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5G移动通信技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用

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豆小远

摘要：城市轨道交通通信质量，直接影响城市轨道交通运行的稳定与安全，加强城市轨道交通通信系统建设，已成为城市轨道交通事业现代化建设与发展关注的重点。基于此，本文分析了5G移动通信技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用。

关键词：5G移动通信技术;城市轨道;无线通信系统;应用

一、5G技术概述

随着移动通信需求的不断增长，新一代移动通信系统—5G将在未来几年内逐渐商用。届时，频谱利用率和能效将有较大提升，使得在传输速率和资源利用率会有效提高。另外，5G将传输延时、可靠性、安全性、覆盖能力等方面获得较大的性能提升，应用领域也将进一步扩展，从而促进未来万物互联目标的实现。

目前5G将采用多种新技术和新方法改善网络性能、扩展网络功能，如高频段数据通信、大规模阵列天线、新型多址技术、新型多载波技术、全双工、D2D通信、密集网络、新型网络构架等技术，通过这些技术实现5G网络的飞跃。还增加了D2D通信功能，可以减轻基站负担、减小通信时延，与蜂窝通信相比，D2D通信仅占一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用D2D通信可以减少传输功率、节约能耗。

二、5G通信技术

5G通信技术与4G相比要求更高，如5G通信技术包含正交频分复用技术，能够叠加通信信号，实现信号传输，满足用户对多路传输的需求，提升5G通信系统的接入能力。此外，通过有效配置可拓展正交频分复用技术间隔参数，构建超密集组网，不断拓展通信容量。5G通信技术中，能够实现不同技术间的有效整合，不同技术的利用，满足高速率通信需求，降低信息产业、通信技术产业耗能，实现我国社会绿色稳定发展。

三、 5G通信技术在车地无线通信系统中的应用研究

5G通信技术具有高可靠、低时延的技术特点，若将5G通信技术应用在城市轨道交通的车地无线通信系统中，将能较好解决目前城市轨道交通车地无线系统中普遍存在的易受干扰、时延长、故障频繁等问题。5G网络的数据流量将会是4G网络的1 000倍，要实现这样的目标，离不开以下几个关键技术：新型网络构架技术，运用NFV（网络功能虚拟化）和SDN（软件定义网络）技术实现网络的扁平化，构建低成本、高效率、低时延的主干网络;MIMO大规模天线技术，使4G时代至多8端口的天线从二维扩展到三维，实现高阶多输入多输出的大规模天线阵列，频谱利用率提高10倍以上;MEC技术是5G的另一个关键技术，将网络应用业务下沉到无线接入侧，用户感受时延缩短至ms级，充分体现了5G网络的“快”。

表1 现从5G通信技术中，选取LTE-A（长期演进-增强型）、MIMO增强技术、MEC等关键技术，分别从核心层、接入层及应用层来探讨5G通信技术在城市轨道交通的车地无线通信系统上的应用解决方案。其网络架构如图2所示，在网络构架方面简化核心网络结构，采用通用硬件构建核心网络，提供灵活高效的控制转发功能;同时将原来核心网络的业务存储和计算能力从网络中心简化下沉至网络边缘;在无线接入运用Massive MIMO（大规模多输入多输出）天线和MEC技术，满足接入层高流量、低时延的业务要求，实现整体性能的革命性飞跃。

1.LTE-A技术构建车地无线通信系统核心网络。5G通信技术中，基于后4G LTE演进的LTE-A技术具有初期投入小、融合性高的优点，可选用此技术作为城市轨道交通车地无线核心网的组网技术，构建高可靠、低时延的车地无线通信系统。

由于NFV和SDN等新技术的引入，核心层的网络设备将不再是专用的AC，而是通用硬件设备构建的基础设施平台，解决AC设备成本高、资源配置效率低的问题。通用的核心网络硬件设备可以方便快捷地部署在网络中任意位置，实现资源的按需分配和动态延伸，以达到最优的效率。

2.2MIMO增强技术实现接入层的大规模高密度的无线网络覆盖。MIMO技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，Massive MIMO是MIMO的增强技术，基于MIMO增强技术的大规模无线天线阵列，将可应用于车地无线的车站接入层，可10倍地提高频谱效率和系统容量。基于WLAN制式的车地无线系统主要是在车站及运行列车上通过部署轨旁AP、小规模天线及车载AP实现车站层面车-地之间的无线覆盖与通信，为车站的车载PIS、车载CCTV等终端设备提供无线接入。由于城市轨道交通的车地无线系统的高速移动性，容易出现AP连接中断、系统信息重传的现象，严重时会导致通信中断，造成故障。基于5G技术的车地无线系统拟采用小基站+大规模天线技术，实现车站层面的无线接入，1个车站内将不会出现AP切换、通信中断等现象。由于1个车站内可以部署成百上千个天线，极大提升了频谱效率，可对车站进行更为全面的覆盖，同时也大大降低了干扰，能显著提升车站接入层的通信体验。

3.MEC技术的业务接入与存储下沉到车站层面。MEC的定义是：在移动网边缘提供IT（信息技术）服务环境和云计算能力，即将网络业务“下沉”到更接近用户的无线接入网侧，从而使用户感受到的时延减小、网络拥塞被显著控制，可以引进更多的业务应用。目前，城市轨道交通PIS车地无线系统在实际应用中普遍存在的故障是：车载CCTV的图像无法实时上传至控制中心调度员，也就无法实现调度员对车载CCTV的监视和控制。其主要原因是WLAN系统数据传输速度慢，视频图像要上传至控制中心，在接入与上传过程中容易出现信息重传、信息丢包等现象，同时控制中心的服务器处理能力也有限，两者叠加将导致通信的中断、故障的产生。解决此问题的途径就是：一方面提高接入层的接入效率，在车站层面通过Massive MIMO天线技术，成百上千地部署天线，将有效解决此问题;同时在每个车站部署1台边缘计算服务器，将原在控制中心解决的视频传送与存储下沉到接入层，将可有效地解地决此问题。在城市轨道交通车地无线系统的每个车站接入层各设置1台移动边缘计算服务器，各车站的车载CCTV图像以及车载紧急文本下发等功能均可在车站边缘计算服务器上实现。这就提高了处理效率，能够有效解决此类故障。另外，移动边缘计算服务器的加入也为未来CCTV系统车站摄像头的本地监控与存储提供了技术可能，并使车站的无线接入层面还可接入更多的业务应用终端，甚至还可以为车站运维人员配置专用的移动运维终端，其能方便迅捷地完成车站各个监控设备的快速巡查和故障处理，使城市轨道交通的车站运维进入物联网技术时代，实现智慧轨道交通的运维管理。

5G通信技术的发展，为人们的生活和工作等提供很多便利，对城市轨道交通发展产生一定影响。为促使城市轨道交通高效发展，需要充分利用5G通信技术的优势，保障列车运行的安全性与稳定性。

参考文献：

[1]张建.LTE技术在城市轨道交通车地通信中的应用[J].建材与装饰，2019（17）：283-284.

[2]高瑞.5G移動通信技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用[J].城市轨道交通研究，2018，21（S2）：61-64.

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