基于5G 技術(shù)的城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與性能優(yōu)化

馬立杰

（南寧軌道交通運營有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

隨著城市化的快速發(fā)展和公共交通需求的增加，城市軌道交通系統(tǒng)的通信需求日益增加。在這種背景下，5G 技術(shù)為城市軌道交通帶來了前所未有的機遇和變革。一方面，5G 技術(shù)提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和低延遲，這對于實時監(jiān)控、智能調(diào)度以及乘客信息服務(wù)等關(guān)鍵功能至關(guān)重要[1]。另一方面，5G 的高可靠性和廣覆蓋性使得城市軌道交通系統(tǒng)可以實現(xiàn)更加穩(wěn)定和連續(xù)的通信，從而提高運營效率和安全性[2]。文章旨在探索和設(shè)計基于5G 技術(shù)的城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)更高的效率和性能。通過對通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新，可以有效解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中存在的各種挑戰(zhàn)與限制。

1 城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案

1.1 城市軌道交通的通信需求分析

在城市軌道交通中，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須針對不同場景的特殊需求展開深入分析。首先，在客流密集區(qū)域，高峰時段和特定站點的龐大乘客需求對通信網(wǎng)絡(luò)提出了高要求。網(wǎng)絡(luò)應能支持高密度連接和大流量數(shù)據(jù)傳輸，確保在擁擠的環(huán)境中依然能夠維持穩(wěn)定的連接[3]。其次，實時監(jiān)控方面，列車運行狀態(tài)、車站設(shè)備及安全系統(tǒng)的迅速響應等，要求通信系統(tǒng)具有低延遲和高可靠性。最后，乘客信息服務(wù)的快速、準確傳輸是提高用戶體驗的關(guān)鍵。

在特殊場景中，如隧道與高樓區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計須考慮信號覆蓋和傳輸質(zhì)量的特殊要求。同時，對于高速移動的列車，通信系統(tǒng)應具備無縫切換和移動性管理，以確保在運行過程中保持通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性[4]。

1.2 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

基于5G 的城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)涵蓋了控制中心、車站、車輛段停車場以及列車等4 個關(guān)鍵部分，如圖1 所示。在這一新架構(gòu)中，控制中心與車站、車輛段停車場仍然采用現(xiàn)有的長期演進（Long-Term Evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)，并在車站、車輛段停車場引入了5G 基站、邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及邊緣節(jié)點服務(wù)器[5]。此外，列車上還配備了車載5G 有源天線，形成了承載乘客服務(wù)業(yè)務(wù)的5G 大帶寬高速率車地無線網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能夠覆蓋整個城市的軌道交通系統(tǒng)，包括車站、車輛段停車場以及列車本身，從而顯著提升業(yè)務(wù)應用系統(tǒng)在5G 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。

圖1 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

在整體架構(gòu)中，5G 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有基于LTE 標準的車地無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸并互補。具體來說，通過在車站、車輛段停車場新增5G 基站、邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及邊緣節(jié)點服務(wù)器，在列車上加裝車載5G 有源天線，實現(xiàn)了無縫覆蓋和大帶寬通信的基礎(chǔ)。這不僅為乘客提供了更高速的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，還為車站部位的邊緣節(jié)點服務(wù)、視頻信息傳輸以及大規(guī)模數(shù)據(jù)處理等應用提供了強大的支持。這種協(xié)同傳輸和互補的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得城市軌道交通的控制中心從原有的集中式網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)椤爸行?車”二級分布式網(wǎng)絡(luò)。在車站等位置，邊緣節(jié)點服務(wù)器負責數(shù)據(jù)存儲和預處理，進一步提高了數(shù)據(jù)傳輸和處理的效率。

1.3 基于5G 和LTE 的車地數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

在移動通信技術(shù)的進步和協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)的應用下，為了提高車地數(shù)據(jù)傳輸效率，設(shè)計以下數(shù)據(jù)傳輸方案。

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計

5G 和LTE 協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)是利用5G 網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有LTE 標準相結(jié)合，形成協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)。在車站、車輛段停車場等關(guān)鍵位置布置5G 基站和LTE 設(shè)備，以實現(xiàn)整個城市軌道交通系統(tǒng)的全面覆蓋。在車站設(shè)立邊緣節(jié)點服務(wù)器，作為本地數(shù)據(jù)處理和存儲的中心，能夠有效處理車站內(nèi)的媒體數(shù)據(jù)管理和下載服務(wù)，減輕核心網(wǎng)絡(luò)的負載，降低傳輸時延。

1.3.2 車地數(shù)據(jù)傳輸流程

車地數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2 所示，系統(tǒng)將高清視頻傳輸和相關(guān)數(shù)據(jù)的計算功能從中心控制中心遷移到車站邊緣節(jié)點服務(wù)器。這意味著在車站處理高清視頻流，減少了對核心網(wǎng)絡(luò)的依賴，提高了傳輸效率。

圖2 車地數(shù)據(jù)傳輸流程

邊緣節(jié)點服務(wù)器負責本地數(shù)據(jù)的存儲與計算，避免了不必要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行?，提高了?shù)據(jù)響應速度。這對媒體管理與下載服務(wù)等需要實時性和高帶寬的應用領(lǐng)域尤為重要。

1.3.3 媒體管理與下載服務(wù)的優(yōu)化

邊緣節(jié)點服務(wù)器能夠?qū)崟r管理車站內(nèi)的媒體數(shù)據(jù)，包括高清視頻、實時監(jiān)控等。這為相關(guān)服務(wù)提供了更迅速和高效的響應。利用邊緣節(jié)點服務(wù)器，乘客可以在車站內(nèi)快速下載媒體內(nèi)容，無須等待大量數(shù)據(jù)從中心傳輸，提升了用戶體驗。

1.3.4 安全性與可靠性

一方面，強化邊緣節(jié)點服務(wù)器的安全機制，包括身份認證、數(shù)據(jù)加密等，以確保媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。另一方面，在邊緣?jié)點服務(wù)器上設(shè)置本地數(shù)據(jù)冗余備份，提高數(shù)據(jù)的可靠性，即使在某些情況下發(fā)生連接中斷，也能保證數(shù)據(jù)的完整性。

2 車地網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是5G 網(wǎng)絡(luò)中的一項重要技術(shù)，將一個物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個邏輯上獨立、獨享資源的虛擬網(wǎng)絡(luò)切片，每個切片可以根據(jù)具體應用的需求進行定制，以提供特定的服務(wù)質(zhì)量和性能。假設(shè)有N個切片，每個切片i（1 ≤i≤N）有特定的帶寬需求（Bi）和延遲要求（Di）。切片算法的目標是最大化資源利用率，同時滿足各個切片的性能需求。優(yōu)化問題被抽象為

式中：F(B,R)表示目標函數(shù)。

目標函數(shù)的約束條件為

這個條件表示對于每個切片i，其延遲Di應該小于或等于最大允許延遲Dmax，從而確保每個切片的延遲要求得到滿足。這個優(yōu)化旨在以最佳方式分配可用資源，同時確保每個網(wǎng)絡(luò)切片的延遲要求得到滿足，具體算法步驟如下。

第一步，初始化。為每個切片分配初始帶寬Ri0，表示算法開始時，為每個網(wǎng)絡(luò)切片分配一個初始的帶寬值。

第二步，迭代優(yōu)化。使用迭代優(yōu)化的方式來調(diào)整每個切片的帶寬分配，迭代的更新規(guī)則為

式中：Ri(t+1)為第t+1 次迭代后切片i分配的帶寬；Bi為切片i的帶寬需求；Dit為第t次迭代后的延遲；λ為權(quán)衡帶寬和延遲的調(diào)整參數(shù)。

第三步，檢查約束。在每次迭代后，檢查每個切片的延遲是否滿足約束條件Di≤Dmax。這是為了確保帶寬分配不會導致延遲超過預定的最大延遲限制。

第四步，收斂判斷。在每次迭代后，檢查是否滿足停止條件，如迭代次數(shù)達到預定值或帶寬分配的變化小于設(shè)定的閾值。如果滿足停止條件，則算法停止迭代。

2.2 切片管理和調(diào)度算法

在切片管理和調(diào)度算法中，初始化階段需要為每個切片分配一個初始調(diào)度權(quán)重，以反映它的初始優(yōu)先級。這個權(quán)重的設(shè)定可以基于先驗知識、業(yè)務(wù)需求或系統(tǒng)狀態(tài)。初始時，所有切片的權(quán)重相對均衡，為后續(xù)調(diào)度奠定基礎(chǔ)。隨后，采用基于權(quán)重的調(diào)度策略。根據(jù)初始權(quán)重調(diào)度各個切片，確保在有限的資源下較高權(quán)重的切片具有更高的優(yōu)先級。這種按權(quán)重調(diào)度的方式可以采用不同的調(diào)度策略，如輪詢或最短作業(yè)優(yōu)先，以靈活滿足各切片的服務(wù)需求。

算法的關(guān)鍵在于動態(tài)調(diào)整權(quán)重。通過監(jiān)控每個切片的實際使用情況，包括帶寬利用率和延遲等性能指標，系統(tǒng)能夠?qū)崟r做出反饋調(diào)整。例如，如果某個切片的需求較大或其性能需求未得到滿足，則可以增加其權(quán)重，提高其調(diào)度優(yōu)先級，以確保獲得更多服務(wù)資源。

2.3 移動性支持和無縫切換

在5G 車地通信中，移動性支持和無縫切換是確保通信系統(tǒng)在高速行駛列車環(huán)境中穩(wěn)健運行的關(guān)鍵因素。車地通信系統(tǒng)必須能夠應對高速行駛的列車，確保通信系統(tǒng)支持設(shè)備的無縫切換和移動性管理。高速移動性支持涉及有效處理列車在運行過程中的位置變化、信號強度波動等因素。

為了確保列車通信傳輸從一個基站切換到另一個基站時，能夠讓信息傳輸平滑和無縫，需要采用優(yōu)化的基站切換機制?；厩袚Q指當設(shè)備從一個基站覆蓋區(qū)域移動到另一個基站時，通信系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地將設(shè)備的連接從一個基站切換到另一個基站。

優(yōu)化的基站切換機制應考慮以下方面：一是切換準備階段，在列車進入新基站的覆蓋范圍前，系統(tǒng)應提前做好準備，以確保切換的順利進行；二是切換執(zhí)行階段，在切換過程中，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，最小化切換引起的連接中斷時間；三是切換決策，基于列車當前位置、信號強度、網(wǎng)絡(luò)負載等因素，智能地做出切換決策，以提供最佳的通信性能。

通過優(yōu)化基站切換機制，5G 車地通信系統(tǒng)可以在高速行駛的場景中保持持續(xù)的連接性，確保乘客和系統(tǒng)設(shè)備始終保持穩(wěn)定的通信狀態(tài)。

3 結(jié) 論

文章詳細探討了5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計，通過引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、高可靠性通信及邊緣計算，提高了城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。針對高速行駛的列車，提出了有效的移動性支持和無縫切換的優(yōu)化方案。本文的研究為城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)的5G 技術(shù)應用提供了全面的設(shè)計方案和性能優(yōu)化策略，為未來城市軌道交通系統(tǒng)的通信技術(shù)發(fā)展提供了有益的參考。