5G技術(shù)用于城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的研究分析

姜 濤

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，其應(yīng)用范圍和場(chǎng)景也在拓展。圍繞城市軌道交通無(wú)線通信的需求，優(yōu)化應(yīng)用5G技術(shù)，突破傳統(tǒng)4G技術(shù)傳送效率低以及易受干擾等問(wèn)題，形成更加可控的管理模式，最大程度上減少技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的故障率。

1 5G技術(shù)用于城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的意義

一方面，5G技術(shù)的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)技術(shù)模式的瓶頸問(wèn)題，為車地?zé)o線系統(tǒng)技術(shù)層面的改革提供了良好的支持。結(jié)合5G技術(shù)對(duì)車地?zé)o線系統(tǒng)的優(yōu)化能實(shí)現(xiàn)1 024 Mb/s通信速率的整合，并且配合多輸入多輸出大規(guī)模天線技術(shù)，能有效實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入層頻譜效率的升級(jí)目標(biāo)，為終端數(shù)量?jī)?yōu)化予以支持。與此同時(shí)，5G技術(shù)還支持移動(dòng)邊緣計(jì)算模式，為實(shí)際應(yīng)用業(yè)務(wù)的下沉處理提供保障，真正意義上實(shí)現(xiàn)車站接入網(wǎng)側(cè)運(yùn)行效率的優(yōu)化目標(biāo)，避免時(shí)延造成的影響[1]。

另一方面，5G技術(shù)的應(yīng)用為運(yùn)營(yíng)管理、效率優(yōu)化以及用戶體驗(yàn)感的升級(jí)提供了較為合理的技術(shù)保障，也能配合技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)智慧軌道交通的應(yīng)用目標(biāo)，打造較為理想且安全的信息交互管理場(chǎng)景。

綜上所述，5G技術(shù)被廣泛應(yīng)用在城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中，具有重要的研究意義。

2 5G技術(shù)用于城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)的具體方案

基于5G移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用，在城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)研究工作中，要整合具體的技術(shù)要素，確保能充分發(fā)揮5G移動(dòng)通信技術(shù)高可靠性以及低時(shí)延技術(shù)優(yōu)勢(shì)，維持較為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量監(jiān)督控制效能。

2.1 整體技術(shù)升級(jí)

相較于4G移動(dòng)通信技術(shù)，5G技術(shù)大大提升了數(shù)據(jù)流量，為了保證流量監(jiān)督控制的合理性，圍繞技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)相匹配的技術(shù)模塊[2]。4G、5G技術(shù)的對(duì)比如表1所示。

表1 4G、5G技術(shù)對(duì)比

正是基于5G技術(shù)升級(jí)的技術(shù)模塊和內(nèi)容，才能維持其應(yīng)用的實(shí)際水平[3]。（1）新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)主要是借助網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)體系和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)扁平化處理提供保障，形成效率較高但成本較低的主干網(wǎng)絡(luò)，并匹配5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)形成低延時(shí)的控制模式[4]。（2）大規(guī)模天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線端口從二維擴(kuò)展到三維的目標(biāo)，為高階多端輸入和多端輸出陳列處理工作予以保證，大大提升頻譜利用率。（3）移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）技術(shù)主要是將網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)業(yè)務(wù)內(nèi)容直接下沉到無(wú)線接入層，提升5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾?，也能最大程度上?yōu)化用戶的體驗(yàn)[5]。

除此之外，5G技術(shù)的應(yīng)用還對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)架升級(jí)和優(yōu)化，借助通用硬件打造核心網(wǎng)絡(luò)模式，匹配靈活高效的控制轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊，能夠最大程度上提高接入層業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確性水平，為綜合性能的優(yōu)化予以保障[6]。5G 技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 LTE-A技術(shù)引入

在城市軌道交通信息傳輸模式中應(yīng)用5G技術(shù)時(shí)，基于4G長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)能最大程度上提高其融合性，選取對(duì)應(yīng)的技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)模塊，維持無(wú)線核心網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的綜合效能，并打造最優(yōu)化、最可靠的車地?zé)o線通信運(yùn)行系統(tǒng)。

一方面，正是由于SDN等模式的融合處理，核心層的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理設(shè)備逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍Ｓ肁C，要結(jié)合硬件設(shè)備構(gòu)件的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行平臺(tái)，最大程度上減少成本的投入，才能維持資源配置的合理性。與此同時(shí)，在應(yīng)用通用核心網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，還能將相應(yīng)的功能模塊布置在任意位置，實(shí)現(xiàn)按需分配以及動(dòng)態(tài)延伸的處理目標(biāo)，滿足最優(yōu)化效率處理標(biāo)準(zhǔn)[7]。

另一方面，借助長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版（Long Term Evolution-Advanced，LTE-A）技術(shù)還能構(gòu)建完整的接入模式，其實(shí)際接入速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN） 技 術(shù)，能在打造完整運(yùn)行處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步核實(shí)相應(yīng)信息內(nèi)容，并且能有效控制時(shí)延，維持良好的應(yīng)用狀態(tài)。

2.3 MIMO技術(shù)引入

在5G技術(shù)應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)中，多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）技術(shù)能最大程度上提高整體服務(wù)體系的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。在MIMO增強(qiáng)技術(shù)中，利用大規(guī)模無(wú)線天線陣列就能提高車地?zé)o線車站接入層運(yùn)行的安全水平，實(shí)現(xiàn)頻譜效率和系統(tǒng)容量的優(yōu)化。

在WLAN制式車地?zé)o線系統(tǒng)中，車站和運(yùn)行車輛的通信覆蓋一般都是借助軌道旁訪問(wèn)接入點(diǎn)（Access Point，AP）、小規(guī)模天線技術(shù)等打造車站層車地系統(tǒng)。軌道交通車地系統(tǒng)高速移動(dòng)性不斷增加，AP連接中斷或系統(tǒng)信息重傳等問(wèn)題屢屢發(fā)生，影響通信質(zhì)量效果的同時(shí)，也會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的故障?；诖?，對(duì)原有系統(tǒng)技術(shù)模式進(jìn)行升級(jí)，借助5G技術(shù)完成車地?zé)o線系統(tǒng)部署處理工作，采取的是小基站+大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用模式，為車站層無(wú)線接入提供更加合理化的部署條件。正是基于1個(gè)車站內(nèi)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)天線的部署，這就有效優(yōu)化了頻率效率，并且能打造全面覆蓋的應(yīng)用模式，避免干擾造成的不良影響，也為車站接入層通信體驗(yàn)的顯著提升予以保障[8]。

2.4 MEC技術(shù)

在城市軌道交通信息傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系中，移動(dòng)網(wǎng)邊緣能提供IT應(yīng)用模式，借助對(duì)應(yīng)的模塊有效維持服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算的可靠性管理效能，保證無(wú)線接入網(wǎng)側(cè)控制的規(guī)范性效能滿足預(yù)期，也為用戶信息交互管理水平的提高提供支持。結(jié)合目前軌道交通發(fā)展進(jìn)程可知，城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）的應(yīng)用依舊存在圖像無(wú)法及時(shí)加載或無(wú)法上傳信息的現(xiàn)象，調(diào)度人員不能對(duì)車載中國(guó)中央電視臺(tái)（China Central Television，CCTV）進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)控管理，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度有限，視頻圖像還存在信息丟包和信息重傳等問(wèn)題。而在建立基于5G技術(shù)的車地?zé)o線專用通信時(shí)，利用系統(tǒng)處理模式的升級(jí)，配合MEC技術(shù)方案，就能在提升接入層接入效率的同時(shí)，保證車站內(nèi)部署天線應(yīng)用控制方案效能的最優(yōu)化，并打造邊緣計(jì)算服務(wù)器應(yīng)用控制平臺(tái)。

首先，城市軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)完成接入層移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器的處理，車站級(jí)車載CCTV圖像和車載緊急文件下發(fā)等功能都能借助邊緣計(jì)算服務(wù)器完成，為相關(guān)實(shí)務(wù)處理效率的優(yōu)化予以保障，并最大程度上提高綜合運(yùn)行質(zhì)量水平。

其次，移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器的處理還能為CCTV系統(tǒng)車站攝像頭本地監(jiān)控和實(shí)時(shí)性信息存儲(chǔ)予以支持，配合無(wú)線接入層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用終端的可控化連接處理。例如，車站的環(huán)控設(shè)備、門禁系統(tǒng)等都能在協(xié)同管理基礎(chǔ)上完成聯(lián)動(dòng)[9]。

最后，車站的運(yùn)維人員借助移動(dòng)終端就能完成快速故障巡查和管理，真正推動(dòng)城市軌道交通向著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模式方向發(fā)展，也為智慧交通的多元運(yùn)維控制提供保障。

2.5 頻段選擇

相較于傳統(tǒng)WLAN制式，基于5G技術(shù)建立的無(wú)線通信應(yīng)用控制平臺(tái)的性能更加優(yōu)越，能結(jié)合技術(shù)要點(diǎn)完成專用頻點(diǎn)的設(shè)置，申請(qǐng)專用頻點(diǎn)后就能有效規(guī)范車地?zé)o線系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，解決其受到民用產(chǎn)品干擾產(chǎn)生的問(wèn)題。在技術(shù)全面推進(jìn)的同時(shí)，3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz以及4 800～4 900 MHz這3個(gè)頻段作為城市軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)使用的關(guān)鍵，為傳輸業(yè)務(wù)效能的優(yōu)化予以支持[10]。

3 結(jié) 論

總而言之，在基于5G移動(dòng)通信技術(shù)建立的城市軌道交通信息傳輸系統(tǒng)中，要結(jié)合車地?zé)o線專用通道應(yīng)用要求，關(guān)注系統(tǒng)性價(jià)比和安全性，維持技術(shù)運(yùn)行的規(guī)范效果，保證通信傳輸線路設(shè)計(jì)的運(yùn)行過(guò)程滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，提升通信質(zhì)量的同時(shí)優(yōu)化用戶體驗(yàn)，為城市軌道交通的全面發(fā)展提供保障。