基于5G无线通信技术的车地无线网络传输研究

兰劭晖

（联通数字科技有限公司，北京 100000）

0 引 言

车地无线网络是城市轨道交通的重要通信设施，能够为车载闭路电视监测系统（Closed Circuit Television，CCTV）、乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）等提供通信服务。随着信息技术的兴起，传统的通信模式发生了翻天覆地的变化。5G无线通信技术的问世使我国的无线通信格局发生了重大变化，实时有效的通信是城市轨道交通顺利运行的重要保障。传统的信息传输存在传输效率低、传输时延高、传输稳定性差等问题，因此采用5G无线通信技术来设计城市轨道交通的信息传输系统，充分发挥其高速率、大容量、低延时等作用，实现更好的信息传输，从而推动城市轨道交通的发展。

1 城市轨道交通发展对车地无线网络提出的新要求

目前，城市轨道交通地面的无线通信服务包括车载实时监控、视频流发布、运营信息发布以及设备状态监测等。随着我国铁路运输服务的智能化和自动化水平不断提高，对车载视频内容的在线分发、监控录像、自动记录以及自动回传等提出了新的要求。

车载PIS将视频流、高清视频文件、列车运行数据等传输给列车播控终端，其中视频业务的数据传输需要更高的实时性。多媒体节目的信息量很大，受限于火车上的车地无线网络的频宽，其播放速度很慢。为了满足智能业务的需求，需要将车载PIS的高清多媒体内容实时快速发布到网上。

车载监视器是对机车驾驶室和车厢内的状况进行监视，所传递的资料以影像文件为主，记录的内容有车上的报警记录、运行记录、监控操作记录等。基于长期演进（Long Term Evolution，LTE）协议的车地无线网络带宽较低，在数据传送和访问时会发生数据丢失，为满足全自动系统的发展需要，需要实现车载录像和车载日志的自动实时回传。

2 城市轨道交通中5G无线通信技术应用面临的问题

5G无线通信网具有较高的频率，在发送数据时会产生较大的损耗，导致相同长度的电缆在轨道上的覆盖范围会变小。由于列车在轨道交通中行驶得很快，为了确保信号的平稳转换，需要在不同的转接点上设置较多的交接点。目前，5G网络中的小型基站采用更多的扩频天线，将会增加系统的投资。当前，我国铁路运输行业还没有确定5G专网的范围，需要在公共网络中建立专门的5G无线通信网络，5G公共网络中所携带的信息可能受到黑客的侵害，特别是涉及公共安全的敏感信息[1]。

3 车地无线网络协同传输方案

将5G将与现有LTE网融合，实现车地无线网的协作。基于车站、车辆段以及停车场的大带宽需求部署5G网络，提供高速率无线通信网络覆盖，满足视频等数据量较大的信息传送业务的数据传输速率要求。

地铁地面无线网由控制中心、车站、车辆段、停车场以及车载模块组成。控制室及线路区间的通道仍然采用现有LTE技术，在车站、车辆段、停车场增设5G基站、边缘网络服务器，在列车上安装5G有源天线，由此构成5G大频段、高速率的车地无线网络，覆盖车站、车辆段、停车场、列车，提高数据传送及处理能力。将5G无线通信技术与现有车地无线网络融合，建立一个协作的传送网，将现有的集中控制中心变成一个2级分布式网络。在站点配置一个边缘节点服务器，基于视频信息传送和大数据处理应用，通过边缘节点服务器进行数据存储和预处理[2]。车地无线协同传输网络架构如图1所示。

图1 车地无线协同传输网络架构

车载PIS架构主要包含数据存储层、业务服务层以及终端展示层，其中业务服务层主要包括媒体编辑发布平台、综合信息管理平台、存储管理平台，如图2所示。

图2 车载PIS架构

根据数据的容量和数据的实时性需求，将大容量的图像和实时监控服务分开，以满足5G网络承载服务和既有LTE网络载体服务的协作传送。通过5G无线通信技术，在车站、停车场、车辆段与火车间进行移动通信，发布高清电视节目。针对列车的录影影像和记录资料，可以在列车抵达站点或车场时自行下载，经由局域网将其上传到中央云端[3]。线路监控中心的高清晰度媒体预分配业务平台向站点的终端提供高清晰度的视频，基于5G无线通信技术的高带宽、高速率特性，将大大提高广播电视节目的播放速度和播放质量[4,5]。采用数据缓冲技术将车上要回发的视频和记录资料保存到站点边沿节点上的缓存装置中。采用可视化的接口对各种类型的存储内容进行统一管理，在出现异常时及时报警，从而大大提高了运行管理的灵活性。

4 车地无线网络协同传输的关键技术

4.1 MIMO技术

多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是通过在发射端和接收端配置高阶大型化天线，在相同带宽的情况下提升整个系统的通信能力，从而提高接入层的带宽利用率和接口质量[6-9]。在5G无线通信技术的基础上，利用小型基站扩大规模化天线模型，充分利用无线网络带宽，提高车辆和地面之间的通信质量，实现车地无线业务数据的快速传送。

4.2 MEC技术

移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）是提高5G网络服务性能的一种重要手段，通过在数据收集点附近设置一个边界服务器，将需要实时处理的数据转移到边缘节点中，经过初步筛选、分析、融合后将数据传输到中央云，从而实现云间协作[10]。边缘节点具有较低的延迟和较快的业务响应速度，可以有效改善网络传输性能。此外，边缘节点上保存了用户隐私信息、敏感安全信息、车站内部业务信息等，可以有效防止信息在传递过程中被恶意盗用或被篡夺，从而提高信息的安全性。

5 结 论

充分发挥5G无线通信技术大带宽、高速率、高可靠性等优点，基于已有LTE车地无线网络体系结构，设计满足大带宽、高速率需求的车地无线网络协作传输方案，实现车载多媒体在线分发、车载视频下载以及日志自动回传等功能，提高数据的时效性。将5G无线通信技术应用于城市轨道交通干线的地面无线网，能够有效提升车地无线网的承载能力和传输速度，从而提供更加便捷和智能化的服务。