5G移動通信網(wǎng)絡城市軌道交通PIS應用

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摘要5g移動通信網(wǎng)絡采用新一代蜂窩移動技術，其數(shù)據(jù)傳輸速率遠高于4G網(wǎng)絡。將5G應用于城市軌道交通系統(tǒng)（pis）中，可改善目前基于無線局域網(wǎng)構建PIS通信信號易干擾和故障多等弊端。本文以LTE-A技術、MIMO增強技術和MEC技術等5G移動通信關鍵技術為切入點，從城市軌道交通系統(tǒng)的核心層、接入層和應用層出發(fā)，構建了全新的智慧軌道交通系統(tǒng)，助推軌道交通行業(yè)數(shù)智化轉型。

關鍵詞5G；城市軌道交通；MIMO增強技術

城市軌道交通系統(tǒng)又稱乘客信息系統(tǒng)(PIS)，主要分為車站通信子系統(tǒng)和車載通信子系統(tǒng)。車站通信子系統(tǒng)提供無線通信，保證列車能夠精準運營；車載通信子系統(tǒng)為車載PIS、地面PIS、列車CCTV視頻監(jiān)控和車體PIS視頻播放之間提供通信媒介。目前PIS的實施主要基于IEEE802.11標準的無線局域網(wǎng)技術，但是由于WLAN存在安全性能低和并發(fā)線程少等缺點，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率極低，并且傳輸過程中容易受到干擾，致使故障頻繁發(fā)生。

1當前PIS架構

基于無線局域網(wǎng)構建的PIS組成如圖1所示。當前基于無線局域網(wǎng)的PIS在實現(xiàn)無線網(wǎng)絡覆蓋和通信時，主要依靠車站和列車上的軌旁AP、天線以及車載AP建立起來的通信網(wǎng)絡。但是由于地鐵等交通方式本身的特點，信號在列車快速移動時無法實時傳送，容易造成信息分組丟失和通信中斷等情況，更嚴重時會導致緊急文本上傳失敗和車載閉路監(jiān)控視頻無法加載等故障。此方面的維護工作給車站技術支撐人員帶來了極大的困擾和壓力。

25G通信技術在PIS中的應用

5G移動通信網(wǎng)絡之所以能夠讓高速移動的列車與控制中心時刻保持快速穩(wěn)定的信息交互，能夠讓用戶在人口密集的環(huán)境中仍保持通信暢通，以及能夠讓用戶在移動到網(wǎng)絡邊緣位置時仍能連接到網(wǎng)絡，均離不開以下幾個關鍵技術的支撐。一是利用網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)技術和軟件定義網(wǎng)絡(SDN)技術，將網(wǎng)絡重新架構成為低成本、高效率和低時延的新型網(wǎng)絡；二是利用大規(guī)模MIMO增強技術構建新型多輸入多輸出天線陣列，將4G時代采用的二維空間16個端口天線擴展到三維空間256個天線頭，將信道帶寬擴展到100MHz以上；三是采用多接入邊緣計算技術，控制中心所計算、處理和存儲的數(shù)據(jù)及視頻更加靠近用戶，將時延控制在毫秒級，大大縮減了時延。5G、4G、無線局域網(wǎng)關鍵技術指標對比見表1。城市軌道交通PIS如圖2所示，基于5G移動通信的PIS采用通用硬件構建簡化版的核心網(wǎng)絡架構，具備靈活的控制轉發(fā)能力，將原來核心網(wǎng)絡繁重的業(yè)務和計算下放到網(wǎng)絡邊緣，多輸入多輸出天線陣列和MEC技術承擔起接入層高流量、低時延的業(yè)務需求，三大技術共同實現(xiàn)智慧交通的革命性飛躍。

2.1LTE-A技術構建PIS核心網(wǎng)絡

LTE-A技術是一種以LTE技術為基礎升級演進的系統(tǒng)融合性更高、設備初期投入更小的新技術?；谝陨蟽?yōu)點，在城市軌道交通PIS無線網(wǎng)絡中可選擇此技術進行組網(wǎng)，構建一套時延低、運行可靠和穩(wěn)定性好的通信系統(tǒng)。隨著新技術SDN和NFV的發(fā)展及使用，網(wǎng)絡硬件系統(tǒng)被重新定義，不同于傳統(tǒng)的核心網(wǎng)絡硬件設備需要使用專門AC的硬件配置方式，現(xiàn)在只需要使用通用設備配置一個可供通信網(wǎng)絡運行的基礎平臺即可。這一硬件系統(tǒng)配置方式的變革，一方面很好地解決了設備成本和配置效率問題，另一方面硬件部署方便快捷，可根據(jù)實際需求在任意位置布置，實現(xiàn)按需配置和資源利用率最大化?；贚TE-A技術組件的車地無線系統(tǒng)憑借1Gbit/s的高接入速率，使得在實際運行過程中，系統(tǒng)時延不超過1ms，運行人員對此基本無感。

2.2大規(guī)模MIMO增強技術提供接入層無線覆蓋網(wǎng)絡

大規(guī)模MIMO增強技術是5G時代最關鍵的技術指標之一。PIS引入大規(guī)模MIMO增強技術的天線陣列。MIMO天線陣列中每根天線都部署有多個天線頭，PIS利用這些天線頭與車站的移動設備獨立進行通信，在無線局域網(wǎng)中天線采用1個天線頭通信，而在5G網(wǎng)絡中，大規(guī)模天線陣列擁有256個天線頭，大大提升了單位網(wǎng)絡面積支撐的設備容量，降低了信號干擾，增強了接入層無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

2.3MEC技術支撐業(yè)務接入與存儲

當前，PIS在實際運行中通常高頻率出現(xiàn)的故障之一就是列車閉路電視無法實時將圖像上傳到控制中心。這就造成中心調(diào)度員無法實時掌控列車運行狀況并做出有效判斷。造成這類故障的主要因素就是無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率慢，控制中心在接收并上傳圖像和視頻的過程中常常出現(xiàn)信息重傳和分組丟失的現(xiàn)象，加之控制中心的服務器無法滿足實際進程的處理需求，這兩方面因素的疊加造成列車閉路電視故障的產(chǎn)生。為了解決這類問題，在車載通信系統(tǒng)中引入MEC技術。MEC可利用無線接入網(wǎng)絡就近提供用戶所需服務和云端計算功能。將其與MIMO增強技術結合，在車站層多個位置植入天線。另外，除了控制中心，在每個車站處也部署邊緣計算器，使控制中心所計算、處理和存儲的數(shù)據(jù)及視頻更加靠近用戶，大大提高數(shù)據(jù)處理效率。PIS引入MEC技術之后，帶寬限制取消，數(shù)據(jù)回傳壓力釋放，網(wǎng)絡擁堵狀況大大改善，乘客可以感受到超低時延的應用體驗。

3結束語

5G移動通信技術具有超高速率、超大連接和超低時延三大性能。我國5G技術的研究和應用目前處在世界領先水平，正在大踏步進入一個萬物互聯(lián)的新時代。在日常出行乘坐的公交地鐵上，5G設備的應用使整個龐大的城市軌道交通系統(tǒng)運行和控制更加穩(wěn)定、高效、安全。車載閉路電視、車站通信子系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、其它管理運維系統(tǒng)之間每時每刻都在進行著巨大的數(shù)據(jù)傳輸，5G技術的應用將打破這一瓶頸，使發(fā)展進入一個無限通信的全新時代。

作者:周斌 單位:中國移動通信集團湖南有限公司