铁科院（北京）工程咨询有限公司，
北京 100081）
摘 要：当前中国的 5G 产业发展迅猛，5G
建设数量全球第一。5G 网络赋能千行百业，实现
对各行业的降本、增效。随着 5G 技术的发展，在
轨道交通行业，将产生大量的 5G 应用。不论是乘
客出行还是车辆运维，只要是移动性、远程化的
业务，都将可能用到 5G 技术。目前 5G 公网主要
针对乘客活动范围内的区域进行覆盖，而未达到
轨道交通全区域覆盖。轨道交通行业的 5G 专网
要求与 5G 公网要求在安全性、可用性、稳定性
等方面都存在很大的差异。如何建设一张适合城
市轨道交通行业需求的、可实现网络商业价值的
5G 网络，是当前运营商和城市轨道交通共同探索
的方向。
关键词：城市轨道交通；5G 公专网；切片；核心网
中图分类号：U231.7
作者简介：何涛（1978—），男，华为技术有限公司全球技术服务部高级专家
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当前城市轨道交通存在几大业务痛点。
（1）无线带宽不足导致视频无法回传。视频的回传诉求主要在车载视频摄像头上。车载视频分为2个部分，第一部分在司机驾驶室，需要安装多个摄像头对司机行为进行监控，确保安全运行。第二部分在车厢内，对车厢情况进行监控，确保乘客的安全。受限于轨道专网频谱，视频只能存储在驾驶室内，到站后下载拷贝。
（2）无线带宽不足导致应急通信难。在应急状况下，车站需要临时部署无线视频摄像头，并且与站外安保人员实现实时通信。以当前地铁的专网带宽以及通信方式，是无法实现多终端的视频回传，信息实时交互存在困难。
（3）现有集通信手段有限，无线带宽不足。地铁采用的是低频集通信系统，目前采用的400 MHz/ 800 MHz集通信，受限于频段能力，同时又要避免对室外的干扰，目前存在的困难是地下喊不到地面，地面喊不到地下，不同线路制式无法互通，不同站台无法互通。
（4）城市轨道交通专网频点被干扰。城市轨道交通列车控制系统承载于1 800 MHz专网频谱上，该专网频谱同时供机场、电力使用。部分频点与其他区域的同频网络会产生重叠或干扰，导致列车断线停车。
除此之外，列车乘客信息系统（PIS）、列车控制和管理系统（TCMS）等，都因无线带宽受限，无法确保数据有效传输。为解决这些问题，城市轨道交通业主和运营商共同研究5G的应用场景，南京市轨道交通率先实现了全国首个5G+MEC的切片网络，武汉市轨道交通也在将部分专网业务迁移到5G网络上。中国城市轨道交通协会对运营商5G网络给轨道交通的切片专网做了定义——轨道交通5G公专网：基于运营商5G公网，通过资源隔离等技术手段，提供专属网络能力，承载轨道交通相关数据业务，覆盖轨道交通全场景，从而实现5G公网专用。当前运营商在城市轨道交通内建设的5G 公网主要
为乘客提供服务，而在城市轨道交通中还存在大量的无人区、机房等。要实现5G的应用，信号覆盖是基础。同时在网络容量设计方面，也需按区别于公网的思路进行规划。首先需要完成业务画像，其次梳理话务模型，再次设计业务匹配的
网络架构。完成网络建设后，
通过部署平台对业务进行可视
模块制作化管理。4 城市轨道交通 5G 应用的业务画像
业务画像如同用户画像一样，是将城市轨道交通具体的5G应用转化成网络语言，根据每种业务应用的特征、链接数、上行速率、下行速率、时延、可靠性、并发率等要求，形成网络类型的数据标签。
以车辆运行状态监测业务为例，该业务是将车载主机、各子系统采集的列车状态、故障等信息实时传送到地面监测中心。该业务实际应用场景为正线、车辆基地/停车场。当前局限于网络能力，车辆运行状态监测数据并未实现实时传输，未来通过5G完成列车运行状态实时监测，业务可用性应满足如下技术要求，也等同于网络指标的要求。
车辆运行状态监测业务传输时延要求不超过100 ms 的概率不小于99%，业务丢包率不超过1%。车辆运行状态监测业务要求每列车传输速率上行不小于10 Mbps，下行不小于1 Mbps。实现业务功能的终
端分别安装在车头、车尾驾驶室内。列车在跑动过程中，终端需要100%在线。
根据要求梳理的车辆运行状态监测业务画像如表1所示。除了车辆状态监测应用外，还有车载PIS、视频监控系统（CCTV）等多种应用，都可以分别实现业务画像。
通过调研，当前城市轨道交通行业的5G应用可以有如下需求，应用清单如表2所示。
为确保每一种应用的实现，业务画像只关注在单个5G扇区覆盖范围内最大并发的终端数，以及在特定时段内的终端并发率。如CCTV视频承载，就是在列车运行过程中启动，通过车载终端接入单元（TAU）将数据回传。但应急通信业务，只有在应急状态中才会使用，平时不需要占用带宽。因此在业务的网络能力设计中，就需要充分考虑到各业务同时在线的范围与时段。
5 城市轨道交通5G应用的话务模型
在完成对城市轨道交通5G应用的业务画像后，需要根据业务发生的时间与地点确定业务的话务模型。区
城市轨道交通 5G 公专网建设思路探讨表1 5G业务画像
业务画像上行带宽需求下行带宽需求时延业务并发率可靠性车辆运行状态监测10 Mbps 1 Mbps100 ms2个终端100%99%
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表2 城市轨道交通的5G应用清单
典型应用场景类型现状降本
车载PIS
车载数据人工拷贝更新减少人工拷贝成本
车载CCTV人工拷贝减少人工拷贝成本行车数据人工拷贝减少人工拷贝成本CBTC列控窄带通讯防止同频干扰导致停车
集通讯
站台应用语音通讯减少人员现场成本
应急通讯语音通讯减少人员沟通成本乘客扫码大型活动拥塞减少票务损失广告管理人工更新减少人员操作成本虚拟票务票务员值班减少人员现场成本工地视频
建设场景
家庭自制黄豆芽机
弯头制作工地状态无法感知减少现场成本工地远程驾驶人工驾驶机械减少安全事故车辆段作业打孔文件夹
车辆维修
人工检测减少人员现场成本轨行区检测人工检测减少人员作业数量别于5G公网业务服务，城市轨道交通5G终端的在线时
长基本要求为100%。部分业务发生在列车内，部分业务
发生在轨道旁，但当列车与轨旁业务同一时间发生在同
一5G覆盖扇区，其业务并发所占用的带宽资源就需要
统一考虑。
在城市轨道交通线路隧道中，运营商已经部署5G
网络，主要面向乘客提供服务。5G采用TDD制式，下
行时隙配比高于上行，当前普遍采用的是7 : 3，8 : 2，时
隙配比已经固化。城市轨道交通所用的业务模型主要
是上行数据，通过计算，在多个终端并发时，轨行区
5G单扇区需要提供给车载与轨旁终端的上行吞吐率在
70 Mbps左右，下行在30 Mbps左右。
隧道内的5G网络覆盖一般采用泄漏电缆的部署模
式，通过测试数据表明，采用100 MHz频谱，部署双
缆或四缆，在时隙配比为
7 : 3的网络中，双缆2T2R
理想吞吐率为150 Mbps，
四缆4T4R为252 Mbps。
根据话务模型与双缆
2T2R网络建设的吞吐率
基线，城市轨道交通5G
应用会占用40%左右的5G上行网络资源，由于下行应用业务量较少，对5G下行网络资源占用率为5%左右。
与此同时，还需要考虑乘客使用5G网络资源的情况。由于目前5G手机普及率不高，因此话务模型可以参考4G。未来随着5G用户的增加，乘客使用的网络资源与轨道交通使用的资源是否会冲突，在规划设计中需要提前考虑。
6 承载城市轨道交通业务的5G 网络设计
承载城市轨道交通业务的5G网络设计涉及无线、传输、核心网的端到端3个部分，并通过网络端到端（无线、传输、核心网）的切片隔离来实现对轨道交通业务的保障。切片保障主要包括3种方案，分别为基于服务质量（Qos）保障、专属5G服务、专用5G网络。5G 切片隔离方案如表3所示。
6.1 5G 无线接入网建设原则
城市轨道交通5G公专网主要需求是覆盖连
续性。目前5G公网只针对有乘客区域进行覆盖，如站
台、站厅、隧道等。而城市轨道交通车辆段、机房等无
人区域并未被完全覆盖。比较特殊的高架桥区域则通过
宏站实现兼顾覆盖。未来要实现5G业务的承载，并确
保业务的服务等级协议（SLA），那么城市轨道交通沿线
就需要实现专网覆盖，以确保网络资源供城市轨道交通
乘客和列车独享。5G无线接入网建设中，推荐在信号
覆盖方面采用室外专项5G连续覆盖，在频谱规划方面
采用异频组网方式；5G车载业务复用共享5G，通
过5QI优先级或RB资源预留的方式实现逻辑隔离；室
外部分尽量采用与公网宏站不同的频谱，降低干扰，减
角钉少切换，以保证终端可持续驻留于5G公专网内。
当前5G频谱具备700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz以
及4.9 GHz多种选择。采用业务的承载频谱需要遵循以
表3 5G切片隔离方案
5G网络Qos保障专属5G服务专用5G网络
无线5QI优先级保障
5QI高优先级+RB无线空
口资源预留
载频独享的专用或小区
传输VPN隔离+Qos调度FlexE接口隔离+VPN隔离FlexE接口隔离+VPN隔离
核心网共用大网、ToB核心网
新能源电机检测
SMF、UPF网元逻辑资源
独占专享
SMF、UPF网元或更多定制化
的5GC物理资源专建专享
城市轨道交通 5G 公专网建设思路探讨
免由于传输跨区域业务调度导致无法满足时延要求，每100 km 传输距离会产生0.5 ms 传输时延，在评估承载网时延时需要综合评估无线设备到用户端口功能/边缘计算技术（UPF/MEC ）的光纤距离。
（4）按需端到端部署选择重传（SR ）协议，简化5G 业务协议配置。5G 业务承载端到端（E2E ）采用SR 图1 5G 切片方案
专网用户普通用户
频谱：共享100 MHz
RB 资源：共享，由 QOS 调度
频谱：共享100 MHz
RB 资源：专网和公网固定分配、可配置
频谱：独立载波（60 MHz + 40 MHz）RB 资源：在载波内独享
频谱：独立载波（60 MHz + 40 MHz）RB 资源：在载波内独享
用户 普通用户
专网用户普通用户
专网用户 普通用户专网用户普通用户
专网用户 普通用户专网用户普通用户
专网用户 普通用户分站，分载波
共站，分载波
共载波，
部分 RB 资源专用
共载波
QOS 方案
RB 预留方案
频谱资源预留方案
专网方案图2 小区合并示意图
5/4" 漏缆
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信令及连接建立后，UPF负责城市轨道交通业务的路由转发、策略实施、流量报告、QoS处理等，相当于业务出口网关。从网络安全隔离角度出发，综合网络建设成本以及轨道交通安全策略，建议独立部署城市轨道交通专用 UPF。
综上所述，城市轨道交通5G公专网核心网的建设思路如下。
（1）城市轨道交通行业设置专用UPF网元对用户数据隔离、业务质量自定义、计费稽查、安全增强
等方面具有较大意义，建议城市轨道交通5G切片配置专用的UPF。
（2）考虑到城市轨道交通运营企业一般为市属企业，每条线路分别与不同运营商进行商业合作，因此各运营商为城市轨道交通提供的专用UPF网元需要独立部署，不能复用。
（3）除了5G网络内部隔离之外，5G核心网用户面UPF/MEC和城市轨道交通各线路主站/子站之间的N6接口，也需要通过专线承载，以确保E2E安全隔离。
（4）从差异化+确定性SLA业务体验保障视角出发，考虑到传输距离对时延的影响，需要根据时延要求考虑UPF/MEC的下沉位置，UPF/MEC部署位置尽量和城市轨道交通主站/子站等业务系统的部署原则对齐，避免路由迂回。
（5）从可靠性视角出发，基于城市轨道交通业务高可靠性/高可用需求，生产控制、管理信息对应的城市轨道交通专用UPF应考虑冗灾备份（同城或异地）方案。并且在用户面和控制面断连场景下，要考虑业务的持续运行不中断/快速恢复，即应急控制面下沉到主站/子站，和UPF共部署。
7 5G 基础网络覆盖的优化与业务保障
7.1 业务保障
要做好城市轨道交通5G专网的切片效果，基础网络覆盖的质量非常重要。基础网络覆盖的方案决定了车载业务的效果。
建设一张良好的城市轨道交通5G公专网，根据测试总结，建议满足以下关键业务指标（KPI）：
（1）5G全场景参考信号接收功率（RSRP）≥-95 dBm的采样点比例≥99%；
（2）信号与干扰加噪声比（SINR）≥5 dB的采样点比例≥98%；
（3）通过轨行区5G公专网小区合并减少切换次数，小区合并长度不超过1.5 km，业务驻留率≥99%；
（4）5G公专网需满足城市轨道交通平均上行业务并发带宽不小于72 Mbps；
（5）通过切片设计实现业务保障、时延满足城市轨道交通各业务标准要求。
7.2 针对轨行区的网络优化
在公网设计中，每450 m会有一个设备开断点，为解决用户切换问题，450 m漏缆两头会接上不同的信号，在一条漏缆里会存在两个不同的扇区。对于乘客来说，由于业务连续性不强，当前设计可以满足业务需求。但是对于车载业务来说，一条漏缆里有两个扇区的信号，会造成切换频繁，导致业
务时延增加。部分区域由于切换失败，导致车载终端驻留失败。通过扇区合并，在不损失容量的情况下，减少列车终端的切换次数，可以极大程度提升业务感知，减少业务时延。
5G网络建设后，通过持续网络优化，可实现小区吞吐率的提升。同理，在城市轨道交通的5G业务中，每种业务定义的优先级不同，在速率、时延上，都需做好业务保障。每种业务在使用过程中均会发生资源抢占，网络切片方案在资源上做了一定的隔离。另外，针对相同切片中的不同业务，还可以采用两种机制保障：采用最低速率（PMBR）可确保单上网用户级速率稳定；采用保证比特速率（GBR）可确保网络级用户速率稳定。
8 城市轨道交通 5G 业务的可视化管理
为确保城市轨道交通5G公专网的高效运营与运维，避免5G公专网成为“黑匣子”，运营商需要基于城市轨道交通行业对专网自管理的需求，提供业务可视化平台。一方面，借助大规模数据采集技术，实现5G公专网从终端、网元到业务应用等多域、多类型数据的融合；另一方面，借助业界成熟的大数据可视化相关组件，在数据展现层，构建技术先进、体验良好的人机交互方式，包括数据实时展示、图表灵活操作、指标定制、多屏协同等能力，实现丰富绚丽的数据表达与数据洞察。最终向城市轨道交通5G公专网运营运维人员展现一张数据融合、透明可视、体验便捷、运营高效的网络，实现从网络到业务的全方位立体化可管、可控、可视，助力运营运维高效决策，保障业务稳定可靠。
城市轨道交通公专网的可视化，从底向上，包含终
城市轨道交通 5G 公专网建设思路探讨
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