基于5G移動通信技術(shù)的城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)是城市軌道交通的關(guān)鍵通信設(shè)施，為車載乘客信息系統(tǒng)（PIS，Passenger Information System）和車載閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV，Closed Circuit Television）等業(yè)務(wù)提供通信服務(wù)，其性能直接影響運(yùn)營效率和乘客體驗[1]。傳統(tǒng)的城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主要采用無線局域網(wǎng)（WLAN，Wireless Local Area Network）技術(shù)[2]，由于處理能力和帶寬的限制，容易出現(xiàn)傳輸中斷、擁塞、丟包等現(xiàn)象，導(dǎo)致緊急信息無法及時發(fā)布、監(jiān)控視頻無法實時上傳等故障。

目前，基于長期演進(jìn)（LTE，Long Term Evolution）標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)已在城市軌道交通領(lǐng)域開展試驗和應(yīng)用，如文獻(xiàn)[3]中的中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司環(huán)形鐵道試驗線和文獻(xiàn)[4]中的北京大興機(jī)場線，提升了車地?zé)o線傳輸?shù)膸挕⑺俾屎涂垢蓴_能力。

隨著智慧地鐵建設(shè)的不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控的技術(shù)手段不斷發(fā)展，車地之間需要傳輸?shù)男畔⒘考眲≡鲩L，現(xiàn)有車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)在承載帶寬和傳輸速率方面的瓶頸日益凸顯。為滿足車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求，綜合考慮建設(shè)成本和周期，提出基于5G移動通信技術(shù)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸方案。

1 城市軌道交通發(fā)展對車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)提出的新要求

城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)目前所承載的業(yè)務(wù)主要有車載實時監(jiān)控、視頻流發(fā)布、運(yùn)營消息發(fā)布、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等。隨著城市軌道交通服務(wù)智能化、運(yùn)營自動化的發(fā)展，車載高清多媒體內(nèi)容在線下發(fā)、車載監(jiān)控錄像及日志數(shù)據(jù)自動回傳等新需求應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 車載PIS高清多媒體內(nèi)容在線分發(fā)

PIS中心向列車播控終端分發(fā)的內(nèi)容主要包括直播視頻流、高清視頻文件和列車運(yùn)營信息；其中，直播視頻流和運(yùn)營信息對傳輸實時性要求較高。目前，多媒體播放內(nèi)容因數(shù)據(jù)量較大，且受列車運(yùn)行時車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，只能在車輛段由人工復(fù)制或下載，播放媒體內(nèi)容更新緩慢且時效性差。為滿足智能化服務(wù)要求，需要實現(xiàn)車載PIS高清多媒體內(nèi)容在線分發(fā)。

1.2 車載監(jiān)控錄像和車載日志自動下載

車載監(jiān)控錄像用于監(jiān)控列車司機(jī)室和客室內(nèi)部情況，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要為視頻信息；車載日志主要包括車載設(shè)備告警日志、運(yùn)營信息日志、監(jiān)控操作日志等?；赪LAN和LTE標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，且傳輸速度慢，在數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)訪問的過程中經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷和數(shù)據(jù)丟包。目前，車載服務(wù)器中存儲的這些日志文件是由運(yùn)維人員在列車運(yùn)行結(jié)束、返回停車場后手動轉(zhuǎn)儲，操作效率低，安全性差。車載PIS高清視頻下發(fā)和車載錄像及日志自動回傳對帶寬需求的增加，遠(yuǎn)超出既有WLAN和LTE網(wǎng)絡(luò)的承載能力，為適應(yīng)城市軌道交通全自動運(yùn)行模式的發(fā)展要求，需實現(xiàn)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(shù)應(yīng)用面臨的問題

5G網(wǎng)絡(luò)具有高速率、大容量、低時延、高可靠的特點，可解決當(dāng)前城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)存在的帶寬不足、速度低、穩(wěn)定性差等問題。然而，5G移動通信技術(shù)現(xiàn)階段在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著以下兩個問題。

2.1 建設(shè)性價比問題

5G網(wǎng)絡(luò)的頻點高，傳輸過程中信號衰減大，導(dǎo)致地鐵區(qū)間內(nèi)同樣長度漏纜的覆蓋距離縮短。由于列車在地鐵區(qū)間開行速度快，為保證信號平滑切換，切換區(qū)域應(yīng)有足夠的重疊量，現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)小基站加大規(guī)模密集天線的部署方式會造成高額的設(shè)備投資[5]。

2.2 數(shù)據(jù)安全問題

目前，軌道交通領(lǐng)域尚未劃定5G專網(wǎng)頻段，需要在5G公網(wǎng)上建設(shè)專用5G移動通信系統(tǒng)，承載的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)存在被攻擊和篡改的風(fēng)險，尤其是涉及社會治安的敏感數(shù)據(jù)。

因此，在今后一段時間內(nèi)，5G網(wǎng)絡(luò)與既有車地網(wǎng)絡(luò)平行建設(shè)將會是4G向5G過渡的一個必經(jīng)階段。5G網(wǎng)絡(luò)與既有LTE網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸不僅能夠以較低成本快速實現(xiàn)5G應(yīng)用探索，也能顯著提高車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的承載帶寬和傳輸效率，進(jìn)一步改善服務(wù)和運(yùn)營的質(zhì)量，獲得更好的用戶體驗。

3 車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)由控制中心、車站、車輛段、停車場、車載5個部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

控制中心和線路區(qū)間隧道仍沿用既有LTE網(wǎng)絡(luò)；在車站、車輛段和停車場新增5G基站、邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及邊緣節(jié)點服務(wù)器，列車上加裝車載5G有源天線，組成承載乘客服務(wù)業(yè)務(wù)的5G大帶寬高速率車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，可覆蓋車站、車輛段、停車場及列車，提升業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)在5G網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。

將5G網(wǎng)絡(luò)與既有基于LTE標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)，將既有控制中心的集中式網(wǎng)絡(luò)變?yōu)椤爸行?車站”二級分布式網(wǎng)絡(luò)，在車站部署邊緣節(jié)點服務(wù)器，以及視頻信息傳輸和海量數(shù)據(jù)處理應(yīng)用，由邊緣節(jié)點服務(wù)器完成數(shù)據(jù)存儲和預(yù)處理。

圖1 車地?zé)o線協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)分離承載

基于5G移動通信技術(shù)和LTE標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸方案在車站、車輛段和停車場提供5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而線路區(qū)間的車地?zé)o線通信則依靠既有LTE網(wǎng)絡(luò)。對于數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時傳輸，以保障車地實時通信業(yè)務(wù)；對于數(shù)據(jù)量較大、實時性要求不高的車地傳輸信息，在列車到達(dá)各車站、車輛段、或停車場時自動接入5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以提高信息傳輸?shù)膸捄退俾?，保證這類信息傳輸?shù)臅r效性和可靠性。

以PIS為例，設(shè)計如圖2所示的車載PIS業(yè)務(wù)架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務(wù)服務(wù)層和終端展現(xiàn)層。PIS業(yè)務(wù)服務(wù)層由媒體編輯與發(fā)布平臺、綜合信息管理平臺和存儲管理平臺實現(xiàn)。其中，由車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)分為由5G網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)和由LTE網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)2部分，按照通信數(shù)據(jù)量大小和傳輸數(shù)據(jù)實時性的不同要求，將視頻等大數(shù)據(jù)量傳輸業(yè)務(wù)與實時性要求高的監(jiān)視控制業(yè)務(wù)相分離，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)和既有LTE網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的協(xié)同傳輸。

圖2 車載PIS業(yè)務(wù)架構(gòu)

對于狀態(tài)上報、設(shè)備控制、消息發(fā)布、實時監(jiān)視、客流密度發(fā)布等實時性要求較高且通信數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)，仍采用既有LTE標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載。

圖3 協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下車地數(shù)據(jù)傳輸方案

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

3.3 車地數(shù)據(jù)傳輸流程

在基于5G移動通信技術(shù)和既有LTE標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，車地數(shù)據(jù)傳輸方案如圖3所示，在車站設(shè)置邊緣節(jié)點服務(wù)器，提供媒體管理與下載服務(wù)，將高清視頻的傳輸和數(shù)據(jù)存儲及計算功能從控制中心遷移至車站邊緣節(jié)點服務(wù)器。

（1）車載高清多媒體內(nèi)容在線分發(fā)

線路控制中心的高清媒體預(yù)分發(fā)服務(wù)將高清視頻下發(fā)到車站邊緣節(jié)點服務(wù)器，車載多媒體內(nèi)容分發(fā)功能由設(shè)置在車站上的邊緣節(jié)點服務(wù)器完成，列車通過5G車地網(wǎng)絡(luò)從邊緣節(jié)點服務(wù)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(fā)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(nèi)容的傳輸效率，實現(xiàn)車載高清多媒體內(nèi)容的在線更新與分發(fā)。

（2）車載錄像及日志自動下載

依托車地5G無線網(wǎng)絡(luò)，利用數(shù)據(jù)緩存采集技術(shù)，將車載待回傳的錄像視頻及日志數(shù)據(jù)先存儲在車站邊緣節(jié)點的高速緩存設(shè)備中；邊緣節(jié)點服務(wù)器對視頻和日志數(shù)據(jù)進(jìn)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(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至線路控制中心存儲，可實現(xiàn)斷點續(xù)傳，確保數(shù)據(jù)完整性；線路控制中心通過可視化管理界面，統(tǒng)一管理各類轉(zhuǎn)儲的日志數(shù)據(jù)，完成日志分析，發(fā)現(xiàn)異常和故障時自動告警，提高運(yùn)維便捷性和管控效率。

4 車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于5G技術(shù)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

針對城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的新需求，在建設(shè)初期，5G網(wǎng)絡(luò)將與既有LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實現(xiàn)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸，即保持既有LTE網(wǎng)絡(luò)在線路區(qū)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(wǎng)絡(luò)，提供1 Gbit/s通信速率無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，解決視頻傳輸需要的大帶寬問題，滿足視頻等數(shù)據(jù)量較大信息傳輸業(yè)務(wù)的帶寬及速率需求。

多輸入多輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）大規(guī)模天線技術(shù)是在發(fā)送端和接收端部署高階大規(guī)模天線陣列，可在同等頻譜資源條件下提高通信總?cè)萘?，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(shù)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用小基站加大規(guī)模天線模式，在車站、車輛段、停車場實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提供充足的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，確保車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)質(zhì)量，保證車地?zé)o線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。通常情況下，地鐵車載天線安裝在列車頂部，可在運(yùn)行過程中無縫接入車站5G網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)列車駛離5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍后，自動中斷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，在下一車站重新接入5G網(wǎng)絡(luò)時可自動斷點續(xù)傳，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

4.2 基于云邊協(xié)同的數(shù)據(jù)傳輸與存儲技術(shù)

將車載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街行脑?，需要耗費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)帶寬，且將全部業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳到中心云進(jìn)行集中處理的效率相對較低，不利于數(shù)據(jù)挖掘和融合。

移動邊緣計算（MEC，Mobile Edge Computing）技術(shù)是提升5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的重要手段，通過在數(shù)據(jù)采集點就近部署邊緣節(jié)點服務(wù)器，將原先由中心云完成數(shù)據(jù)處理、實時性要求較高的部分業(yè)務(wù)處理遷移至邊緣節(jié)點，由其對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選、分析和融合處理，再將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)上傳到中心云，形成云邊協(xié)同服務(wù)。這樣，可顯著減少網(wǎng)絡(luò)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(jié)點的數(shù)據(jù)處理時延小，服務(wù)響應(yīng)快，可提高數(shù)據(jù)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(nèi)部服務(wù)信息等數(shù)據(jù)存儲在邊緣節(jié)點，還可避免數(shù)據(jù)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(jié)束語

利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高速率、高可靠的優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)成果，在既有LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，提出滿足大帶寬、高速率需求的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸方案，實現(xiàn)車載多媒體在線分發(fā)及車載視頻和日志自動回傳功能，提高數(shù)據(jù)的時效性；同時，可避免人工轉(zhuǎn)儲存在的不利因素，提高數(shù)據(jù)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(xiàn)5G移動通信技術(shù)在城市軌道交通車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探索，有助于提高車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的承載帶寬和傳輸速率。

今后將研究基于5G移動通信技術(shù)的承載業(yè)務(wù)拓展，提供更加便捷化、自動化、智能化的業(yè)務(wù)服務(wù)，進(jìn)一步提升車載乘客服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)營維護(hù)效率。