5G移動通信技術在城市軌道交通車地無線通信系統中的應用

豆小遠

摘 要：城市軌道交通通信質量，直接影響城市軌道交通運行的穩定與安全，加強城市軌道交通通信系統建設，已成為城市軌道交通事業現代化建設與發展關注的重點。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中的應用。

關鍵詞：5G移動通信技術;城市軌道;無線通信系統;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—5G將在未來幾年內逐漸商用。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目標的實現。

目前5G將采用多種新技術和新方法改善網絡性能、擴展網絡功能，如高頻段數據通信、大規模陣列天線、新型多址技術、新型多載波技術、全雙工、D2D通信、密集網絡、新型網絡構架等技術，通過這些技術實現5G網絡的飛躍。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，實現信號傳輸，滿足用戶對多路傳輸的需求，提升5G通信系統的接入能力。此外，通過有效配置可拓展正交頻分復用技術間隔參數，構建超密集組網，不斷拓展通信容量。5G通信技術中，能夠實現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，降低信息產業、通信技術產業耗能，實現我國社會綠色穩定發展。

三、 5G通信技術在車地無線通信系統中的應用研究

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

表1 現從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上的應用解決方案。其網絡架構如圖2所示，在網絡構架方面簡化核心網絡結構，采用通用硬件構建核心網絡，提供靈活高效的控制轉發功能;同時將原來核心網絡的業務存儲和計算能力從網絡中心簡化下沉至網絡邊緣;在無線接入運用Massive MIMO（大規模多輸入多輸出）天線和MEC技術，滿足接入層高流量、低時延的業務要求，實現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核心網絡。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、融合性高的優點，可選用此技術作為城市軌道交通車地無線核心網的組網技術，構建高可靠、低時延的車地無線通信系統。

由于NFV和SDN等新技術的引入，核心層的網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。通用的核心網絡硬件設備可以方便快捷地部署在網絡中任意位置，實現資源的按需分配和動態延伸，以達到最優的效率。

2.2MIMO增強技術實現接入層的大規模高密度的無線網絡覆蓋。MIMO技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率，Massive MIMO是MIMO的增強技術，基于MIMO增強技術的大規模無線天線陣列，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容量。基于WLAN制式的車地無線系統主要是在車站及運行列車上通過部署軌旁AP、小規模天線及車載AP實現車站層面車-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的高速移動性，容易出現AP連接中斷、系統信息重傳的現象，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擬采用小基站+大規模天線技術，實現車站層面的無線接入，1個車站內將不會出現AP切換、通信中斷等現象。由于1個車站內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技術的業務接入與存儲下沉到車站層面。MEC的定義是：在移動網邊緣提供IT（信息技術）服務環境和云計算能力，即將網絡業務“下沉”到更接近用戶的無線接入網側，從而使用戶感受到的時延減小、網絡擁塞被顯著控制，可以引進更多的業務應用。目前，城市軌道交通PIS車地無線系統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度員，也就無法實現調度員對車載CCTV的監視和控制。其主要原因是WLAN系統數據傳輸速度慢，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信息重傳、信息丟包等現象，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等功能均可在車站邊緣計算服務器上實現。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系統車站攝像頭的本地監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網技術時代，實現智慧軌道交通的運維管理。

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

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中的應用[J].城市軌道交通研究，2018，21（S2）：61-64.