5G移動通信技術在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應用

豆小遠

摘 要：城市軌道交通通信質(zhì)量，直接影響城市軌道交通運行的穩(wěn)定與安全，加強城市軌道交通通信系統(tǒng)建設，已成為城市軌道交通事業(yè)現(xiàn)代化建設與發(fā)展關注的重點。基于此，本文分析了5G移動通信技術在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應用。

關鍵詞：5G移動通信技術;城市軌道;無線通信系統(tǒng);應用

一、5G技術概述

隨著移動通信需求的不斷增長，新一代移動通信系統(tǒng)—5G將在未來幾年內(nèi)逐漸商用。屆時，頻譜利用率和能效將有較大提升，使得在傳輸速率和資源利用率會有效提高。另外，5G將傳輸延時、可靠性、安全性、覆蓋能力等方面獲得較大的性能提升，應用領域也將進一步擴展，從而促進未來萬物互聯(lián)目標的實現(xiàn)。

目前5G將采用多種新技術和新方法改善網(wǎng)絡性能、擴展網(wǎng)絡功能，如高頻段數(shù)據(jù)通信、大規(guī)模陣列天線、新型多址技術、新型多載波技術、全雙工、D2D通信、密集網(wǎng)絡、新型網(wǎng)絡構架等技術，通過這些技術實現(xiàn)5G網(wǎng)絡的飛躍。還增加了D2D通信功能，可以減輕基站負擔、減小通信時延，與蜂窩通信相比，D2D通信僅占一半的頻譜資源。此外，距離較近的用戶利用D2D通信可以減少傳輸功率、節(jié)約能耗。

二、5G通信技術

5G通信技術與4G相比要求更高，如5G通信技術包含正交頻分復用技術，能夠疊加通信信號，實現(xiàn)信號傳輸，滿足用戶對多路傳輸?shù)男枨螅嵘?G通信系統(tǒng)的接入能力。此外，通過有效配置可拓展正交頻分復用技術間隔參數(shù)，構建超密集組網(wǎng)，不斷拓展通信容量。5G通信技術中，能夠?qū)崿F(xiàn)不同技術間的有效整合，不同技術的利用，滿足高速率通信需求，降低信息產(chǎn)業(yè)、通信技術產(chǎn)業(yè)耗能，實現(xiàn)我國社會綠色穩(wěn)定發(fā)展。

三、 5G通信技術在車地無線通信系統(tǒng)中的應用研究

5G通信技術具有高可靠、低時延的技術特點，若將5G通信技術應用在城市軌道交通的車地無線通信系統(tǒng)中，將能較好解決目前城市軌道交通車地無線系統(tǒng)中普遍存在的易受干擾、時延長、故障頻繁等問題。5G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量將會是4G網(wǎng)絡的1 000倍，要實現(xiàn)這樣的目標，離不開以下幾個關鍵技術：新型網(wǎng)絡構架技術，運用NFV（網(wǎng)絡功能虛擬化）和SDN（軟件定義網(wǎng)絡）技術實現(xiàn)網(wǎng)絡的扁平化，構建低成本、高效率、低時延的主干網(wǎng)絡;MIMO大規(guī)模天線技術，使4G時代至多8端口的天線從二維擴展到三維，實現(xiàn)高階多輸入多輸出的大規(guī)模天線陣列，頻譜利用率提高10倍以上;MEC技術是5G的另一個關鍵技術，將網(wǎng)絡應用業(yè)務下沉到無線接入側，用戶感受時延縮短至ms級，充分體現(xiàn)了5G網(wǎng)絡的“快”。

表1 現(xiàn)從5G通信技術中，選取LTE-A（長期演進-增強型）、MIMO增強技術、MEC等關鍵技術，分別從核心層、接入層及應用層來探討5G通信技術在城市軌道交通的車地無線通信系統(tǒng)上的應用解決方案。其網(wǎng)絡架構如圖2所示，在網(wǎng)絡構架方面簡化核心網(wǎng)絡結構，采用通用硬件構建核心網(wǎng)絡，提供靈活高效的控制轉發(fā)功能;同時將原來核心網(wǎng)絡的業(yè)務存儲和計算能力從網(wǎng)絡中心簡化下沉至網(wǎng)絡邊緣;在無線接入運用Massive MIMO（大規(guī)模多輸入多輸出）天線和MEC技術，滿足接入層高流量、低時延的業(yè)務要求，實現(xiàn)整體性能的革命性飛躍。

1.LTE-A技術構建車地無線通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡。5G通信技術中，基于后4G LTE演進的LTE-A技術具有初期投入小、融合性高的優(yōu)點，可選用此技術作為城市軌道交通車地無線核心網(wǎng)的組網(wǎng)技術，構建高可靠、低時延的車地無線通信系統(tǒng)。

由于NFV和SDN等新技術的引入，核心層的網(wǎng)絡設備將不再是專用的AC，而是通用硬件設備構建的基礎設施平臺，解決AC設備成本高、資源配置效率低的問題。通用的核心網(wǎng)絡硬件設備可以方便快捷地部署在網(wǎng)絡中任意位置，實現(xiàn)資源的按需分配和動態(tài)延伸，以達到最優(yōu)的效率。

2.2MIMO增強技術實現(xiàn)接入層的大規(guī)模高密度的無線網(wǎng)絡覆蓋。MIMO技術，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，Massive MIMO是MIMO的增強技術，基于MIMO增強技術的大規(guī)模無線天線陣列，將可應用于車地無線的車站接入層，可10倍地提高頻譜效率和系統(tǒng)容量。基于WLAN制式的車地無線系統(tǒng)主要是在車站及運行列車上通過部署軌旁AP、小規(guī)模天線及車載AP實現(xiàn)車站層面車-地之間的無線覆蓋與通信，為車站的車載PIS、車載CCTV等終端設備提供無線接入。由于城市軌道交通的車地無線系統(tǒng)的高速移動性，容易出現(xiàn)AP連接中斷、系統(tǒng)信息重傳的現(xiàn)象，嚴重時會導致通信中斷，造成故障。基于5G技術的車地無線系統(tǒng)擬采用小基站+大規(guī)模天線技術，實現(xiàn)車站層面的無線接入，1個車站內(nèi)將不會出現(xiàn)AP切換、通信中斷等現(xiàn)象。由于1個車站內(nèi)可以部署成百上千個天線，極大提升了頻譜效率，可對車站進行更為全面的覆蓋，同時也大大降低了干擾，能顯著提升車站接入層的通信體驗。

3.MEC技術的業(yè)務接入與存儲下沉到車站層面。MEC的定義是：在移動網(wǎng)邊緣提供IT（信息技術）服務環(huán)境和云計算能力，即將網(wǎng)絡業(yè)務“下沉”到更接近用戶的無線接入網(wǎng)側，從而使用戶感受到的時延減小、網(wǎng)絡擁塞被顯著控制，可以引進更多的業(yè)務應用。目前，城市軌道交通PIS車地無線系統(tǒng)在實際應用中普遍存在的故障是：車載CCTV的圖像無法實時上傳至控制中心調(diào)度員，也就無法實現(xiàn)調(diào)度員對車載CCTV的監(jiān)視和控制。其主要原因是WLAN系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度慢，視頻圖像要上傳至控制中心，在接入與上傳過程中容易出現(xiàn)信息重傳、信息丟包等現(xiàn)象，同時控制中心的服務器處理能力也有限，兩者疊加將導致通信的中斷、故障的產(chǎn)生。解決此問題的途徑就是：一方面提高接入層的接入效率，在車站層面通過Massive MIMO天線技術，成百上千地部署天線，將有效解決此問題;同時在每個車站部署1臺邊緣計算服務器，將原在控制中心解決的視頻傳送與存儲下沉到接入層，將可有效地解地決此問題。在城市軌道交通車地無線系統(tǒng)的每個車站接入層各設置1臺移動邊緣計算服務器，各車站的車載CCTV圖像以及車載緊急文本下發(fā)等功能均可在車站邊緣計算服務器上實現(xiàn)。這就提高了處理效率，能夠有效解決此類故障。另外，移動邊緣計算服務器的加入也為未來CCTV系統(tǒng)車站攝像頭的本地監(jiān)控與存儲提供了技術可能，并使車站的無線接入層面還可接入更多的業(yè)務應用終端，甚至還可以為車站運維人員配置專用的移動運維終端，其能方便迅捷地完成車站各個監(jiān)控設備的快速巡查和故障處理，使城市軌道交通的車站運維進入物聯(lián)網(wǎng)技術時代，實現(xiàn)智慧軌道交通的運維管理。

5G通信技術的發(fā)展，為人們的生活和工作等提供很多便利，對城市軌道交通發(fā)展產(chǎn)生一定影響。為促使城市軌道交通高效發(fā)展，需要充分利用5G通信技術的優(yōu)勢，保障列車運行的安全性與穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]張建.LTE技術在城市軌道交通車地通信中的應用[J].建材與裝飾，2019（17）：283-284.

[2]高瑞.5G移動通信技術在城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)中的應用[J].城市軌道交通研究，2018，21（S2）：61-64.