基于5G 技術的城市軌道交通通信網絡設計與性能優化

馬立杰

（南寧軌道交通運營有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

隨著城市化的快速發展和公共交通需求的增加，城市軌道交通系統的通信需求日益增加。在這種背景下，5G 技術為城市軌道交通帶來了前所未有的機遇和變革。一方面，5G 技術提供了更高的數據傳輸速率和低延遲，這對于實時監控、智能調度以及乘客信息服務等關鍵功能至關重要[1]。另一方面，5G 的高可靠性和廣覆蓋性使得城市軌道交通系統可以實現更加穩定和連續的通信，從而提高運營效率和安全性[2]。文章旨在探索和設計基于5G 技術的城市軌道交通通信網絡，以實現更高的效率和性能。通過對通信網絡架構的優化和創新，可以有效解決現有網絡中存在的各種挑戰與限制。

1 城市軌道交通通信網絡的設計方案

1.1 城市軌道交通的通信需求分析

在城市軌道交通中，通信網絡設計必須針對不同場景的特殊需求展開深入分析。首先，在客流密集區域，高峰時段和特定站點的龐大乘客需求對通信網絡提出了高要求。網絡應能支持高密度連接和大流量數據傳輸，確保在擁擠的環境中依然能夠維持穩定的連接[3]。其次，實時監控方面，列車運行狀態、車站設備及安全系統的迅速響應等，要求通信系統具有低延遲和高可靠性。最后，乘客信息服務的快速、準確傳輸是提高用戶體驗的關鍵。

在特殊場景中，如隧道與高樓區域，網絡設計須考慮信號覆蓋和傳輸質量的特殊要求。同時，對于高速移動的列車，通信系統應具備無縫切換和移動性管理，以確保在運行過程中保持通信的連續性和穩定性[4]。

1.2 5G 網絡架構設計

基于5G 的城市軌道交通通信網絡架構涵蓋了控制中心、車站、車輛段停車場以及列車等4 個關鍵部分，如圖1 所示。在這一新架構中，控制中心與車站、車輛段停車場仍然采用現有的長期演進（Long-Term Evolution，LTE）網絡，并在車站、車輛段停車場引入了5G 基站、邊緣網絡設備以及邊緣節點服務器[5]。此外，列車上還配備了車載5G 有源天線，形成了承載乘客服務業務的5G 大帶寬高速率車地無線網絡。這一網絡設計能夠覆蓋整個城市的軌道交通系統，包括車站、車輛段停車場以及列車本身，從而顯著提升業務應用系統在5G 網絡中的數據傳輸和處理能力。

圖1 5G 網絡架構設計

在整體架構中，5G 網絡與現有基于LTE 標準的車地無線網絡協同傳輸并互補。具體來說，通過在車站、車輛段停車場新增5G 基站、邊緣網絡設備以及邊緣節點服務器，在列車上加裝車載5G 有源天線，實現了無縫覆蓋和大帶寬通信的基礎。這不僅為乘客提供了更高速的網絡服務，還為車站部位的邊緣節點服務、視頻信息傳輸以及大規模數據處理等應用提供了強大的支持。這種協同傳輸和互補的網絡結構，使得城市軌道交通的控制中心從原有的集中式網絡演變為“中心-車”二級分布式網絡。在車站等位置，邊緣節點服務器負責數據存儲和預處理，進一步提高了數據傳輸和處理的效率。

1.3 基于5G 和LTE 的車地數據傳輸設計

在移動通信技術的進步和協同傳輸網絡的應用下，為了提高車地數據傳輸效率，設計以下數據傳輸方案。

1.3.1 網絡架構和基礎設施設計

5G 和LTE 協同傳輸網絡是利用5G 網絡和現有LTE 標準相結合，形成協同傳輸網絡。在車站、車輛段停車場等關鍵位置布置5G 基站和LTE 設備，以實現整個城市軌道交通系統的全面覆蓋。在車站設立邊緣節點服務器，作為本地數據處理和存儲的中心，能夠有效處理車站內的媒體數據管理和下載服務，減輕核心網絡的負載，降低傳輸時延。

1.3.2 車地數據傳輸流程

車地數據傳輸流程如圖2 所示，系統將高清視頻傳輸和相關數據的計算功能從中心控制中心遷移到車站邊緣節點服務器。這意味著在車站處理高清視頻流，減少了對核心網絡的依賴，提高了傳輸效率。

圖2 車地數據傳輸流程

邊緣節點服務器負責本地數據的存儲與計算，避免了不必要的數據傳輸到中心，提高了數據響應速度。這對媒體管理與下載服務等需要實時性和高帶寬的應用領域尤為重要。

1.3.3 媒體管理與下載服務的優化

邊緣節點服務器能夠實時管理車站內的媒體數據，包括高清視頻、實時監控等。這為相關服務提供了更迅速和高效的響應。利用邊緣節點服務器，乘客可以在車站內快速下載媒體內容，無須等待大量數據從中心傳輸，提升了用戶體驗。

1.3.4 安全性與可靠性

一方面，強化邊緣節點服務器的安全機制，包括身份認證、數據加密等，以確保媒體數據傳輸的安全性。另一方面，在邊緣節點服務器上設置本地數據冗余備份，提高數據的可靠性，即使在某些情況下發生連接中斷，也能保證數據的完整性。

2 車地網絡通信關鍵技術

2.1 切片技術

網絡切片是5G 網絡中的一項重要技術，將一個物理網絡劃分為多個邏輯上獨立、獨享資源的虛擬網絡切片，每個切片可以根據具體應用的需求進行定制，以提供特定的服務質量和性能。假設有N個切片，每個切片i（1 ≤i≤N）有特定的帶寬需求（Bi）和延遲要求（Di）。切片算法的目標是最大化資源利用率，同時滿足各個切片的性能需求。優化問題被抽象為

式中：F(B,R)表示目標函數。

目標函數的約束條件為

這個條件表示對于每個切片i，其延遲Di應該小于或等于最大允許延遲Dmax，從而確保每個切片的延遲要求得到滿足。這個優化旨在以最佳方式分配可用資源，同時確保每個網絡切片的延遲要求得到滿足，具體算法步驟如下。

第一步，初始化。為每個切片分配初始帶寬Ri0，表示算法開始時，為每個網絡切片分配一個初始的帶寬值。

第二步，迭代優化。使用迭代優化的方式來調整每個切片的帶寬分配，迭代的更新規則為

式中：Ri(t+1)為第t+1 次迭代后切片i分配的帶寬；Bi為切片i的帶寬需求；Dit為第t次迭代后的延遲；λ為權衡帶寬和延遲的調整參數。

第三步，檢查約束。在每次迭代后，檢查每個切片的延遲是否滿足約束條件Di≤Dmax。這是為了確保帶寬分配不會導致延遲超過預定的最大延遲限制。

第四步，收斂判斷。在每次迭代后，檢查是否滿足停止條件，如迭代次數達到預定值或帶寬分配的變化小于設定的閾值。如果滿足停止條件，則算法停止迭代。

2.2 切片管理和調度算法

在切片管理和調度算法中，初始化階段需要為每個切片分配一個初始調度權重，以反映它的初始優先級。這個權重的設定可以基于先驗知識、業務需求或系統狀態。初始時，所有切片的權重相對均衡，為后續調度奠定基礎。隨后，采用基于權重的調度策略。根據初始權重調度各個切片，確保在有限的資源下較高權重的切片具有更高的優先級。這種按權重調度的方式可以采用不同的調度策略，如輪詢或最短作業優先，以靈活滿足各切片的服務需求。

算法的關鍵在于動態調整權重。通過監控每個切片的實際使用情況，包括帶寬利用率和延遲等性能指標，系統能夠實時做出反饋調整。例如，如果某個切片的需求較大或其性能需求未得到滿足，則可以增加其權重，提高其調度優先級，以確保獲得更多服務資源。

2.3 移動性支持和無縫切換

在5G 車地通信中，移動性支持和無縫切換是確保通信系統在高速行駛列車環境中穩健運行的關鍵因素。車地通信系統必須能夠應對高速行駛的列車，確保通信系統支持設備的無縫切換和移動性管理。高速移動性支持涉及有效處理列車在運行過程中的位置變化、信號強度波動等因素。

為了確保列車通信傳輸從一個基站切換到另一個基站時，能夠讓信息傳輸平滑和無縫，需要采用優化的基站切換機制。基站切換指當設備從一個基站覆蓋區域移動到另一個基站時，通信系統能夠平穩地將設備的連接從一個基站切換到另一個基站。

優化的基站切換機制應考慮以下方面：一是切換準備階段，在列車進入新基站的覆蓋范圍前，系統應提前做好準備，以確保切換的順利進行；二是切換執行階段，在切換過程中，確保數據傳輸的連續性，最小化切換引起的連接中斷時間；三是切換決策，基于列車當前位置、信號強度、網絡負載等因素，智能地做出切換決策，以提供最佳的通信性能。

通過優化基站切換機制，5G 車地通信系統可以在高速行駛的場景中保持持續的連接性，確保乘客和系統設備始終保持穩定的通信狀態。

3 結 論

文章詳細探討了5G 網絡架構的設計，通過引入網絡切片技術、高可靠性通信及邊緣計算，提高了城市軌道交通通信網絡的整體性能。針對高速行駛的列車，提出了有效的移動性支持和無縫切換的優化方案。本文的研究為城市軌道交通通信網絡的5G 技術應用提供了全面的設計方案和性能優化策略，為未來城市軌道交通系統的通信技術發展提供了有益的參考。