基于5G移動通信技術的城市軌道交通車地無線網絡協同傳輸方案

趙偉慧，汪曉臣，孫同慶，黃志威，付 思

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

車地無線網絡是城市軌道交通的關鍵通信設施，為車載乘客信息系統（PIS，Passenger Information System）和車載閉路電視監控系統（CCTV，Closed Circuit Television）等業務提供通信服務，其性能直接影響運營效率和乘客體驗[1]。傳統的城市軌道交通車地無線網絡主要采用無線局域網（WLAN，Wireless Local Area Network）技術[2]，由于處理能力和帶寬的限制，容易出現傳輸中斷、擁塞、丟包等現象，導致緊急信息無法及時發布、監控視頻無法實時上傳等故障。

目前，基于長期演進（LTE，Long Term Evolution）標準的車地無線網絡已在城市軌道交通領域開展試驗和應用，如文獻[3]中的中國鐵道科學研究院集團有限公司環形鐵道試驗線和文獻[4]中的北京大興機場線，提升了車地無線傳輸的帶寬、速率和抗干擾能力。

隨著智慧地鐵建設的不斷推進，數據采集、設備監控的技術手段不斷發展，車地之間需要傳輸的信息量急劇增長，現有車地無線網絡在承載帶寬和傳輸速率方面的瓶頸日益凸顯。為滿足車地無線網絡承載業務的數據傳輸需求，綜合考慮建設成本和周期，提出基于5G移動通信技術的車地無線網絡協同傳輸方案。

1 城市軌道交通發展對車地無線網絡提出的新要求

城市軌道交通車地無線網絡目前所承載的業務主要有車載實時監控、視頻流發布、運營消息發布、設備狀態監控等。隨著城市軌道交通服務智能化、運營自動化的發展，車載高清多媒體內容在線下發、車載監控錄像及日志數據自動回傳等新需求應運而生。

1.1 車載PIS高清多媒體內容在線分發

PIS中心向列車播控終端分發的內容主要包括直播視頻流、高清視頻文件和列車運營信息；其中，直播視頻流和運營信息對傳輸實時性要求較高。目前，多媒體播放內容因數據量較大，且受列車運行時車地無線網絡帶寬的限制，只能在車輛段由人工復制或下載，播放媒體內容更新緩慢且時效性差。為滿足智能化服務要求，需要實現車載PIS高清多媒體內容在線分發。

1.2 車載監控錄像和車載日志自動下載

車載監控錄像用于監控列車司機室和客室內部情況，需要傳輸的數據主要為視頻信息；車載日志主要包括車載設備告警日志、運營信息日志、監控操作日志等。基于WLAN和LTE標準的車地無線網絡帶寬有限，且傳輸速度慢，在數據傳輸和服務訪問的過程中經常出現網絡中斷和數據丟包。目前，車載服務器中存儲的這些日志文件是由運維人員在列車運行結束、返回停車場后手動轉儲，操作效率低，安全性差。車載PIS高清視頻下發和車載錄像及日志自動回傳對帶寬需求的增加，遠超出既有WLAN和LTE網絡的承載能力，為適應城市軌道交通全自動運行模式的發展要求，需實現車載錄像和車載日志自動實時回傳。

2 城市軌道交通中5G移動通信技術應用面臨的問題

5G網絡具有高速率、大容量、低時延、高可靠的特點，可解決當前城市軌道交通車地無線網絡存在的帶寬不足、速度低、穩定性差等問題。然而，5G移動通信技術現階段在城市軌道交通領域的應用面臨著以下兩個問題。

2.1 建設性價比問題

5G網絡的頻點高，傳輸過程中信號衰減大，導致地鐵區間內同樣長度漏纜的覆蓋距離縮短。由于列車在地鐵區間開行速度快，為保證信號平滑切換，切換區域應有足夠的重疊量，現有5G網絡小基站加大規模密集天線的部署方式會造成高額的設備投資[5]。

2.2 數據安全問題

目前，軌道交通領域尚未劃定5G專網頻段，需要在5G公網上建設專用5G移動通信系統，承載的業務應用系統及其數據存在被攻擊和篡改的風險，尤其是涉及社會治安的敏感數據。

因此，在今后一段時間內，5G網絡與既有車地網絡平行建設將會是4G向5G過渡的一個必經階段。5G網絡與既有LTE網絡協同傳輸不僅能夠以較低成本快速實現5G應用探索，也能顯著提高車地無線網絡的承載帶寬和傳輸效率，進一步改善服務和運營的質量，獲得更好的用戶體驗。

3 車地無線網絡協同傳輸方案

3.1 網絡架構

城市軌道交通車地無線網絡由控制中心、車站、車輛段、停車場、車載5個部分構成，網絡架構如圖1所示。

控制中心和線路區間隧道仍沿用既有LTE網絡；在車站、車輛段和停車場新增5G基站、邊緣網絡設備及邊緣節點服務器，列車上加裝車載5G有源天線，組成承載乘客服務業務的5G大帶寬高速率車地無線網絡，可覆蓋車站、車輛段、停車場及列車，提升業務應用系統在5G網絡中的數據傳輸和處理能力。

將5G網絡與既有基于LTE標準的車地無線網絡相結合，構建協同傳輸網絡，將既有控制中心的集中式網絡變為“中心-車站”二級分布式網絡，在車站部署邊緣節點服務器，以及視頻信息傳輸和海量數據處理應用，由邊緣節點服務器完成數據存儲和預處理。

圖1 車地無線協同傳輸網絡架構

3.2 應用系統不同業務分離承載

基于5G移動通信技術和LTE標準的車地無線網絡協同傳輸方案在車站、車輛段和停車場提供5G網絡覆蓋，而線路區間的車地無線通信則依靠既有LTE網絡。對于數據量小、實時性要求高的車地傳輸信息，仍然需要通過既有LTE網絡進行實時傳輸，以保障車地實時通信業務；對于數據量較大、實時性要求不高的車地傳輸信息，在列車到達各車站、車輛段、或停車場時自動接入5G網絡進行數據傳輸，以提高信息傳輸的帶寬和速率，保證這類信息傳輸的時效性和可靠性。

以PIS為例，設計如圖2所示的車載PIS業務架構，包括數據存儲層、業務服務層和終端展現層。PIS業務服務層由媒體編輯與發布平臺、綜合信息管理平臺和存儲管理平臺實現。其中，由車地無線網絡承載的業務分為由5G網絡承載業務和由LTE網絡承載業務2部分，按照通信數據量大小和傳輸數據實時性的不同要求，將視頻等大數據量傳輸業務與實時性要求高的監視控制業務相分離，實現5G網絡承載業務和既有LTE網絡承載業務的協同傳輸。

圖2 車載PIS業務架構

對于狀態上報、設備控制、消息發布、實時監視、客流密度發布等實時性要求較高且通信數據量較小的業務，仍采用既有LTE標準的車地無線網絡承載。

圖3 協同傳輸網絡架構下車地數據傳輸方案

對于高清多媒體、在線廣告、錄像回傳、日志轉儲等傳輸數據量龐大、實時性要求相對較低的業務，通過車站、停車場、車輛段與列車之間的5G移動通信技術實現，利用5G網絡大帶寬和高速率性能，完成車載高清播放視頻的在線分發；對于列車錄像視頻和日志數據，可在列車到達車站或車輛段時自動高速下載轉儲后，再由車站或車輛段通過與線路控制中心間的局域網上傳至中心云平臺。

3.3 車地數據傳輸流程

在基于5G移動通信技術和既有LTE標準的協同傳輸網絡架構下，車地數據傳輸方案如圖3所示，在車站設置邊緣節點服務器，提供媒體管理與下載服務，將高清視頻的傳輸和數據存儲及計算功能從控制中心遷移至車站邊緣節點服務器。

（1）車載高清多媒體內容在線分發

線路控制中心的高清媒體預分發服務將高清視頻下發到車站邊緣節點服務器，車載多媒體內容分發功能由設置在車站上的邊緣節點服務器完成，列車通過5G車地網絡從邊緣節點服務器獲取全高清媒體。5G大帶寬、高速率特性將極大地提升全高清媒體分發到列車播控終端的可靠性和實時性，顯著提高車載多媒體內容的傳輸效率，實現車載高清多媒體內容的在線更新與分發。

（2）車載錄像及日志自動下載

依托車地5G無線網絡，利用數據緩存采集技術，將車載待回傳的錄像視頻及日志數據先存儲在車站邊緣節點的高速緩存設備中；邊緣節點服務器對視頻和日志數據進行快速處理和本地判決，再通過車站和線路控制中心之間的局域網將數據上傳至線路控制中心存儲，可實現斷點續傳，確保數據完整性；線路控制中心通過可視化管理界面，統一管理各類轉儲的日志數據，完成日志分析，發現異常和故障時自動告警，提高運維便捷性和管控效率。

4 車地無線網絡協同傳輸的關鍵技術

4.1 基于5G技術的車地無線網絡傳輸技術

針對城市軌道交通車地無線網絡承載業務的新需求，在建設初期，5G網絡將與既有LTE網絡結合，實現車地無線網絡協同傳輸，即保持既有LTE網絡在線路區間的全覆蓋，主要在車站、車輛段和停車場基于大帶寬需求部署5G網絡，提供1 Gbit/s通信速率無線網絡覆蓋，解決視頻傳輸需要的大帶寬問題，滿足視頻等數據量較大信息傳輸業務的帶寬及速率需求。

多輸入多輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）大規模天線技術是在發送端和接收端部署高階大規模天線陣列，可在同等頻譜資源條件下提高通信總容量，使接入層頻譜效率和終端量得到極大提升。基于5G移動通信技術的車地無線網絡采用小基站加大規模天線模式，在車站、車輛段、停車場實現5G網絡覆蓋，提供充足的無線網絡帶寬資源，確保車地無線網絡的通信服務質量，保證車地無線業務數據傳輸的效率。通常情況下，地鐵車載天線安裝在列車頂部，可在運行過程中無縫接入車站5G網絡，進行業務數據傳輸；當列車駛離5G網絡覆蓋范圍后，自動中斷業務數據傳輸，在下一車站重新接入5G網絡時可自動斷點續傳，保證業務數據傳輸的完整性。

4.2 基于云邊協同的數據傳輸與存儲技術

將車載業務數據直接傳輸到中心云，需要耗費大量網絡帶寬，且將全部業務數據上傳到中心云進行集中處理的效率相對較低，不利于數據挖掘和融合。

移動邊緣計算（MEC，Mobile Edge Computing）技術是提升5G網絡服務能力的重要手段，通過在數據采集點就近部署邊緣節點服務器，將原先由中心云完成數據處理、實時性要求較高的部分業務處理遷移至邊緣節點，由其對數據進行初步篩選、分析和融合處理，再將預處理后的數據上傳到中心云，形成云邊協同服務。這樣，可顯著減少網絡帶寬占用，降低中心云平臺的計算壓力和存儲成本，而邊緣節點的數據處理時延小，服務響應快，可提高數據處理能力和處理效率[6-7]。此外，將用戶隱私信息、安全敏感信息、車站本地內部服務信息等數據存儲在邊緣節點，還可避免數據在向中心云平臺傳輸過程中被惡意竊取或篡改，提高信息安全性。

5 結束語

利用5G網絡大帶寬、高速率、高可靠的優勢，結合現有LTE網絡工程建設成果，在既有LTE車地無線網絡架構基礎上，提出滿足大帶寬、高速率需求的車地無線網絡協同傳輸方案，實現車載多媒體在線分發及車載視頻和日志自動回傳功能，提高數據的時效性；同時，可避免人工轉儲存在的不利因素，提高數據安全性和可靠性。該方案可以相對較低的成本，高效率地實現5G移動通信技術在城市軌道交通車地無線網絡中的應用探索，有助于提高車地無線網絡的承載帶寬和傳輸速率。

今后將研究基于5G移動通信技術的承載業務拓展，提供更加便捷化、自動化、智能化的業務服務，進一步提升車載乘客服務質量和運營維護效率。