基于5G 技术的城市轨道交通通信网络设计与性能优化

马立杰

（南宁轨道交通运营有限公司，广西 南宁 530000）

0 引 言

随着城市化的快速发展和公共交通需求的增加，城市轨道交通系统的通信需求日益增加。在这种背景下，5G 技术为城市轨道交通带来了前所未有的机遇和变革。一方面，5G 技术提供了更高的数据传输速率和低延迟，这对于实时监控、智能调度以及乘客信息服务等关键功能至关重要[1]。另一方面，5G 的高可靠性和广覆盖性使得城市轨道交通系统可以实现更加稳定和连续的通信，从而提高运营效率和安全性[2]。文章旨在探索和设计基于5G 技术的城市轨道交通通信网络，以实现更高的效率和性能。通过对通信网络架构的优化和创新，可以有效解决现有网络中存在的各种挑战与限制。

1 城市轨道交通通信网络的设计方案

1.1 城市轨道交通的通信需求分析

在城市轨道交通中，通信网络设计必须针对不同场景的特殊需求展开深入分析。首先，在客流密集区域，高峰时段和特定站点的庞大乘客需求对通信网络提出了高要求。网络应能支持高密度连接和大流量数据传输，确保在拥挤的环境中依然能够维持稳定的连接[3]。其次，实时监控方面，列车运行状态、车站设备及安全系统的迅速响应等，要求通信系统具有低延迟和高可靠性。最后，乘客信息服务的快速、准确传输是提高用户体验的关键。

在特殊场景中，如隧道与高楼区域，网络设计须考虑信号覆盖和传输质量的特殊要求。同时，对于高速移动的列车，通信系统应具备无缝切换和移动性管理，以确保在运行过程中保持通信的连续性和稳定性[4]。

1.2 5G 网络架构设计

基于5G 的城市轨道交通通信网络架构涵盖了控制中心、车站、车辆段停车场以及列车等4 个关键部分，如图1 所示。在这一新架构中，控制中心与车站、车辆段停车场仍然采用现有的长期演进（Long-Term Evolution，LTE）网络，并在车站、车辆段停车场引入了5G 基站、边缘网络设备以及边缘节点服务器[5]。此外，列车上还配备了车载5G 有源天线，形成了承载乘客服务业务的5G 大带宽高速率车地无线网络。这一网络设计能够覆盖整个城市的轨道交通系统，包括车站、车辆段停车场以及列车本身，从而显著提升业务应用系统在5G 网络中的数据传输和处理能力。

图1 5G 网络架构设计

在整体架构中，5G 网络与现有基于LTE 标准的车地无线网络协同传输并互补。具体来说，通过在车站、车辆段停车场新增5G 基站、边缘网络设备以及边缘节点服务器，在列车上加装车载5G 有源天线，实现了无缝覆盖和大带宽通信的基础。这不仅为乘客提供了更高速的网络服务，还为车站部位的边缘节点服务、视频信息传输以及大规模数据处理等应用提供了强大的支持。这种协同传输和互补的网络结构，使得城市轨道交通的控制中心从原有的集中式网络演变为“中心-车”二级分布式网络。在车站等位置，边缘节点服务器负责数据存储和预处理，进一步提高了数据传输和处理的效率。

1.3 基于5G 和LTE 的车地数据传输设计

在移动通信技术的进步和协同传输网络的应用下，为了提高车地数据传输效率，设计以下数据传输方案。

1.3.1 网络架构和基础设施设计

5G 和LTE 协同传输网络是利用5G 网络和现有LTE 标准相结合，形成协同传输网络。在车站、车辆段停车场等关键位置布置5G 基站和LTE 设备，以实现整个城市轨道交通系统的全面覆盖。在车站设立边缘节点服务器，作为本地数据处理和存储的中心，能够有效处理车站内的媒体数据管理和下载服务，减轻核心网络的负载，降低传输时延。

1.3.2 车地数据传输流程

车地数据传输流程如图2 所示，系统将高清视频传输和相关数据的计算功能从中心控制中心迁移到车站边缘节点服务器。这意味着在车站处理高清视频流，减少了对核心网络的依赖，提高了传输效率。

图2 车地数据传输流程

边缘节点服务器负责本地数据的存储与计算，避免了不必要的数据传输到中心，提高了数据响应速度。这对媒体管理与下载服务等需要实时性和高带宽的应用领域尤为重要。

1.3.3 媒体管理与下载服务的优化

边缘节点服务器能够实时管理车站内的媒体数据，包括高清视频、实时监控等。这为相关服务提供了更迅速和高效的响应。利用边缘节点服务器，乘客可以在车站内快速下载媒体内容，无须等待大量数据从中心传输，提升了用户体验。

1.3.4 安全性与可靠性

一方面，强化边缘节点服务器的安全机制，包括身份认证、数据加密等，以确保媒体数据传输的安全性。另一方面，在边缘节点服务器上设置本地数据冗余备份，提高数据的可靠性，即使在某些情况下发生连接中断，也能保证数据的完整性。

2 车地网络通信关键技术

2.1 切片技术

网络切片是5G 网络中的一项重要技术，将一个物理网络划分为多个逻辑上独立、独享资源的虚拟网络切片，每个切片可以根据具体应用的需求进行定制，以提供特定的服务质量和性能。假设有N个切片，每个切片i（1 ≤i≤N）有特定的带宽需求（Bi）和延迟要求（Di）。切片算法的目标是最大化资源利用率，同时满足各个切片的性能需求。优化问题被抽象为

式中：F(B,R)表示目标函数。

目标函数的约束条件为

这个条件表示对于每个切片i，其延迟Di应该小于或等于最大允许延迟Dmax，从而确保每个切片的延迟要求得到满足。这个优化旨在以最佳方式分配可用资源，同时确保每个网络切片的延迟要求得到满足，具体算法步骤如下。

第一步，初始化。为每个切片分配初始带宽Ri0，表示算法开始时，为每个网络切片分配一个初始的带宽值。

第二步，迭代优化。使用迭代优化的方式来调整每个切片的带宽分配，迭代的更新规则为

式中：Ri(t+1)为第t+1 次迭代后切片i分配的带宽；Bi为切片i的带宽需求；Dit为第t次迭代后的延迟；λ为权衡带宽和延迟的调整参数。

第三步，检查约束。在每次迭代后，检查每个切片的延迟是否满足约束条件Di≤Dmax。这是为了确保带宽分配不会导致延迟超过预定的最大延迟限制。

第四步，收敛判断。在每次迭代后，检查是否满足停止条件，如迭代次数达到预定值或带宽分配的变化小于设定的阈值。如果满足停止条件，则算法停止迭代。

2.2 切片管理和调度算法

在切片管理和调度算法中，初始化阶段需要为每个切片分配一个初始调度权重，以反映它的初始优先级。这个权重的设定可以基于先验知识、业务需求或系统状态。初始时，所有切片的权重相对均衡，为后续调度奠定基础。随后，采用基于权重的调度策略。根据初始权重调度各个切片，确保在有限的资源下较高权重的切片具有更高的优先级。这种按权重调度的方式可以采用不同的调度策略，如轮询或最短作业优先，以灵活满足各切片的服务需求。

算法的关键在于动态调整权重。通过监控每个切片的实际使用情况，包括带宽利用率和延迟等性能指标，系统能够实时做出反馈调整。例如，如果某个切片的需求较大或其性能需求未得到满足，则可以增加其权重，提高其调度优先级，以确保获得更多服务资源。

2.3 移动性支持和无缝切换

在5G 车地通信中，移动性支持和无缝切换是确保通信系统在高速行驶列车环境中稳健运行的关键因素。车地通信系统必须能够应对高速行驶的列车，确保通信系统支持设备的无缝切换和移动性管理。高速移动性支持涉及有效处理列车在运行过程中的位置变化、信号强度波动等因素。

为了确保列车通信传输从一个基站切换到另一个基站时，能够让信息传输平滑和无缝，需要采用优化的基站切换机制。基站切换指当设备从一个基站覆盖区域移动到另一个基站时，通信系统能够平稳地将设备的连接从一个基站切换到另一个基站。

优化的基站切换机制应考虑以下方面：一是切换准备阶段，在列车进入新基站的覆盖范围前，系统应提前做好准备，以确保切换的顺利进行；二是切换执行阶段，在切换过程中，确保数据传输的连续性，最小化切换引起的连接中断时间；三是切换决策，基于列车当前位置、信号强度、网络负载等因素，智能地做出切换决策，以提供最佳的通信性能。

通过优化基站切换机制，5G 车地通信系统可以在高速行驶的场景中保持持续的连接性，确保乘客和系统设备始终保持稳定的通信状态。

3 结 论

文章详细探讨了5G 网络架构的设计，通过引入网络切片技术、高可靠性通信及边缘计算，提高了城市轨道交通通信网络的整体性能。针对高速行驶的列车，提出了有效的移动性支持和无缝切换的优化方案。本文的研究为城市轨道交通通信网络的5G 技术应用提供了全面的设计方案和性能优化策略，为未来城市轨道交通系统的通信技术发展提供了有益的参考。