董允凱

（天津市郵電設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 天津 300384）

0 引言

5G（第五代通信移動技術(shù)）的主要特點(diǎn)為大連接、低時延、高速度，屬于新一代帶寬移動通信技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施［1］。 在城市軌道交通中，列車運(yùn)行速度比較快，并且能夠在高大、地下的建筑物之間通行，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信已經(jīng)無法使通信實(shí)際需求得到滿足，會出現(xiàn)安全水平低、通信不穩(wěn)定等問題。 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)被廣泛普及到生活中，智慧地鐵建設(shè)的發(fā)展、設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)不斷更新，車地之間傳輸?shù)男畔⒘坎粩嘣鲩L。 為了使無線網(wǎng)絡(luò)滿足承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求，要對建設(shè)成本和周期進(jìn)行考慮，因此本文提出了基于5G 通信技術(shù)的多網(wǎng)融合傳輸方案。

1 多模多頻通信技術(shù)

在地鐵無線通信網(wǎng)絡(luò)中使用5G 通信技術(shù)，能夠使地下環(huán)境中的無線通信信號質(zhì)量得到提高，因此，多模多頻通信技術(shù)尤為重要。 多模多頻通信技術(shù)能夠以當(dāng)前無線信道質(zhì)量選擇無線網(wǎng)絡(luò)，使用動態(tài)路由對無線數(shù)據(jù)傳輸可靠性、高速性進(jìn)行保證。 在多網(wǎng)絡(luò)模式中，多模多頻通信技術(shù)能夠?qū)Ξ?dāng)前可接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行確定。 首先，針對全部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)連接請求，對設(shè)定時間內(nèi)連接的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)定。 其次，評估連接網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)和篩選算法對最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)選擇，并且創(chuàng)建連接。 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評價指標(biāo)參數(shù)主要包括數(shù)據(jù)吞吐量、時延、帶寬、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、利用率等，能夠選擇某一種或者多種進(jìn)行評價。 為了能夠選擇信號質(zhì)量良好的網(wǎng)絡(luò)，要計(jì)算可用網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量指標(biāo)，從而構(gòu)成質(zhì)量決策矩陣，實(shí)現(xiàn)決策矩陣的歸一化處理，以歸一化決策矩陣和數(shù)據(jù)類型將最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。決策矩陣參數(shù)包括時延、帶寬、利用率、數(shù)據(jù)吞吐量等，歸一化處理的過程為熵權(quán)算法、標(biāo)準(zhǔn)化處理、歸一化處理。對于待發(fā)送數(shù)據(jù)的類型，利用歸一化矩陣對最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行確定。 根據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)的類型制定相應(yīng)的發(fā)送方案，隨后對理想發(fā)送方案和網(wǎng)絡(luò)權(quán)重向量之間的歐式距離進(jìn)行計(jì)算，得出理想方案最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的貼合度，使網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)之間的匹配度得到提高。 高效合理化地應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)資源，通過以上多模多頻通信技術(shù)，能夠根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量對合適接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行選擇，保證無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。 相對于4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)的帶寬比較高，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，需要優(yōu)先使用5G 網(wǎng)絡(luò)。 5G 通信技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢包括。

（1）提高頻帶的操縱效果，通過設(shè)備到設(shè)備（Deviceto-Device，D2D）通信資源二次應(yīng)用頻譜，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。 使用D2D 通信方式，便于不同終端數(shù)據(jù)的傳輸，不需要基站轉(zhuǎn)化，使通信成本節(jié)約。

（2）改善社區(qū)覆蓋范圍，用戶信號的強(qiáng)弱程度與地理位置相關(guān)，基站用戶的信號強(qiáng)度比較高，用戶在社區(qū)外圍接收信號的時候能夠擴(kuò)大信號覆蓋范圍，保證社區(qū)使用者的通信體驗(yàn)。

（3）使應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大，運(yùn)行通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備支撐比較高，在接入網(wǎng)或者中心網(wǎng)通信設(shè)備出現(xiàn)問題的時候，將整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行停止，通信能夠不通過基站傳輸數(shù)據(jù)，使設(shè)備依托度得到提高。 通過蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，不依賴現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)，在電源或者系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，通信工作正常。

（4）能夠控制擾亂，和其他短間距通信技術(shù)對比，本文通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要特點(diǎn)就是避免防控，對通信質(zhì)量進(jìn)行保證。 在授權(quán)頻率段進(jìn)行工作，從而保證通信安全和質(zhì)量，提高使用者的體驗(yàn)［2］。

2 地鐵多網(wǎng)絡(luò)融合傳輸方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

城市地鐵無線網(wǎng)絡(luò)主要由車站、控制中心、車載、車輛段等構(gòu)成，圖1 為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 線路區(qū)間隧道和控制中心使用長期演進(jìn)（long term evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)，在車輛段、車站新增5G 基站、邊緣節(jié)點(diǎn)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在列車中設(shè)置5G 有源天線，構(gòu)成5G 大帶寬高速率的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，能夠覆蓋列車、車輛段和車站，使數(shù)據(jù)傳輸與處理能力得到提高。 5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，從而創(chuàng)建協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)，使既有控制中心集中式網(wǎng)絡(luò)劃分為二級分布式網(wǎng)絡(luò)，將邊緣節(jié)點(diǎn)服務(wù)器在車站設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與預(yù)處理［3］。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 使用不同業(yè)務(wù)分離承載

基于LTE 標(biāo)準(zhǔn)與5G 移動通信技術(shù)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸方案能夠在車輛段、車站與停車站之間實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，線路區(qū)間的車地?zé)o線通信能夠根據(jù)LTE 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。 針對實(shí)時性高、數(shù)據(jù)量小的車地傳輸信息，利用既有LTE 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳輸，對車地實(shí)時通信業(yè)務(wù)進(jìn)行保證。 針對實(shí)時性要求低、數(shù)據(jù)量的信息，在列車到車輛段、車站的時候，能夠和5G 網(wǎng)絡(luò)自動連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使信息傳輸速率與帶寬得到提高，對信息傳輸可靠性與時效性進(jìn)行保證。 比如產(chǎn)品形象系統(tǒng)（product impression system，PIS）設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)架構(gòu)，包括業(yè)務(wù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲層、終端展現(xiàn)層。 PIS 業(yè)務(wù)服務(wù)層通過存儲管理、綜合信息管理和媒體編輯的平臺實(shí)現(xiàn)，通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)包括LTE 網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時性與通信數(shù)據(jù)量的大小需求，分離大數(shù)據(jù)量的傳輸業(yè)務(wù)，從而協(xié)同傳輸承載業(yè)務(wù)。

針對消息發(fā)布、設(shè)備控制、狀態(tài)上報、實(shí)時監(jiān)視等實(shí)時性比較高的業(yè)務(wù)，使用基于LTE 標(biāo)準(zhǔn)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)承載。 針對錄像回傳、在線廣告、高清多媒體等實(shí)時性低、數(shù)據(jù)量大的業(yè)務(wù)，利用5G 移動數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，通過5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬在線分發(fā)車載高清播放視頻［4］。

2.3 降低追蹤列車的間隔時間

追蹤列車間隔時間能夠避免列車相互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，間隔時間長短能夠?qū)⒘熊嚳刂葡到y(tǒng)運(yùn)行效率與性能反映出來。 根據(jù)無線通信能夠降低追蹤間隔，列車自動控制系統(tǒng)會對通信延遲造成影響。 在列車對列車位置報告接收的時候，會改變列車的位置，導(dǎo)致控制系統(tǒng)、列車和地面設(shè)備的信息不同步，影響列車運(yùn)行可靠性、安全性。 一般在通信延時為0 的時候，追蹤間隔設(shè)置為33.06 s，列車速率最優(yōu)為53 km/h，增加追蹤間隔時間。 在延時為1 s 的時候，追蹤間隔為52.43±0.14 s，降低了最優(yōu)列車速率。 使用5G 技術(shù)之后，就能夠降低通信延時不超過1 ms。 也就是說，能夠縮短追蹤時長，提高列車的運(yùn)行速率，使運(yùn)行系統(tǒng)安全性和可靠性得到提高［5］。

2.4 端到端通信技術(shù)

在軌道線路設(shè)計(jì)過程中，現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩條相互沒有交集的車地通信網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成冗余網(wǎng)絡(luò)，避免列車運(yùn)行過程中由于車軌兩旁網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致停運(yùn)或者降速。 雖然此方法有效，但是要求在車軌兩旁建設(shè)大量設(shè)施，使建設(shè)成本得到增加。

首先，使用5G 技術(shù)的端到端通信能夠在軌道故障的時候，實(shí)現(xiàn)列車的直接通信，對各自位置進(jìn)行明確，并且及時調(diào)整，對行車安全進(jìn)行保證。 其次，端到端技術(shù)能夠使傳統(tǒng)列車首尾車載控制器通信方式進(jìn)行改變，不需要鋪設(shè)線路，利用無線方式通信，從而節(jié)約通信的響應(yīng)時間，使維護(hù)與建設(shè)成本得到降低。

2.5 大規(guī)模天線陣列

將5G 通信技術(shù)應(yīng)用在大規(guī)模天線陣列中，能夠使同頻率資源實(shí)現(xiàn)多條信號的傳輸，充分利用稀缺頻帶資源使網(wǎng)絡(luò)容量得到提高。 大規(guī)模天線陣列能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通系統(tǒng)的設(shè)備接入，并且波束賦形存在方向性和抗干擾能力，使列車運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性增加，還能夠輔助軌跡追蹤、車輛定位等［6］。

3 5G 通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測試

3.1 QoS 測試

對車載CCTV、智能運(yùn)維數(shù)據(jù)、信號大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)等，5G 網(wǎng)絡(luò)時隙配比為7 ∶3。 以業(yè)務(wù)特征需求，劃分不同優(yōu)先級等級實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）測試，列車自動控制（communication based train control system，CBTC）業(yè)務(wù)的QoS 設(shè)置為3，信號大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS 設(shè)置為6，設(shè)置軌旁綜合監(jiān)控與車站內(nèi)的5G 傳輸數(shù)據(jù)普通業(yè)務(wù)用戶QoS 為8，測試業(yè)務(wù)上下行資源搶占情況［7］。

3.2 5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸能力測試

基于優(yōu)先級測試實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)并行運(yùn)行測試，表1 為實(shí)際傳輸能力測試數(shù)據(jù)，與不同覆蓋方式對比，最小的傳輸速率超過100 Mbps，能夠使城市軌道交通不同業(yè)務(wù)的帶寬需求得到滿足［8］。

表1 實(shí)際傳輸能力測試數(shù)據(jù)

3.3 網(wǎng)絡(luò)切頻測試

對城市軌道交通占據(jù)部分5G 頻譜資源進(jìn)行測試，設(shè)置不同帶寬傳輸性能的測試。 在20 MHz 帶寬時，上下行傳輸速率分別為50 Mbps 和134 Mbps，時延為25 ms，驗(yàn)證結(jié)果表示要比LTE 系統(tǒng)優(yōu)秀［9］。

3.4 信號車的通信業(yè)務(wù)測試

以信號CBTC 業(yè)務(wù)時延與高可靠性的特點(diǎn)，測試過程中的重點(diǎn)為5G 丟包率和傳輸時延，在速率為20 Mbps 以內(nèi)時，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)動態(tài)并行測試。 在5 Mbps 以內(nèi)的上下行傳輸過程中并沒有發(fā)生丟包的情況，平均傳輸時延為10 ms 左右，最小時延為3 ms 左右，能夠滿足實(shí)際需求。

基于信號大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維系統(tǒng)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，在測試過程中重視5G 傳輸大帶寬特性，在短時間內(nèi)能夠精準(zhǔn)傳遞日志信息和運(yùn)維數(shù)據(jù)。 實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的并行運(yùn)行測試，測得信號大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)的上下行速率最高為180 Mbps、300 Mbps，能夠使信號大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)需求得到滿足。 綜合分析，大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)能夠提高5G 系統(tǒng)傳輸性能，能夠使城市軌道交通業(yè)務(wù)對通信傳輸?shù)男枨蟮玫綕M足［10］。

3.5 智能自助機(jī)設(shè)計(jì)

智慧化的地鐵站，大量的乘客服務(wù)都交由智能自助機(jī)來提供。 智能自助機(jī)不僅有數(shù)量眾多的智能客服機(jī)器人、智能購票、智能安防終端等不同類型的設(shè)備，而且使用頻率非常高，早晚交通高峰時更是極端的考驗(yàn)。 在此應(yīng)用場景之下，對車站的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了極高要求。 為保障高密無線聯(lián)接，可以采用車站專用全場景Wi-Fi 6 AP 提供支撐［11-12］。 產(chǎn)品基于三射頻設(shè)計(jì)，最大可達(dá)三個5G 射頻，憑借其最新的Wi-Fi 6 技術(shù)，整體接入速率較Wi-Fi 5提升38%，單個AP 支持終端數(shù)提升4 倍。 高寬帶接入和高并發(fā)能力，為地鐵的多類型、多數(shù)量“智能化設(shè)備”提供高速、穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通道。

在地鐵車站里，不同的“智能化設(shè)備”往往歸屬不同的專業(yè)系統(tǒng)，為保證業(yè)務(wù)安全性，需要對不同設(shè)備進(jìn)行業(yè)務(wù)安全隔離。 同時，地鐵車站作為公共場合，對無線網(wǎng)絡(luò)的安全防御也有較高要求。 因此，提出以下方案：

（1）信息完整，通過無線局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層面的新一代加密協(xié)議（Wi-Fi protected access 3 ，WPA3）加密，保證數(shù)據(jù)的私密性。

（2）授權(quán)訪問，提供接入認(rèn)證＋認(rèn)證授權(quán)，保證在無線接入安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)備的業(yè)務(wù)隔離。

（3）安全管理，基于應(yīng)用層的安全檢測功能，同時將無線與安全聯(lián)動，把有風(fēng)險設(shè)備阻斷在網(wǎng)絡(luò)之外。

（4） 安全防御，基于無線入侵檢測系統(tǒng)（wireless intrusion detection system，WIDS）/無線入侵防御系統(tǒng)（wireless intrusion prevention system，WIPS）提供無線檢測和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊。

4 結(jié)束語

在軌道交通業(yè)務(wù)中應(yīng)用5G 技術(shù)，目前還處于初步探索階段，產(chǎn)業(yè)鏈、5G 應(yīng)用場景還在逐漸孵化發(fā)展。 本文研究結(jié)果顯示，5G 通信技術(shù)的傳輸可靠性、帶寬、時延等滿足城市軌道交通業(yè)務(wù)對于傳輸系統(tǒng)的需求。 針對軌道交通的安全性問題，在未來發(fā)展過程中要和5G 技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行不斷的研究和探索。