蘭劭暉

（聯(lián)通數(shù)字科技有限公司，北京 100000）

0 引 言

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)是城市軌道交通的重要通信設(shè)施，能夠為車載閉路電視監(jiān)測系統(tǒng)（Closed Circuit Television，CCTV）、乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）等提供通信服務(wù)。隨著信息技術(shù)的興起，傳統(tǒng)的通信模式發(fā)生了翻天覆地的變化。5G無線通信技術(shù)的問世使我國的無線通信格局發(fā)生了重大變化，實時有效的通信是城市軌道交通順利運行的重要保障。傳統(tǒng)的信息傳輸存在傳輸效率低、傳輸時延高、傳輸穩(wěn)定性差等問題，因此采用5G無線通信技術(shù)來設(shè)計城市軌道交通的信息傳輸系統(tǒng)，充分發(fā)揮其高速率、大容量、低延時等作用，實現(xiàn)更好的信息傳輸，從而推動城市軌道交通的發(fā)展。

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

目前，城市軌道交通地面的無線通信服務(wù)包括車載實時監(jiān)控、視頻流發(fā)布、運營信息發(fā)布以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等。隨著我國鐵路運輸服務(wù)的智能化和自動化水平不斷提高，對車載視頻內(nèi)容的在線分發(fā)、監(jiān)控錄像、自動記錄以及自動回傳等提出了新的要求。

車載PIS將視頻流、高清視頻文件、列車運行數(shù)據(jù)等傳輸給列車播控終端，其中視頻業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需要更高的實時性。多媒體節(jié)目的信息量很大，受限于火車上的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的頻寬，其播放速度很慢。為了滿足智能業(yè)務(wù)的需求，需要將車載PIS的高清多媒體內(nèi)容實時快速發(fā)布到網(wǎng)上。

車載監(jiān)視器是對機(jī)車駕駛室和車廂內(nèi)的狀況進(jìn)行監(jiān)視，所傳遞的資料以影像文件為主，記錄的內(nèi)容有車上的報警記錄、運行記錄、監(jiān)控操作記錄等。基于長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）協(xié)議的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)帶寬較低，在數(shù)據(jù)傳送和訪問時會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，為滿足全自動系統(tǒng)的發(fā)展需要，需要實現(xiàn)車載錄像和車載日志的自動實時回傳。

2 城市軌道交通中5G無線通信技術(shù)應(yīng)用面臨的問題

5G無線通信網(wǎng)具有較高的頻率，在發(fā)送數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生較大的損耗，導(dǎo)致相同長度的電纜在軌道上的覆蓋范圍會變小。由于列車在軌道交通中行駛得很快，為了確保信號的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，需要在不同的轉(zhuǎn)接點上設(shè)置較多的交接點。目前，5G網(wǎng)絡(luò)中的小型基站采用更多的擴(kuò)頻天線，將會增加系統(tǒng)的投資。當(dāng)前，我國鐵路運輸行業(yè)還沒有確定5G專網(wǎng)的范圍，需要在公共網(wǎng)絡(luò)中建立專門的5G無線通信網(wǎng)絡(luò)，5G公共網(wǎng)絡(luò)中所攜帶的信息可能受到黑客的侵害，特別是涉及公共安全的敏感信息[1]。

3 車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸方案

將5G將與現(xiàn)有LTE網(wǎng)融合，實現(xiàn)車地?zé)o線網(wǎng)的協(xié)作?；谲囌尽④囕v段以及停車場的大帶寬需求部署5G網(wǎng)絡(luò)，提供高速率無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，滿足視頻等數(shù)據(jù)量較大的信息傳送業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求。

地鐵地面無線網(wǎng)由控制中心、車站、車輛段、停車場以及車載模塊組成。控制室及線路區(qū)間的通道仍然采用現(xiàn)有LTE技術(shù)，在車站、車輛段、停車場增設(shè)5G基站、邊緣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在列車上安裝5G有源天線，由此構(gòu)成5G大頻段、高速率的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，覆蓋車站、車輛段、停車場、列車，提高數(shù)據(jù)傳送及處理能力。將5G無線通信技術(shù)與現(xiàn)有車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)融合，建立一個協(xié)作的傳送網(wǎng)，將現(xiàn)有的集中控制中心變成一個2級分布式網(wǎng)絡(luò)。在站點配置一個邊緣節(jié)點服務(wù)器，基于視頻信息傳送和大數(shù)據(jù)處理應(yīng)用，通過邊緣節(jié)點服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和預(yù)處理[2]。車地?zé)o線協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

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

車載PIS架構(gòu)主要包含數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務(wù)服務(wù)層以及終端展示層，其中業(yè)務(wù)服務(wù)層主要包括媒體編輯發(fā)布平臺、綜合信息管理平臺、存儲管理平臺，如圖2所示。

圖2 車載PIS架構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)的容量和數(shù)據(jù)的實時性需求，將大容量的圖像和實時監(jiān)控服務(wù)分開，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)承載服務(wù)和既有LTE網(wǎng)絡(luò)載體服務(wù)的協(xié)作傳送。通過5G無線通信技術(shù)，在車站、停車場、車輛段與火車間進(jìn)行移動通信，發(fā)布高清電視節(jié)目。針對列車的錄影影像和記錄資料，可以在列車抵達(dá)站點或車場時自行下載，經(jīng)由局域網(wǎng)將其上傳到中央云端[3]。線路監(jiān)控中心的高清晰度媒體預(yù)分配業(yè)務(wù)平臺向站點的終端提供高清晰度的視頻，基于5G無線通信技術(shù)的高帶寬、高速率特性，將大大提高廣播電視節(jié)目的播放速度和播放質(zhì)量[4,5]。采用數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)將車上要回發(fā)的視頻和記錄資料保存到站點邊沿節(jié)點上的緩存裝置中。采用可視化的接口對各種類型的存儲內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一管理，在出現(xiàn)異常時及時報警，從而大大提高了運行管理的靈活性。

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 MIMO技術(shù)

多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)是通過在發(fā)射端和接收端配置高階大型化天線，在相同帶寬的情況下提升整個系統(tǒng)的通信能力，從而提高接入層的帶寬利用率和接口質(zhì)量[6-9]。在5G無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用小型基站擴(kuò)大規(guī)模化天線模型，充分利用無線網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高車輛和地面之間的通信質(zhì)量，實現(xiàn)車地?zé)o線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的快速傳送。

4.2 MEC技術(shù)

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）是提高5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能的一種重要手段，通過在數(shù)據(jù)收集點附近設(shè)置一個邊界服務(wù)器，將需要實時處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到邊緣節(jié)點中，經(jīng)過初步篩選、分析、融合后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒朐?，從而實現(xiàn)云間協(xié)作[10]。邊緣節(jié)點具有較低的延遲和較快的業(yè)務(wù)響應(yīng)速度，可以有效改善網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。此外，邊緣節(jié)點上保存了用戶隱私信息、敏感安全信息、車站內(nèi)部業(yè)務(wù)信息等，可以有效防止信息在傳遞過程中被惡意盜用或被篡奪，從而提高信息的安全性。

5 結(jié) 論

充分發(fā)揮5G無線通信技術(shù)大帶寬、高速率、高可靠性等優(yōu)點，基于已有LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計滿足大帶寬、高速率需求的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸方案，實現(xiàn)車載多媒體在線分發(fā)、車載視頻下載以及日志自動回傳等功能，提高數(shù)據(jù)的時效性。將5G無線通信技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通干線的地面無線網(wǎng)，能夠有效提升車地?zé)o線網(wǎng)的承載能力和傳輸速度，從而提供更加便捷和智能化的服務(wù)。