基于5G 通信技術(shù)的地鐵多網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)研究

孫佩

（西安交通工程學(xué)院交通運(yùn)輸學(xué)院，陜西西安 710300）

5G 通信技術(shù)作為第五代無線通信技術(shù)，其具有高帶寬、低延時(shí)和海量連接等優(yōu)勢(shì)，在軌道交通領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。目前，5G 網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通領(lǐng)域已基本實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，利用網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商提供的5G 通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，構(gòu)建基于5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的城市地下鐵路多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)，將其作為現(xiàn)有地鐵網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)的補(bǔ)充，可提升地鐵運(yùn)維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。相比于4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 通信技術(shù)除了具備更高的傳送速率，同時(shí)更為注重人與物之間的數(shù)據(jù)交互應(yīng)用，可以適應(yīng)更多的業(yè)務(wù)需求。特別是城市地下鐵路運(yùn)行環(huán)境的特殊性，對(duì)無線信號(hào)的屏蔽和干擾性更強(qiáng)，利用5G 通信技術(shù)對(duì)地鐵監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和改造，可使地鐵運(yùn)維系統(tǒng)更好地向著高清化、智能化方向發(fā)展。

1 多模多頻通信技術(shù)

將5G 通信技術(shù)應(yīng)用于地鐵無線通信網(wǎng)絡(luò)，以提升地下環(huán)境中無線通信信號(hào)質(zhì)量，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一是多模多頻通信技術(shù)。多模多頻通信技術(shù)可根據(jù)當(dāng)前無線信道的質(zhì)量進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)的選擇，采用動(dòng)態(tài)路由，保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩院涂煽啃?。在多網(wǎng)絡(luò)模式下，多模多頻通信技術(shù)需要確定當(dāng)前可接入的網(wǎng)絡(luò)，首先對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求，然后統(tǒng)計(jì)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)能夠成功連接的網(wǎng)絡(luò)，最后對(duì)能夠連接的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，按照篩選算法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選擇出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立連接[2-3]。網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)包括帶寬、時(shí)延、數(shù)據(jù)吞吐量、利用率、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率等，可選擇其中一種或多種參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了能夠在網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商中選擇到信號(hào)質(zhì)量最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)所有可用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算，構(gòu)成一個(gè)質(zhì)量決策矩陣，然后對(duì)決策矩陣進(jìn)行歸一化處理，最后依據(jù)所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)類型和歸一化決策矩陣，裁決出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

決策矩陣由帶寬、時(shí)延、數(shù)據(jù)吞吐量、利用率、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率等參數(shù)構(gòu)成，其歸一化處理過程主要包括標(biāo)準(zhǔn)化處理、熵權(quán)算法、歸一化變換三個(gè)步驟[4-6]。首先針對(duì)決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式為：

式（1）中，xij表示第i網(wǎng)絡(luò)中的第j指標(biāo)的數(shù)值表示標(biāo)準(zhǔn)化處理后的第i網(wǎng)絡(luò)中的第j指標(biāo)的數(shù)值表示第j個(gè)指標(biāo)的平均期望值。

獲得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣后，再利用熵權(quán)算法確定每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重向量，具體步驟為：首先將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值代入熵值公式：

式（2）中，Hj表示第j個(gè)指標(biāo)的熵值，然后將熵值代入權(quán)重向量公式：

式（3）中，wj即為計(jì)算所得的第j指標(biāo)的權(quán)重向量值。

最后針對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)類型，通過歸一化矩陣確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。按照待發(fā)送數(shù)據(jù)的類型制定與之對(duì)應(yīng)的理想發(fā)送方案，然后計(jì)算理想發(fā)送方案與每個(gè)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重向量間的歐式距離，從而獲得理想方案和每個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的貼合度，選擇出貼合度最大的網(wǎng)絡(luò)作為最優(yōu)匹配網(wǎng)絡(luò)，從而提高網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)間的匹配度，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)資源的高效合理利用。利用上述多模多頻通信技術(shù)，可依據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量選擇合適的接入網(wǎng)絡(luò)，從而最大限度地保證無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。另外，相對(duì)于4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率更高，在4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)均滿足連接條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先接入5G 網(wǎng)絡(luò)。

2 網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

多模多頻通信技術(shù)主要是利用網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量決策矩陣進(jìn)行最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的判定與選擇，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量決策矩陣的組成元素包括一些常用網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要有網(wǎng)絡(luò)覆蓋率指標(biāo)、容量評(píng)價(jià)指標(biāo)、速率指標(biāo)、時(shí)延指標(biāo)、能耗評(píng)估指標(biāo)等，網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體含義如下[7-8]：

1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋率指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)覆蓋率指標(biāo)主要利用信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)RSRP進(jìn)行評(píng)估，即接收到的信號(hào)平均功率，其計(jì)算公式為：

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

2）容量評(píng)價(jià)指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)容量主要包括了連接密度和流量密度兩個(gè)部分，連接密度是指單位區(qū)域面積內(nèi)存在的客戶終端平均數(shù)目，流量密度是指單位區(qū)域面積內(nèi)產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)流量，該指標(biāo)由網(wǎng)絡(luò)覆蓋和客戶終端數(shù)目共同決定。

3）速率指標(biāo)

傳輸速率指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)中最為重要的指標(biāo)之一，也是客戶終端最為關(guān)注的指標(biāo)，可分為下傳速度和上傳速度，主要指單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的平均數(shù)據(jù)吞吐量。

4）時(shí)延指標(biāo)

時(shí)延指標(biāo)主要包括雙程時(shí)延和單程時(shí)延，雙程時(shí)延是指發(fā)送設(shè)備從發(fā)送出數(shù)據(jù)包到接收反饋信息過程中產(chǎn)生的總時(shí)延，單程時(shí)延是指從發(fā)送設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收設(shè)備接收完數(shù)據(jù)包過程中產(chǎn)生的時(shí)延，二者的表達(dá)公式為：

式（5）中，TRT表示雙程時(shí)延，TOT表示單程時(shí)延，TS1表示發(fā)送設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送過程產(chǎn)生的時(shí)延，TA1表示發(fā)送設(shè)備接收到反饋信息過程產(chǎn)生的時(shí)延，TA2表示接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)包過程產(chǎn)生的時(shí)延。

5）能耗評(píng)估指標(biāo)

能耗評(píng)估指標(biāo)是用來描述網(wǎng)絡(luò)的能量效應(yīng)，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率，能耗評(píng)價(jià)公式可表示為[9]：

式（6）中，λ表示能耗指標(biāo)，W表示評(píng)估時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的能耗總量，M表示評(píng)估時(shí)間內(nèi)的信息容量，A表示網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積，P表示相對(duì)功率。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)自下而上分為終端層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層。其中，終端層中包含車載移動(dòng)攝像頭、固定式攝像頭、調(diào)度終端等，屬于系統(tǒng)的前端感應(yīng)終端[10-12]。傳輸層負(fù)責(zé)完成集群網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送與交換，包括語音視頻數(shù)據(jù)的切片傳輸、本地和邊緣數(shù)據(jù)的集群業(yè)務(wù)等。服務(wù)層主要提供通信集群服務(wù)和大數(shù)據(jù)管理，通信集群服務(wù)負(fù)責(zé)呼叫控制、群組管理等，大數(shù)據(jù)管理負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、整理、統(tǒng)計(jì)等操作。應(yīng)用層包含專業(yè)應(yīng)用、調(diào)度應(yīng)用、綜合業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)應(yīng)用等，主要面向地鐵運(yùn)行維護(hù)人員。其中，基礎(chǔ)應(yīng)用包括視頻音頻數(shù)據(jù)傳輸功能，調(diào)度應(yīng)用包含群組調(diào)度控制、人群疏導(dǎo)等功能，綜合業(yè)務(wù)主要包括視頻數(shù)據(jù)回傳、客流人臉識(shí)別等，專業(yè)應(yīng)用主要涉及機(jī)組工程師對(duì)機(jī)車的通信指揮和調(diào)度等。

圖1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 硬件組成

地鐵多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的硬件核心部分為通信網(wǎng)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由網(wǎng)關(guān)控制單元、公網(wǎng)收發(fā)單元、專網(wǎng)收發(fā)單元、以太網(wǎng)接口、標(biāo)準(zhǔn)RS485接口等構(gòu)成[13]，由于篇幅限制，僅對(duì)其主要功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。其中，網(wǎng)關(guān)控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與上傳，完成5G網(wǎng)絡(luò)的控制與轉(zhuǎn)換。公網(wǎng)收發(fā)單元負(fù)責(zé)多模終端的協(xié)議轉(zhuǎn)換與執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)連接公共網(wǎng)絡(luò)的功能。專網(wǎng)收發(fā)單元運(yùn)行內(nèi)網(wǎng)終端協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與地鐵專網(wǎng)的連接。標(biāo)準(zhǔn)的RS485 接口可擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)終端與現(xiàn)場(chǎng)總線的連接功能。以太網(wǎng)接口可擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)終端與以太網(wǎng)的連接功能。利用公網(wǎng)和專網(wǎng)收發(fā)單元，構(gòu)成融合通信網(wǎng)關(guān)，可同時(shí)支持多網(wǎng)絡(luò)多模組的無線網(wǎng)絡(luò)通信，從而提升了地鐵無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力和視頻傳輸速度。

圖2 通信網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

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(wǎng)關(guān)中，融合通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)完成4G/5G 數(shù)據(jù)的回傳、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)控制與維護(hù)等軟件功能。網(wǎng)關(guān)軟件的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由內(nèi)核層、適配層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層組成。按照通信功能模塊劃分，網(wǎng)關(guān)軟件包含了多個(gè)子模塊[14]。其中，BSP/DD 軟件模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)操作系統(tǒng)的加載，完成對(duì)板塊底層驅(qū)動(dòng)的安裝；操作系統(tǒng)選用Linux 嵌入式操作系統(tǒng)，可根據(jù)通信需要進(jìn)行系統(tǒng)剪切；協(xié)議?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)類型之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[15]；OSP 模塊可兼容底層硬件和上層操作系統(tǒng)間的差異，對(duì)底層驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，從而保證上層應(yīng)用軟件的穩(wěn)定性，以便軟件的快速穩(wěn)定移植。適配層主要包括網(wǎng)絡(luò)控制適配和無線回傳適配，網(wǎng)絡(luò)控制適配為系統(tǒng)和協(xié)議棧提供接口，實(shí)現(xiàn)WLAN、USB 和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和控制，無線回傳適配為4G/5G 的Moule 接口提供對(duì)應(yīng)的適配封裝，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Module 的狀態(tài)獲取和控制[16-17]。

圖3 融合通信網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證5G 網(wǎng)絡(luò)的通信速率優(yōu)勢(shì)和對(duì)地鐵環(huán)境的適應(yīng)性，在地鐵環(huán)境中搭建混合網(wǎng)絡(luò)，提供參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)下行和上行速率進(jìn)行測(cè)試。首先，將測(cè)試設(shè)備置于較為理想的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，進(jìn)行單終端測(cè)試，選取測(cè)試終端與模擬基站間的距離足夠小，測(cè)試單流上行速率結(jié)果如圖4 所示，平均上行速率達(dá)到100.5 Mbit/s，是傳統(tǒng)4G 網(wǎng)絡(luò)的4 倍以上。單流下行速率測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，平均下行速率達(dá)到1 100 Mbit/s，是傳統(tǒng)4G 網(wǎng)絡(luò)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(huán)境，將地鐵環(huán)境粗略劃分為開闊場(chǎng)景和隔斷場(chǎng)景兩大類，開闊環(huán)境指100 m內(nèi)無較為明顯的遮擋物或墻體，隔斷場(chǎng)景指短距離內(nèi)有單個(gè)或多個(gè)較大的阻擋物或墻體存在。首先，將測(cè)試設(shè)備置于選定的地下車庫，模擬地鐵的開闊環(huán)境，改變終端測(cè)試設(shè)備和模擬基站間的距離，在不同的距離下測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸速度，5G 數(shù)據(jù)傳輸速率統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 開闊場(chǎng)景傳輸速率測(cè)試結(jié)果

將測(cè)試設(shè)備置于選定的某地下商場(chǎng)，模擬地鐵中的隔斷環(huán)境，同樣改變終端測(cè)試設(shè)備和模擬基站間的距離，在不同的距離下測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸速度，5G數(shù)據(jù)傳輸速率統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 隔斷場(chǎng)景傳輸速率測(cè)試結(jié)果

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，隨著測(cè)試點(diǎn)與基站的距離增加，傳輸速率明顯降低。為了降低網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本，在室內(nèi)進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)布置，不能過度進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，在保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)將基站天線的布置間距盡量拉大。由表中測(cè)試數(shù)據(jù)可知，地下場(chǎng)景中較為開闊的地方基站點(diǎn)間距可控制在30～50 m，在有阻擋或墻體的地方，基站點(diǎn)間距可控制在25～35 m。在多墻間隔或地形復(fù)雜的場(chǎng)景，應(yīng)結(jié)合業(yè)務(wù)需求和綜合因素，綜合4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)的各自特點(diǎn)，進(jìn)行綜合布設(shè)。

7 結(jié)論

城市地鐵多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)維系統(tǒng)中的重要組成部分之一，將5G 通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于無線通信的數(shù)據(jù)傳送中，利用網(wǎng)絡(luò)切片和多模多頻通信技術(shù)，可很好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)維系統(tǒng)的快速部署和安全可靠運(yùn)行，推動(dòng)地鐵運(yùn)維系統(tǒng)向著高清化和智能化方向發(fā)展。另外，通過5G 公共網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用，拓展了5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域范圍。