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      城市軌道交通 5G 公專網建設思路探討

      2021-12-22 10:15:22黨選麗
      現(xiàn)代城市軌道交通 2021年12期
      關鍵詞:專網切片時延

      何 濤,黨選麗

      (1.華為技術有限公司咨詢與系統(tǒng)集成部,廣東東莞 523808;2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司,北京 100081)

      1 引言

      軌道交通行業(yè)的5G應用逐漸豐富,在5G網絡建設上,國內已累計建成5G基站71.8萬個,三大運營商網絡建設速度和規(guī)模超出預期。5G網絡逐步實現(xiàn)軌道交通全面覆蓋,網絡能力既提升乘客的出行感知,又可以帶給軌道交通車地數(shù)據業(yè)務傳輸?shù)目赡?,實現(xiàn)一網多用的經濟效益。雖然5G公用網絡(以下簡稱“5G公網”)完成了覆蓋,但是針對軌道交通行業(yè)的網絡覆蓋要求和公網還有很大區(qū)別,在5G公網的基礎上建設好1張專網,需要探索新的建設思路。

      2 5G 移動通信技術簡介

      5G移動通信網絡采用全新的服務化架構、全新的頻譜資源,結合多天線系統(tǒng)和先進的算法,可滿足靈活多樣的鏈接需求。

      在無線性能上,5G采用低密度校驗碼(LDPC)、Polar新型信道編碼方案、性能更強的大規(guī)模天線技術等。為支持低時延、高可靠,5G采用短幀、快速反饋、多層/多站數(shù)據重傳等技術。

      在網絡架構上,5G采用云化核心網,支持靈活部署。基于網絡功能虛擬化/軟件定義網絡(NFV/SDN),實現(xiàn)硬件和軟件解耦,控制和轉發(fā)分離;支持邊緣計算,云計算平臺下沉到網絡邊緣,支持基于應用的網關靈活選擇和邊緣分流。

      在滿足5G差異化需求上,5G采用切片技術讓運營商能夠在一個物理網絡之上構建多個專用的、虛擬的、隔離的、按需定制的邏輯網絡,用于滿足不同行業(yè)客戶對網絡能力的不同要求(如時延、帶寬、連接數(shù)等)。目前定義了3種網絡切片類型,即增強移動寬帶、低時延高可靠、大連接物聯(lián)網。

      3 5G 網絡對于城市軌道交通的意義

      截止2019年底,在城市軌道交通建設規(guī)模上,中國已經有7座城市躋身全球前10位,運營里程總長度6 730.27 km,城市軌道交通總客流量達227.8億人次。在建設“量”上已是全球領先,但在軌道智能化方面,還未跟上發(fā)展的步伐。受限于網絡能力,城市軌道交通大量業(yè)務數(shù)據無法實現(xiàn)實時上傳,只能采用本地存儲、人工拷貝的方式來進行數(shù)據管理。因此,城市軌道交通有必要協(xié)同5G技術實現(xiàn)更進一步的發(fā)展。而5G網絡在城市軌道交通中的定位,需要朝著解決各業(yè)務模塊痛點的方向努力。

      當前城市軌道交通存在幾大業(yè)務痛點。

      (1)無線帶寬不足導致視頻無法回傳。視頻的回傳訴求主要在車載視頻攝像頭上。車載視頻分為2個部分,第一部分在司機駕駛室,需要安裝多個攝像頭對司機行為進行監(jiān)控,確保安全運行。第二部分在車廂內,對車廂情況進行監(jiān)控,確保乘客的安全。受限于軌道專網頻譜,視頻只能存儲在駕駛室內,到站后下載拷貝。

      (2)無線帶寬不足導致應急通信難。在應急狀況下,車站需要臨時部署無線視頻攝像頭,并且與站外安保人員實現(xiàn)實時通信。以當前地鐵的專網帶寬以及通信方式,是無法實現(xiàn)多終端的視頻回傳,信息實時交互存在困難。

      (3)現(xiàn)有集群通信手段有限,無線帶寬不足。地鐵采用的是低頻集群通信系統(tǒng),目前采用的400 MHz/800 MHz集群通信,受限于頻段能力,同時又要避免對室外的干擾,目前存在的困難是地下喊不到地面,地面喊不到地下,不同線路制式無法互通,不同站臺無法互通。

      (4)城市軌道交通專網頻點被干擾。城市軌道交通列車控制系統(tǒng)承載于1 800 MHz專網頻譜上,該專網頻譜同時供機場、電力使用。部分頻點與其他區(qū)域的同頻網絡會產生重疊或干擾,導致列車斷線停車。

      除此之外,列車乘客信息系統(tǒng)(PIS)、列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)等,都因無線帶寬受限,無法確保數(shù)據有效傳輸。為解決這些問題,城市軌道交通業(yè)主和運營商共同研究5G的應用場景,南京市軌道交通率先實現(xiàn)了全國首個5G+MEC的切片網絡,武漢市軌道交通也在將部分專網業(yè)務遷移到5G網絡上。中國城市軌道交通協(xié)會對運營商5G網絡給軌道交通的切片專網做了定義——軌道交通5G公專網:基于運營商5G公網,通過資源隔離等技術手段,提供專屬網絡能力,承載軌道交通相關數(shù)據業(yè)務,覆蓋軌道交通全場景,從而實現(xiàn)5G公網專用。當前運營商在城市軌道交通內建設的5G公網主要為乘客提供服務,而在城市軌道交通中還存在大量的無人區(qū)、機房等。要實現(xiàn)5G的應用,信號覆蓋是基礎。同時在網絡容量設計方面,也需按區(qū)別于公網的思路進行規(guī)劃。首先需要完成業(yè)務畫像,其次梳理話務模型,再次設計業(yè)務匹配的網絡架構。完成網絡建設后,通過部署平臺對業(yè)務進行可視化管理。

      4 城市軌道交通 5G 應用的業(yè)務畫像

      業(yè)務畫像如同用戶畫像一樣,是將城市軌道交通具體的5G應用轉化成網絡語言,根據每種業(yè)務應用的特征、鏈接數(shù)、上行速率、下行速率、時延、可靠性、并發(fā)率等要求,形成網絡類型的數(shù)據標簽。

      以車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務為例,該業(yè)務是將車載主機、各子系統(tǒng)采集的列車狀態(tài)、故障等信息實時傳送到地面監(jiān)測中心。該業(yè)務實際應用場景為正線、車輛基地/停車場。當前局限于網絡能力,車輛運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據并未實現(xiàn)實時傳輸,未來通過5G完成列車運行狀態(tài)實時監(jiān)測,業(yè)務可用性應滿足如下技術要求,也等同于網絡指標的要求。

      車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務傳輸時延要求不超過100 ms的概率不小于99%,業(yè)務丟包率不超過1%。車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務要求每列車傳輸速率上行不小于10 Mbps,下行不小于1 Mbps。實現(xiàn)業(yè)務功能的終端分別安裝在車頭、車尾駕駛室內。列車在跑動過程中,終端需要100%在線。

      根據要求梳理的車輛運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務畫像如表1所示。除了車輛狀態(tài)監(jiān)測應用外,還有車載PIS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)等多種應用,都可以分別實現(xiàn)業(yè)務畫像。

      表1 5G業(yè)務畫像

      通過調研,當前城市軌道交通行業(yè)的5G應用可以有如下需求,應用清單如表2所示。

      表2 城市軌道交通的5G應用清單

      為確保每一種應用的實現(xiàn),業(yè)務畫像只關注在單個5G扇區(qū)覆蓋范圍內最大并發(fā)的終端數(shù),以及在特定時段內的終端并發(fā)率。如CCTV視頻承載,就是在列車運行過程中啟動,通過車載終端接入單元(TAU)將數(shù)據回傳。但應急通信業(yè)務,只有在應急狀態(tài)中才會使用,平時不需要占用帶寬。因此在業(yè)務的網絡能力設計中,就需要充分考慮到各業(yè)務同時在線的范圍與時段。

      5 城市軌道交通5G應用的話務模型

      在完成對城市軌道交通5G應用的業(yè)務畫像后,需要根據業(yè)務發(fā)生的時間與地點確定業(yè)務的話務模型。區(qū)別于5G公網業(yè)務服務,城市軌道交通5G終端的在線時長基本要求為100%。部分業(yè)務發(fā)生在列車內,部分業(yè)務發(fā)生在軌道旁,但當列車與軌旁業(yè)務同一時間發(fā)生在同一5G覆蓋扇區(qū),其業(yè)務并發(fā)所占用的帶寬資源就需要統(tǒng)一考慮。

      在城市軌道交通線路隧道中,運營商已經部署5G網絡,主要面向乘客提供服務。5G采用TDD制式,下行時隙配比高于上行,當前普遍采用的是7 : 3,8 : 2,時隙配比已經固化。城市軌道交通所用的業(yè)務模型主要是上行數(shù)據,通過計算,在多個終端并發(fā)時,軌行區(qū)5G單扇區(qū)需要提供給車載與軌旁終端的上行吞吐率在70 Mbps左右,下行在30 Mbps左右。

      隧道內的5G網絡覆蓋一般采用泄漏電纜的部署模式,通過測試數(shù)據表明,采用100 MHz頻譜,部署雙纜或四纜,在時隙配比為7 : 3的網絡中,雙纜2T2R理想吞吐率為150 Mbps,四纜4T4R為252 Mbps。

      根據話務模型與雙纜2T2R網絡建設的吞吐率基線,城市軌道交通5G應用會占用40%左右的5G上行網絡資源,由于下行應用業(yè)務量較少,對5G下行網絡資源占用率為5%左右。

      與此同時,還需要考慮乘客使用5G網絡資源的情況。由于目前5G手機普及率不高,因此話務模型可以參考4G。未來隨著5G用戶的增加,乘客使用的網絡資源與軌道交通使用的資源是否會沖突,在規(guī)劃設計中需要提前考慮。

      6 承載城市軌道交通業(yè)務的5G 網絡設計

      承載城市軌道交通業(yè)務的5G網絡設計涉及無線、傳輸、核心網的端到端3個部分,并通過網絡端到端(無線、傳輸、核心網)的切片隔離來實現(xiàn)對軌道交通業(yè)務的保障。切片保障主要包括3種方案,分別為基于服務質量(Qos)保障、專屬5G服務、專用5G網絡。5G 切片隔離方案如表3所示。

      表3 5G切片隔離方案

      6.1 5G 無線接入網建設原則

      城市軌道交通5G公專網主要需求是覆蓋連續(xù)性。目前5G公網只針對有乘客區(qū)域進行覆蓋,如站臺、站廳、隧道等。而城市軌道交通車輛段、機房等無人區(qū)域并未被完全覆蓋。比較特殊的高架橋區(qū)域則通過宏站實現(xiàn)兼顧覆蓋。未來要實現(xiàn)5G業(yè)務的承載,并確保業(yè)務的服務等級協(xié)議(SLA),那么城市軌道交通沿線就需要實現(xiàn)專網覆蓋,以確保網絡資源供城市軌道交通乘客和列車獨享。5G無線接入網建設中,推薦在信號覆蓋方面采用室外專項5G連續(xù)覆蓋,在頻譜規(guī)劃方面采用異頻組網方式;5G車載業(yè)務復用共享5G基站,通過5QI優(yōu)先級或RB資源預留的方式實現(xiàn)邏輯隔離;室外部分盡量采用與公網宏站不同的頻譜,降低干擾,減少切換,以保證終端可持續(xù)駐留于5G公專網內。

      當前5G頻譜具備700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz以及4.9 GHz多種選擇。采用業(yè)務的承載頻譜需要遵循以下原則:頻譜干凈,室外干擾最??;5G載波帶寬大,若單載波在100 MHz,可以滿足車載業(yè)務的承載;選用的頻譜可以在泄漏電纜等基礎設施里使用。

      5G網絡部署后,需要完成無線資源的切片方案,實現(xiàn)資源調度,靈活適配軌道交通不同業(yè)務場景的隔離需求,5G切片方案如圖1所示。

      圖1 5G切片方案

      為滿足城市軌道交通不同業(yè)務場景的隔離需求,針對5G 專網的切片方案應遵循以下原則。

      (1)采用全線漏纜+小區(qū)合并技術,減少列車切換,提升終端穩(wěn)定性。

      (2)軌行區(qū)扇區(qū)規(guī)劃與車速相關,如假設列車平均速度為 80 km/h,為減少切換,30 s行駛無切換,扇區(qū)覆蓋距離要大于667 m。

      (3)根據每扇區(qū)的最大覆蓋距離、射頻拉遠單元(RRU)的間距要求,采用多RRU小區(qū)合并特性,合理劃分及合并小區(qū),使其既滿足容量需求,又減少切換及小區(qū)間的干擾。扇區(qū)規(guī)劃組網圖如圖2所示。

      圖2 小區(qū)合并示意圖

      6.2 5G 承載網建設原則

      針對城市軌道交通業(yè)務的5G專用承載網的建設原則包含以下幾個方面。

      (1)承載網基于靈活以太網技術(FlexE)硬隔離技術創(chuàng)建獨立網絡切片,確保城市軌道交通業(yè)務安全可靠;超低時延類業(yè)務采用獨立切片承載,確保業(yè)務低時延承載。

      (2)承載網物理組網需要具備雙路由,結合雙歸屬保護功能,實現(xiàn)鏈路、節(jié)點故障的50 ms恢復能力。

      (3)低時延業(yè)務關聯(lián)的軌道設備,規(guī)劃階段要求接入到同一區(qū)域的傳輸網設備,實現(xiàn)業(yè)務就近轉發(fā),避免由于傳輸跨區(qū)域業(yè)務調度導致無法滿足時延要求,每100 km傳輸距離會產生0.5 ms傳輸時延,在評估承載網時延時需要綜合評估無線設備到用戶端口功能/邊緣計算技術(UPF/MEC)的光纖距離。

      (4)按需端到端部署選擇重傳(SR)協(xié)議,簡化5G業(yè)務協(xié)議配置。5G業(yè)務承載端到端(E2E)采用SR協(xié)議,簡化協(xié)議配置(協(xié)議數(shù)量由10個減少到2個),配合網絡連接元件(NCE)一次性完成鏈路協(xié)議配置,實現(xiàn)業(yè)務快速發(fā)放。通過SR與NCE的配合使能網絡自動化,可以將網絡設備的利用率由原來的40%提升到80%,從而節(jié)約擴容成本。

      6.3 5G 核心網建設原則

      城市軌道交通5G公專網建設復雜度最高、行業(yè)定制化特點最強的子域就是5G核心網。5G核心網可以分為控制面和用戶面,控制面網元主要包含接入和移動性能管理功能(AMF)、會話管理功能(SMF)、網絡切片選擇(NSSF)、認證服務器功能(AUSF)、統(tǒng)一數(shù)據管理功能(UDM)、策略控制功能(PCF)等,用戶面主要為UPF。其中與城市軌道交通業(yè)務轉發(fā)相關性最強的網元為UPF。在城市軌道交通業(yè)務終端接入5G網絡基本信令及連接建立后,UPF負責城市軌道交通業(yè)務的路由轉發(fā)、策略實施、流量報告、QoS處理等,相當于業(yè)務出口網關。從網絡安全隔離角度出發(fā),綜合網絡建設成本以及軌道交通安全策略,建議獨立部署城市軌道交通專用 UPF。

      綜上所述,城市軌道交通5G公專網核心網的建設思路如下。

      (1)城市軌道交通行業(yè)設置專用UPF網元對用戶數(shù)據隔離、業(yè)務質量自定義、計費稽查、安全增強等方面具有較大意義,建議城市軌道交通5G切片配置專用的UPF。

      (2)考慮到城市軌道交通運營企業(yè)一般為市屬企業(yè),每條線路分別與不同運營商進行商業(yè)合作,因此各運營商為城市軌道交通提供的專用UPF網元需要獨立部署,不能復用。

      (3)除了5G網絡內部隔離之外,5G核心網用戶面UPF/MEC和城市軌道交通各線路主站/子站之間的N6接口,也需要通過專線承載,以確保E2E安全隔離。

      (4)從差異化+確定性SLA業(yè)務體驗保障視角出發(fā),考慮到傳輸距離對時延的影響,需要根據時延要求考慮UPF/MEC的下沉位置,UPF/MEC部署位置盡量和城市軌道交通主站/子站等業(yè)務系統(tǒng)的部署原則對齊,避免路由迂回。

      (5)從可靠性視角出發(fā),基于城市軌道交通業(yè)務高可靠性/高可用需求,生產控制、管理信息對應的城市軌道交通專用UPF應考慮冗災備份(同城或異地)方案。并且在用戶面和控制面斷連場景下,要考慮業(yè)務的持續(xù)運行不中斷/快速恢復,即應急控制面下沉到主站/子站,和UPF共部署。

      7 5G 基礎網絡覆蓋的優(yōu)化與業(yè)務保障

      7.1 業(yè)務保障

      要做好城市軌道交通5G專網的切片效果,基礎網絡覆蓋的質量非常重要。基礎網絡覆蓋的方案決定了車載業(yè)務的效果。

      建設一張良好的城市軌道交通5G公專網,根據測試總結,建議滿足以下關鍵業(yè)務指標(KPI):

      (1)5G全場景參考信號接收功率(RSRP)≥-95 dBm的采樣點比例≥99%;

      (2)信號與干擾加噪聲比(SINR)≥5 dB的采樣點比例≥98%;

      (3)通過軌行區(qū)5G公專網小區(qū)合并減少切換次數(shù),小區(qū)合并長度不超過1.5 km,業(yè)務駐留率≥99%;

      (4)5G公專網需滿足城市軌道交通平均上行業(yè)務并發(fā)帶寬不小于72 Mbps;

      (5)通過切片設計實現(xiàn)業(yè)務保障、時延滿足城市軌道交通各業(yè)務標準要求。

      7.2 針對軌行區(qū)的網絡優(yōu)化

      在公網設計中,每450 m會有一個設備開斷點,為解決用戶切換問題,450 m漏纜兩頭會接上不同基站的信號,在一條漏纜里會存在兩個不同的扇區(qū)。對于乘客來說,由于業(yè)務連續(xù)性不強,當前設計可以滿足業(yè)務需求。但是對于車載業(yè)務來說,一條漏纜里有兩個扇區(qū)的信號,會造成切換頻繁,導致業(yè)務時延增加。部分區(qū)域由于切換失敗,導致車載終端駐留失敗。通過扇區(qū)合并,在不損失容量的情況下,減少列車終端的切換次數(shù),可以極大程度提升業(yè)務感知,減少業(yè)務時延。

      5G網絡建設后,通過持續(xù)網絡優(yōu)化,可實現(xiàn)小區(qū)吞吐率的提升。同理,在城市軌道交通的5G業(yè)務中,每種業(yè)務定義的優(yōu)先級不同,在速率、時延上,都需做好業(yè)務保障。每種業(yè)務在使用過程中均會發(fā)生資源搶占,網絡切片方案在資源上做了一定的隔離。另外,針對相同切片中的不同業(yè)務,還可以采用兩種機制保障:采用最低速率(PMBR) 可確保單上網用戶級速率穩(wěn)定;采用保證比特速率(GBR) 可確保網絡級用戶速率穩(wěn)定。

      8 城市軌道交通 5G 業(yè)務的可視化管理

      為確保城市軌道交通5G公專網的高效運營與運維,避免5G公專網成為“黑匣子”,運營商需要基于城市軌道交通行業(yè)對專網自管理的需求,提供業(yè)務可視化平臺。一方面,借助大規(guī)模數(shù)據采集技術,實現(xiàn)5G公專網從終端、網元到業(yè)務應用等多域、多類型數(shù)據的融合;另一方面,借助業(yè)界成熟的大數(shù)據可視化相關組件,在數(shù)據展現(xiàn)層,構建技術先進、體驗良好的人機交互方式,包括數(shù)據實時展示、圖表靈活操作、指標定制、多屏協(xié)同等能力,實現(xiàn)豐富絢麗的數(shù)據表達與數(shù)據洞察。最終向城市軌道交通5G公專網運營運維人員展現(xiàn)一張數(shù)據融合、透明可視、體驗便捷、運營高效的網絡,實現(xiàn)從網絡到業(yè)務的全方位立體化可管、可控、可視,助力運營運維高效決策,保障業(yè)務穩(wěn)定可靠。

      城市軌道交通公專網的可視化,從底向上,包含終端設備可視化、端到端網絡可視化、業(yè)務質量可視化以及網絡故障可視化。

      (1)終端設備可視化。實現(xiàn)城市軌道交通公專網中各類終端的集中化納管、可視化連接,確保所有終端的屬性被完整描述,可視呈現(xiàn),實現(xiàn)終端資源與業(yè)務的映射。

      (2)E2E網絡可視化。完整呈現(xiàn)城市軌道交通公專網中從終端、接入網、承載網、邊緣節(jié)點、核心網以及應用服務器等端到端的網絡拓撲,實現(xiàn)網絡設備自發(fā)現(xiàn)、網絡節(jié)點的TOPO自動生成,以及網絡性能指標的動態(tài)呈現(xiàn)。借助E2E網絡可視結果,網絡管理人員可以了解當前的網絡整體結構、網絡運行狀態(tài),判斷和定位網絡性能瓶頸,從而實現(xiàn)對整個網絡的運行狀態(tài)進行及時有效的監(jiān)測和控制。

      (3)業(yè)務質量可視化。一方面可還原業(yè)務的邏輯拓撲路徑,使得每個業(yè)務流可獨立的呈現(xiàn)與分析,另一方面,將反應業(yè)務體驗的指標進行靈活呈現(xiàn),使得業(yè)務的真實體驗信息可感知可管理。一旦出現(xiàn)業(yè)務質量的劣化,可快速被發(fā)現(xiàn)、跟蹤和定位。業(yè)務質量可視,是軌道交通公專網業(yè)務SLA保障的基礎。

      (4)網絡故障可視化?;趯Χ说蕉司W絡設備的資源、告警、性能等信息的綜合采集與融合分析,提供城市軌道交通專網的網絡故障可視能力,包括基于網絡TOPO的告警呈現(xiàn)、事件預警與分析、故障定界與定位、故障根因鉆取分析等能力,此外,還提供一鍵報障入口,讓網絡管理人員可快速將故障呈報到運營商網維部門,快速響應、協(xié)同定位并及時處理網絡故障。

      9 結語

      對于5G公專網的建設,還需要國內更多城市軌道交通公司啟動試點,互相貢獻知識、相互借鑒經驗,相互學習,取長補短,才能推動整個5G產業(yè)的發(fā)展,最終確定針對城市軌道交通5G公專網的建設標準。

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