5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)城市軌道交通PIS應(yīng)用

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摘要5g移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用新一代蜂窩移動(dòng)技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于4G網(wǎng)絡(luò)。將5G應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)（pis）中，可改善目前基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)構(gòu)建PIS通信信號(hào)易干擾和故障多等弊端。本文以L(fǎng)TE-A技術(shù)、MIMO增強(qiáng)技術(shù)和MEC技術(shù)等5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)為切入點(diǎn)，從城市軌道交通系統(tǒng)的核心層、接入層和應(yīng)用層出發(fā)，構(gòu)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(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞5G；城市軌道交通；MIMO增強(qiáng)技術(shù)

城市軌道交通系統(tǒng)又稱(chēng)乘客信息系統(tǒng)(PIS)，主要分為車(chē)站通信子系統(tǒng)和車(chē)載通信子系統(tǒng)。車(chē)站通信子系統(tǒng)提供無(wú)線(xiàn)通信，保證列車(chē)能夠精準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)；車(chē)載通信子系統(tǒng)為車(chē)載PIS、地面PIS、列車(chē)CCTV視頻監(jiān)控和車(chē)體PIS視頻播放之間提供通信媒介。目前PIS的實(shí)施主要基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，但是由于WLAN存在安全性能低和并發(fā)線(xiàn)程少等缺點(diǎn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率極低，并且傳輸過(guò)程中容易受到干擾，致使故障頻繁發(fā)生。

1當(dāng)前PIS架構(gòu)

基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)構(gòu)建的PIS組成如圖1所示。當(dāng)前基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的PIS在實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和通信時(shí)，主要依靠車(chē)站和列車(chē)上的軌旁AP、天線(xiàn)以及車(chē)載AP建立起來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)。但是由于地鐵等交通方式本身的特點(diǎn)，信號(hào)在列車(chē)快速移動(dòng)時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)傳送，容易造成信息分組丟失和通信中斷等情況，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致緊急文本上傳失敗和車(chē)載閉路監(jiān)控視頻無(wú)法加載等故障。此方面的維護(hù)工作給車(chē)站技術(shù)支撐人員帶來(lái)了極大的困擾和壓力。

25G通信技術(shù)在PIS中的應(yīng)用

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之所以能夠讓高速移動(dòng)的列車(chē)與控制中心時(shí)刻保持快速穩(wěn)定的信息交互，能夠讓用戶(hù)在人口密集的環(huán)境中仍保持通信暢通，以及能夠讓用戶(hù)在移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)邊緣位置時(shí)仍能連接到網(wǎng)絡(luò)，均離不開(kāi)以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的支撐。一是利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)重新架構(gòu)成為低成本、高效率和低時(shí)延的新型網(wǎng)絡(luò)；二是利用大規(guī)模MIMO增強(qiáng)技術(shù)構(gòu)建新型多輸入多輸出天線(xiàn)陣列，將4G時(shí)代采用的二維空間16個(gè)端口天線(xiàn)擴(kuò)展到三維空間256個(gè)天線(xiàn)頭，將信道帶寬擴(kuò)展到100MHz以上；三是采用多接入邊緣計(jì)算技術(shù)，控制中心所計(jì)算、處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及視頻更加靠近用戶(hù)，將時(shí)延控制在毫秒級(jí)，大大縮減了時(shí)延。5G、4G、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。城市軌道交通PIS如圖2所示，基于5G移動(dòng)通信的PIS采用通用硬件構(gòu)建簡(jiǎn)化版的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具備靈活的控制轉(zhuǎn)發(fā)能力，將原來(lái)核心網(wǎng)絡(luò)繁重的業(yè)務(wù)和計(jì)算下放到網(wǎng)絡(luò)邊緣，多輸入多輸出天線(xiàn)陣列和MEC技術(shù)承擔(dān)起接入層高流量、低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求，三大技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)智慧交通的革命性飛躍。

2.1LTE-A技術(shù)構(gòu)建PIS核心網(wǎng)絡(luò)

LTE-A技術(shù)是一種以L(fǎng)TE技術(shù)為基礎(chǔ)升級(jí)演進(jìn)的系統(tǒng)融合性更高、設(shè)備初期投入更小的新技術(shù)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，在城市軌道交通PIS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可選擇此技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，構(gòu)建一套時(shí)延低、運(yùn)行可靠和穩(wěn)定性好的通信系統(tǒng)。隨著新技術(shù)SDN和NFV的發(fā)展及使用，網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)被重新定義，不同于傳統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備需要使用專(zhuān)門(mén)AC的硬件配置方式，現(xiàn)在只需要使用通用設(shè)備配置一個(gè)可供通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺(tái)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(shè)備成本和配置效率問(wèn)題，另一方面硬件部署方便快捷，可根據(jù)實(shí)際需求在任意位置布置，實(shí)現(xiàn)按需配置和資源利用率最大化?；贚TE-A技術(shù)組件的車(chē)地?zé)o線(xiàn)系統(tǒng)憑借1Gbit/s的高接入速率，使得在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)時(shí)延不超過(guò)1ms，運(yùn)行人員對(duì)此基本無(wú)感。

2.2大規(guī)模MIMO增強(qiáng)技術(shù)提供接入層無(wú)線(xiàn)覆蓋網(wǎng)絡(luò)

大規(guī)模MIMO增強(qiáng)技術(shù)是5G時(shí)代最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一。PIS引入大規(guī)模MIMO增強(qiáng)技術(shù)的天線(xiàn)陣列。MIMO天線(xiàn)陣列中每根天線(xiàn)都部署有多個(gè)天線(xiàn)頭，PIS利用這些天線(xiàn)頭與車(chē)站的移動(dòng)設(shè)備獨(dú)立進(jìn)行通信，在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中天線(xiàn)采用1個(gè)天線(xiàn)頭通信，而在5G網(wǎng)絡(luò)中，大規(guī)模天線(xiàn)陣列擁有256個(gè)天線(xiàn)頭，大大提升了單位網(wǎng)絡(luò)面積支撐的設(shè)備容量，降低了信號(hào)干擾，增強(qiáng)了接入層無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2.3MEC技術(shù)支撐業(yè)務(wù)接入與存儲(chǔ)

當(dāng)前，PIS在實(shí)際運(yùn)行中通常高頻率出現(xiàn)的故障之一就是列車(chē)閉路電視無(wú)法實(shí)時(shí)將圖像上傳到控制中心。這就造成中心調(diào)度員無(wú)法實(shí)時(shí)掌控列車(chē)運(yùn)行狀況并做出有效判斷。造成這類(lèi)故障的主要因素就是無(wú)線(xiàn)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(guò)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(wù)器無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際進(jìn)程的處理需求，這兩方面因素的疊加造成列車(chē)閉路電視故障的產(chǎn)生。為了解決這類(lèi)問(wèn)題，在車(chē)載通信系統(tǒng)中引入MEC技術(shù)。MEC可利用無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)就近提供用戶(hù)所需服務(wù)和云端計(jì)算功能。將其與MIMO增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合，在車(chē)站層多個(gè)位置植入天線(xiàn)。另外，除了控制中心，在每個(gè)車(chē)站處也部署邊緣計(jì)算器，使控制中心所計(jì)算、處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及視頻更加靠近用戶(hù)，大大提高數(shù)據(jù)處理效率。PIS引入MEC技術(shù)之后，帶寬限制取消，數(shù)據(jù)回傳壓力釋放，網(wǎng)絡(luò)擁堵?tīng)顩r大大改善，乘客可以感受到超低時(shí)延的應(yīng)用體驗(yàn)。

3結(jié)束語(yǔ)

5G移動(dòng)通信技術(shù)具有超高速率、超大連接和超低時(shí)延三大性能。我國(guó)5G技術(shù)的研究和應(yīng)用目前處在世界領(lǐng)先水平，正在大踏步進(jìn)入一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代。在日常出行乘坐的公交地鐵上，5G設(shè)備的應(yīng)用使整個(gè)龐大的城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行和控制更加穩(wěn)定、高效、安全。車(chē)載閉路電視、車(chē)站通信子系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、其它管理運(yùn)維系統(tǒng)之間每時(shí)每刻都在進(jìn)行著巨大的數(shù)據(jù)傳輸，5G技術(shù)的應(yīng)用將打破這一瓶頸，使發(fā)展進(jìn)入一個(gè)無(wú)限通信的全新時(shí)代。

作者:周斌 單位:中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司