基于5G 通信技術的地鐵多網絡融合技術研究

孫佩

（西安交通工程學院交通運輸學院，陜西西安 710300）

5G 通信技術作為第五代無線通信技術，其具有高帶寬、低延時和海量連接等優勢，在軌道交通領域得到了更為廣泛的應用。目前，5G 網絡在城市軌道交通領域已基本實現全面覆蓋，利用網絡供應商提供的5G 通信網絡服務，構建基于5G 網絡技術的城市地下鐵路多網絡融合系統，將其作為現有地鐵網絡運維系統的補充，可提升地鐵運維系統的數據傳送速度和系統穩定性[1]。相比于4G 網絡，5G 通信技術除了具備更高的傳送速率，同時更為注重人與物之間的數據交互應用，可以適應更多的業務需求。特別是城市地下鐵路運行環境的特殊性，對無線信號的屏蔽和干擾性更強，利用5G 通信技術對地鐵監控系統進行補充和改造，可使地鐵運維系統更好地向著高清化、智能化方向發展。

1 多模多頻通信技術

將5G 通信技術應用于地鐵無線通信網絡，以提升地下環境中無線通信信號質量，其中最為關鍵的技術之一是多模多頻通信技術。多模多頻通信技術可根據當前無線信道的質量進行無線網絡的選擇，采用動態路由，保證無線數據傳輸的高速性和可靠性。在多網絡模式下，多模多頻通信技術需要確定當前可接入的網絡，首先對所有網絡發起網絡連接請求，然后統計在設定時間內能夠成功連接的網絡，最后對能夠連接的網絡質量進行評估，按照篩選算法和評價標準選擇出最優網絡進行建立連接[2-3]。網絡質量評價指標的參數包括帶寬、時延、數據吞吐量、利用率、數據包轉發率等，可選擇其中一種或多種參數作為評價指標。為了能夠在網絡供應商中選擇到信號質量最優網絡，可對所有可用網絡進行質量指標計算，構成一個質量決策矩陣，然后對決策矩陣進行歸一化處理，最后依據所需要發送的數據類型和歸一化決策矩陣，裁決出最優網絡作為數據傳輸網絡。

決策矩陣由帶寬、時延、數據吞吐量、利用率、數據包轉發率等參數構成，其歸一化處理過程主要包括標準化處理、熵權算法、歸一化變換三個步驟[4-6]。首先針對決策矩陣進行標準化處理，計算公式為：

式（1）中，xij表示第i網絡中的第j指標的數值表示標準化處理后的第i網絡中的第j指標的數值表示第j個指標的平均期望值。

獲得標準化矩陣后，再利用熵權算法確定每個指標的權重向量，具體步驟為：首先將標準化處理后的數值代入熵值公式：

式（2）中，Hj表示第j個指標的熵值，然后將熵值代入權重向量公式：

式（3）中，wj即為計算所得的第j指標的權重向量值。

最后針對待發送數據類型，通過歸一化矩陣確定最優網絡。按照待發送數據的類型制定與之對應的理想發送方案，然后計算理想發送方案與每個網絡權重向量間的歐式距離，從而獲得理想方案和每個網絡間的貼合度，選擇出貼合度最大的網絡作為最優匹配網絡，從而提高網絡和數據間的匹配度，實現無線網絡資源的高效合理利用。利用上述多模多頻通信技術，可依據不同網絡的信號質量選擇合適的接入網絡，從而最大限度地保證無線網絡的傳輸速率。另外，相對于4G 網絡，5G 網絡具有更高的帶寬，數據傳輸速率更高，在4G 和5G 網絡均滿足連接條件時，應優先接入5G 網絡。

2 網絡性能評價指標

多模多頻通信技術主要是利用網絡質量決策矩陣進行最優網絡的判定與選擇，網絡質量決策矩陣的組成元素包括一些常用網絡性能評價指標，主要有網絡覆蓋率指標、容量評價指標、速率指標、時延指標、能耗評估指標等，網絡性能評價指標的具體含義如下[7-8]：

1）網絡覆蓋率指標

網絡覆蓋率指標主要利用信號強度指標RSRP進行評估，即接收到的信號平均功率，其計算公式為：

式（4）中，Iorj代表第j個站點所接收的信號平均功率；N表示噪聲功率；NB表示基站的總數。

2）容量評價指標

網絡容量主要包括了連接密度和流量密度兩個部分，連接密度是指單位區域面積內存在的客戶終端平均數目，流量密度是指單位區域面積內產生的平均數據流量，該指標由網絡覆蓋和客戶終端數目共同決定。

3）速率指標

傳輸速率指標是網絡性能指標中最為重要的指標之一，也是客戶終端最為關注的指標，可分為下傳速度和上傳速度，主要指單位時間內網絡的平均數據吞吐量。

4）時延指標

時延指標主要包括雙程時延和單程時延，雙程時延是指發送設備從發送出數據包到接收反饋信息過程中產生的總時延，單程時延是指從發送設備發送數據包到接收設備接收完數據包過程中產生的時延，二者的表達公式為：

式（5）中，TRT表示雙程時延，TOT表示單程時延，TS1表示發送設備進行數據包發送過程產生的時延，TA1表示發送設備接收到反饋信息過程產生的時延，TA2表示接收設備接收到數據包過程產生的時延。

5）能耗評估指標

能耗評估指標是用來描述網絡的能量效應，反應網絡的能量利用效率，能耗評價公式可表示為[9]：

式（6）中，λ表示能耗指標，W表示評估時間內網絡的能耗總量，M表示評估時間內的信息容量，A表示網絡覆蓋的面積，P表示相對功率。

3 網絡系統結構

整個網絡系統結構如圖1 所示，系統自下而上分為終端層、傳輸層、服務層和應用層。其中，終端層中包含車載移動攝像頭、固定式攝像頭、調度終端等，屬于系統的前端感應終端[10-12]。傳輸層負責完成集群網絡的數據傳送與交換，包括語音視頻數據的切片傳輸、本地和邊緣數據的集群業務等。服務層主要提供通信集群服務和大數據管理，通信集群服務負責呼叫控制、群組管理等，大數據管理負責數據資源的統一管理，包括數據收集、存儲、整理、統計等操作。應用層包含專業應用、調度應用、綜合業務和基礎應用等，主要面向地鐵運行維護人員。其中，基礎應用包括視頻音頻數據傳輸功能，調度應用包含群組調度控制、人群疏導等功能，綜合業務主要包括視頻數據回傳、客流人臉識別等，專業應用主要涉及機組工程師對機車的通信指揮和調度等。

圖1 網絡系統結構

4 硬件組成

地鐵多網絡融合系統的硬件核心部分為通信網關，其結構如圖2所示，主要由網關控制單元、公網收發單元、專網收發單元、以太網接口、標準RS485接口等構成[13]，由于篇幅限制，僅對其主要功能結構進行介紹。其中，網關控制單元負責數據采集與上傳，完成5G網絡的控制與轉換。公網收發單元負責多模終端的協議轉換與執行，實現連接公共網絡的功能。專網收發單元運行內網終端協議，實現與地鐵專網的連接。標準的RS485 接口可擴充網絡終端與現場總線的連接功能。以太網接口可擴充網絡終端與以太網的連接功能。利用公網和專網收發單元，構成融合通信網關，可同時支持多網絡多模組的無線網絡通信，從而提升了地鐵無線網絡系統的數據吞吐能力和視頻傳輸速度。

圖2 通信網關結構

5 軟件組成

5G 通信裝置的軟件功能主要集成在融合通信網關中，融合通信網關負責完成4G/5G 數據的回傳、網絡數據轉發、系統控制與維護等軟件功能。網關軟件的結構如圖3 所示，主要由內核層、適配層和數據應用層組成。按照通信功能模塊劃分，網關軟件包含了多個子模塊[14]。其中，BSP/DD 軟件模塊，能夠實現操作系統的加載，完成對板塊底層驅動的安裝；操作系統選用Linux 嵌入式操作系統，可根據通信需要進行系統剪切；協議棧可實現對不同網絡類型之間的數據轉發[15]；OSP 模塊可兼容底層硬件和上層操作系統間的差異，對底層驅動接口進行規范化設計，從而保證上層應用軟件的穩定性，以便軟件的快速穩定移植。適配層主要包括網絡控制適配和無線回傳適配，網絡控制適配為系統和協議棧提供接口，實現WLAN、USB 和以太網之間的數據轉發和控制，無線回傳適配為4G/5G 的Moule 接口提供對應的適配封裝，從而實現對Module 的狀態獲取和控制[16-17]。

圖3 融合通信網關軟件結構

6 實驗結果

為驗證5G 網絡的通信速率優勢和對地鐵環境的適應性，在地鐵環境中搭建混合網絡，提供參考實驗數據，對5G 網絡下行和上行速率進行測試。首先，將測試設備置于較為理想的實驗室環境，進行單終端測試，選取測試終端與模擬基站間的距離足夠小，測試單流上行速率結果如圖4 所示，平均上行速率達到100.5 Mbit/s，是傳統4G 網絡的4 倍以上。單流下行速率測試結果如圖5 所示，平均下行速率達到1 100 Mbit/s，是傳統4G 網絡的5 倍以上。

圖4 單流上行速率

圖5 單流下行速率

為了近似模擬地鐵環境，將地鐵環境粗略劃分為開闊場景和隔斷場景兩大類，開闊環境指100 m內無較為明顯的遮擋物或墻體，隔斷場景指短距離內有單個或多個較大的阻擋物或墻體存在。首先，將測試設備置于選定的地下車庫，模擬地鐵的開闊環境，改變終端測試設備和模擬基站間的距離，在不同的距離下測試數據傳輸速度，5G 數據傳輸速率統計見表1。

表1 開闊場景傳輸速率測試結果

將測試設備置于選定的某地下商場，模擬地鐵中的隔斷環境，同樣改變終端測試設備和模擬基站間的距離，在不同的距離下測試數據傳輸速度，5G數據傳輸速率統計見表2。

表2 隔斷場景傳輸速率測試結果

由統計數據可以看出，隨著測試點與基站的距離增加，傳輸速率明顯降低。為了降低網絡構建成本，在室內進行5G 網絡布置，不能過度進行冗余設計，在保證網絡質量的基礎上，應將基站天線的布置間距盡量拉大。由表中測試數據可知，地下場景中較為開闊的地方基站點間距可控制在30～50 m，在有阻擋或墻體的地方，基站點間距可控制在25～35 m。在多墻間隔或地形復雜的場景，應結合業務需求和綜合因素，綜合4G 和5G 網絡的各自特點，進行綜合布設。

7 結論

城市地鐵多網絡融合系統是城市軌道交通運維系統中的重要組成部分之一，將5G 通信網絡應用于無線通信的數據傳送中，利用網絡切片和多模多頻通信技術，可很好地實現運維系統的快速部署和安全可靠運行，推動地鐵運維系統向著高清化和智能化方向發展。另外，通過5G 公共網絡資源的應用，拓展了5G 網絡的應用領域范圍。