基于5G無線通信技術的車地無線網絡傳輸研究

蘭劭暉

（聯通數字科技有限公司，北京 100000）

0 引 言

車地無線網絡是城市軌道交通的重要通信設施，能夠為車載閉路電視監測系統（Closed Circuit Television，CCTV）、乘客信息系統（Passenger Information System，PIS）等提供通信服務。隨著信息技術的興起，傳統的通信模式發生了翻天覆地的變化。5G無線通信技術的問世使我國的無線通信格局發生了重大變化，實時有效的通信是城市軌道交通順利運行的重要保障。傳統的信息傳輸存在傳輸效率低、傳輸時延高、傳輸穩定性差等問題，因此采用5G無線通信技術來設計城市軌道交通的信息傳輸系統，充分發揮其高速率、大容量、低延時等作用，實現更好的信息傳輸，從而推動城市軌道交通的發展。

1 城市軌道交通發展對車地無線網絡提出的新要求

目前，城市軌道交通地面的無線通信服務包括車載實時監控、視頻流發布、運營信息發布以及設備狀態監測等。隨著我國鐵路運輸服務的智能化和自動化水平不斷提高，對車載視頻內容的在線分發、監控錄像、自動記錄以及自動回傳等提出了新的要求。

車載PIS將視頻流、高清視頻文件、列車運行數據等傳輸給列車播控終端，其中視頻業務的數據傳輸需要更高的實時性。多媒體節目的信息量很大，受限于火車上的車地無線網絡的頻寬，其播放速度很慢。為了滿足智能業務的需求，需要將車載PIS的高清多媒體內容實時快速發布到網上。

車載監視器是對機車駕駛室和車廂內的狀況進行監視，所傳遞的資料以影像文件為主，記錄的內容有車上的報警記錄、運行記錄、監控操作記錄等。基于長期演進（Long Term Evolution，LTE）協議的車地無線網絡帶寬較低，在數據傳送和訪問時會發生數據丟失，為滿足全自動系統的發展需要，需要實現車載錄像和車載日志的自動實時回傳。

2 城市軌道交通中5G無線通信技術應用面臨的問題

5G無線通信網具有較高的頻率，在發送數據時會產生較大的損耗，導致相同長度的電纜在軌道上的覆蓋范圍會變小。由于列車在軌道交通中行駛得很快，為了確保信號的平穩轉換，需要在不同的轉接點上設置較多的交接點。目前，5G網絡中的小型基站采用更多的擴頻天線，將會增加系統的投資。當前，我國鐵路運輸行業還沒有確定5G專網的范圍，需要在公共網絡中建立專門的5G無線通信網絡，5G公共網絡中所攜帶的信息可能受到黑客的侵害，特別是涉及公共安全的敏感信息[1]。

3 車地無線網絡協同傳輸方案

將5G將與現有LTE網融合，實現車地無線網的協作?；谲囌?、車輛段以及停車場的大帶寬需求部署5G網絡，提供高速率無線通信網絡覆蓋，滿足視頻等數據量較大的信息傳送業務的數據傳輸速率要求。

地鐵地面無線網由控制中心、車站、車輛段、停車場以及車載模塊組成?？刂剖壹熬€路區間的通道仍然采用現有LTE技術，在車站、車輛段、停車場增設5G基站、邊緣網絡服務器，在列車上安裝5G有源天線，由此構成5G大頻段、高速率的車地無線網絡，覆蓋車站、車輛段、停車場、列車，提高數據傳送及處理能力。將5G無線通信技術與現有車地無線網絡融合，建立一個協作的傳送網，將現有的集中控制中心變成一個2級分布式網絡。在站點配置一個邊緣節點服務器，基于視頻信息傳送和大數據處理應用，通過邊緣節點服務器進行數據存儲和預處理[2]。車地無線協同傳輸網絡架構如圖1所示。

圖1 車地無線協同傳輸網絡架構

車載PIS架構主要包含數據存儲層、業務服務層以及終端展示層，其中業務服務層主要包括媒體編輯發布平臺、綜合信息管理平臺、存儲管理平臺，如圖2所示。

圖2 車載PIS架構

根據數據的容量和數據的實時性需求，將大容量的圖像和實時監控服務分開，以滿足5G網絡承載服務和既有LTE網絡載體服務的協作傳送。通過5G無線通信技術，在車站、停車場、車輛段與火車間進行移動通信，發布高清電視節目。針對列車的錄影影像和記錄資料，可以在列車抵達站點或車場時自行下載，經由局域網將其上傳到中央云端[3]。線路監控中心的高清晰度媒體預分配業務平臺向站點的終端提供高清晰度的視頻，基于5G無線通信技術的高帶寬、高速率特性，將大大提高廣播電視節目的播放速度和播放質量[4,5]。采用數據緩沖技術將車上要回發的視頻和記錄資料保存到站點邊沿節點上的緩存裝置中。采用可視化的接口對各種類型的存儲內容進行統一管理，在出現異常時及時報警，從而大大提高了運行管理的靈活性。

4 車地無線網絡協同傳輸的關鍵技術

4.1 MIMO技術

多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術是通過在發射端和接收端配置高階大型化天線，在相同帶寬的情況下提升整個系統的通信能力，從而提高接入層的帶寬利用率和接口質量[6-9]。在5G無線通信技術的基礎上，利用小型基站擴大規?；炀€模型，充分利用無線網絡帶寬，提高車輛和地面之間的通信質量，實現車地無線業務數據的快速傳送。

4.2 MEC技術

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）是提高5G網絡服務性能的一種重要手段，通過在數據收集點附近設置一個邊界服務器，將需要實時處理的數據轉移到邊緣節點中，經過初步篩選、分析、融合后將數據傳輸到中央云，從而實現云間協作[10]。邊緣節點具有較低的延遲和較快的業務響應速度，可以有效改善網絡傳輸性能。此外，邊緣節點上保存了用戶隱私信息、敏感安全信息、車站內部業務信息等，可以有效防止信息在傳遞過程中被惡意盜用或被篡奪，從而提高信息的安全性。

5 結 論

充分發揮5G無線通信技術大帶寬、高速率、高可靠性等優點，基于已有LTE車地無線網絡體系結構，設計滿足大帶寬、高速率需求的車地無線網絡協作傳輸方案，實現車載多媒體在線分發、車載視頻下載以及日志自動回傳等功能，提高數據的時效性。將5G無線通信技術應用于城市軌道交通干線的地面無線網，能夠有效提升車地無線網的承載能力和傳輸速度，從而提供更加便捷和智能化的服務。