5G移動通信網絡城市軌道交通PIS應用

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摘要5g移動通信網絡采用新一代蜂窩移動技術，其數據傳輸速率遠高于4G網絡。將5G應用于城市軌道交通系統（pis）中，可改善目前基于無線局域網構建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的核心層、接入層和應用層出發，構建了全新的智慧軌道交通系統，助推軌道交通行業數智化轉型。

關鍵詞5G；城市軌道交通；MIMO增強技術

城市軌道交通系統又稱乘客信息系統(PIS)，主要分為車站通信子系統和車載通信子系統。車站通信子系統提供無線通信，保證列車能夠精準運營；車載通信子系統為車載PIS、地面PIS、列車CCTV視頻監控和車體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標準的無線局域網技術，但是由于WLAN存在安全性能低和并發線程少等缺點，系統數據傳輸效率極低，并且傳輸過程中容易受到干擾，致使故障頻繁發生。

1當前PIS架構

基于無線局域網構建的PIS組成如圖1所示。當前基于無線局域網的PIS在實現無線網絡覆蓋和通信時，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定的信息交互，能夠讓用戶在人口密集的環境中仍保持通信暢通，以及能夠讓用戶在移動到網絡邊緣位置時仍能連接到網絡，均離不開以下幾個關鍵技術的支撐。一是利用網絡功能虛擬化(NFV)技術和軟件定義網絡(SDN)技術，將網絡重新架構成為低成本、高效率和低時延的新型網絡；二是利用大規模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、處理和存儲的數據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絡架構，具備靈活的控制轉發能力，將原來核心網絡繁重的業務和計算下放到網絡邊緣，多輸入多輸出天線陣列和MEC技術承擔起接入層高流量、低時延的業務需求，三大技術共同實現智慧交通的革命性飛躍。

2.1LTE-A技術構建PIS核心網絡

LTE-A技術是一種以LTE技術為基礎升級演進的系統融合性更高、設備初期投入更小的新技術。基于以上優點，在城市軌道交通PIS無線網絡中可選擇此技術進行組網，構建一套時延低、運行可靠和穩定性好的通信系統。隨著新技術SDN和NFV的發展及使用，網絡硬件系統被重新定義，不同于傳統的核心網絡硬件設備需要使用專門AC的硬件配置方式，現在只需要使用通用設備配置一個可供通信網絡運行的基礎平臺即可。這一硬件系統配置方式的變革，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，可根據實際需求在任意位置布置，實現按需配置和資源利用率最大化。基于LTE-A技術組件的車地無線系統憑借1Gbit/s的高接入速率，使得在實際運行過程中，系統時延不超過1ms，運行人員對此基本無感。

2.2大規模MIMO增強技術提供接入層無線覆蓋網絡

大規模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，在無線局域網中天線采用1個天線頭通信，而在5G網絡中，大規模天線陣列擁有256個天線頭，大大提升了單位網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絡的覆蓋范圍。

2.3MEC技術支撐業務接入與存儲

當前，PIS在實際運行中通常高頻率出現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數據傳輸速率慢，控制中心在接收并上傳圖像和視頻的過程中常常出現信息重傳和分組丟失的現象，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生。為了解決這類問題，在車載通信系統中引入MEC技術。MEC可利用無線接入網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、處理和存儲的數據及視頻更加靠近用戶，大大提高數據處理效率。PIS引入MEC技術之后，帶寬限制取消，數據回傳壓力釋放，網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運行和控制更加穩定、高效、安全。車載閉路電視、車站通信子系統、乘客信息系統、其它管理運維系統之間每時每刻都在進行著巨大的數據傳輸，5G技術的應用將打破這一瓶頸，使發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