基于5G移动通信技术的城市轨道交通车地无线网络协同传输方案

赵伟慧，汪晓臣，孙同庆，黄志威，付 思

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

车地无线网络是城市轨道交通的关键通信设施，为车载乘客信息系统（PIS，Passenger Information System）和车载闭路电视监控系统（CCTV，Closed Circuit Television）等业务提供通信服务，其性能直接影响运营效率和乘客体验[1]。传统的城市轨道交通车地无线网络主要采用无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）技术[2]，由于处理能力和带宽的限制，容易出现传输中断、拥塞、丢包等现象，导致紧急信息无法及时发布、监控视频无法实时上传等故障。

目前，基于长期演进（LTE，Long Term Evolution）标准的车地无线网络已在城市轨道交通领域开展试验和应用，如文献[3]中的中国铁道科学研究院集团有限公司环形铁道试验线和文献[4]中的北京大兴机场线，提升了车地无线传输的带宽、速率和抗干扰能力。

随着智慧地铁建设的不断推进，数据采集、设备监控的技术手段不断发展，车地之间需要传输的信息量急剧增长，现有车地无线网络在承载带宽和传输速率方面的瓶颈日益凸显。为满足车地无线网络承载业务的数据传输需求，综合考虑建设成本和周期，提出基于5G移动通信技术的车地无线网络协同传输方案。

1 城市轨道交通发展对车地无线网络提出的新要求

城市轨道交通车地无线网络目前所承载的业务主要有车载实时监控、视频流发布、运营消息发布、设备状态监控等。随着城市轨道交通服务智能化、运营自动化的发展，车载高清多媒体内容在线下发、车载监控录像及日志数据自动回传等新需求应运而生。

1.1 车载PIS高清多媒体内容在线分发

PIS中心向列车播控终端分发的内容主要包括直播视频流、高清视频文件和列车运营信息；其中，直播视频流和运营信息对传输实时性要求较高。目前，多媒体播放内容因数据量较大，且受列车运行时车地无线网络带宽的限制，只能在车辆段由人工复制或下载，播放媒体内容更新缓慢且时效性差。为满足智能化服务要求，需要实现车载PIS高清多媒体内容在线分发。

1.2 车载监控录像和车载日志自动下载

车载监控录像用于监控列车司机室和客室内部情况，需要传输的数据主要为视频信息；车载日志主要包括车载设备告警日志、运营信息日志、监控操作日志等。基于WLAN和LTE标准的车地无线网络带宽有限，且传输速度慢，在数据传输和服务访问的过程中经常出现网络中断和数据丢包。目前，车载服务器中存储的这些日志文件是由运维人员在列车运行结束、返回停车场后手动转储，操作效率低，安全性差。车载PIS高清视频下发和车载录像及日志自动回传对带宽需求的增加，远超出既有WLAN和LTE网络的承载能力，为适应城市轨道交通全自动运行模式的发展要求，需实现车载录像和车载日志自动实时回传。

2 城市轨道交通中5G移动通信技术应用面临的问题

5G网络具有高速率、大容量、低时延、高可靠的特点，可解决当前城市轨道交通车地无线网络存在的带宽不足、速度低、稳定性差等问题。然而，5G移动通信技术现阶段在城市轨道交通领域的应用面临着以下两个问题。

2.1 建设性价比问题

5G网络的频点高，传输过程中信号衰减大，导致地铁区间内同样长度漏缆的覆盖距离缩短。由于列车在地铁区间开行速度快，为保证信号平滑切换，切换区域应有足够的重叠量，现有5G网络小基站加大规模密集天线的部署方式会造成高额的设备投资[5]。

2.2 数据安全问题

目前，轨道交通领域尚未划定5G专网频段，需要在5G公网上建设专用5G移动通信系统，承载的业务应用系统及其数据存在被攻击和篡改的风险，尤其是涉及社会治安的敏感数据。

因此，在今后一段时间内，5G网络与既有车地网络平行建设将会是4G向5G过渡的一个必经阶段。5G网络与既有LTE网络协同传输不仅能够以较低成本快速实现5G应用探索，也能显著提高车地无线网络的承载带宽和传输效率，进一步改善服务和运营的质量，获得更好的用户体验。

3 车地无线网络协同传输方案

3.1 网络架构

城市轨道交通车地无线网络由控制中心、车站、车辆段、停车场、车载5个部分构成，网络架构如图1所示。

控制中心和线路区间隧道仍沿用既有LTE网络；在车站、车辆段和停车场新增5G基站、边缘网络设备及边缘节点服务器，列车上加装车载5G有源天线，组成承载乘客服务业务的5G大带宽高速率车地无线网络，可覆盖车站、车辆段、停车场及列车，提升业务应用系统在5G网络中的数据传输和处理能力。

将5G网络与既有基于LTE标准的车地无线网络相结合，构建协同传输网络，将既有控制中心的集中式网络变为“中心-车站”二级分布式网络，在车站部署边缘节点服务器，以及视频信息传输和海量数据处理应用，由边缘节点服务器完成数据存储和预处理。

图1 车地无线协同传输网络架构

3.2 应用系统不同业务分离承载

基于5G移动通信技术和LTE标准的车地无线网络协同传输方案在车站、车辆段和停车场提供5G网络覆盖，而线路区间的车地无线通信则依靠既有LTE网络。对于数据量小、实时性要求高的车地传输信息，仍然需要通过既有LTE网络进行实时传输，以保障车地实时通信业务；对于数据量较大、实时性要求不高的车地传输信息，在列车到达各车站、车辆段、或停车场时自动接入5G网络进行数据传输，以提高信息传输的带宽和速率，保证这类信息传输的时效性和可靠性。

以PIS为例，设计如图2所示的车载PIS业务架构，包括数据存储层、业务服务层和终端展现层。PIS业务服务层由媒体编辑与发布平台、综合信息管理平台和存储管理平台实现。其中，由车地无线网络承载的业务分为由5G网络承载业务和由LTE网络承载业务2部分，按照通信数据量大小和传输数据实时性的不同要求，将视频等大数据量传输业务与实时性要求高的监视控制业务相分离，实现5G网络承载业务和既有LTE网络承载业务的协同传输。

图2 车载PIS业务架构

对于状态上报、设备控制、消息发布、实时监视、客流密度发布等实时性要求较高且通信数据量较小的业务，仍采用既有LTE标准的车地无线网络承载。

图3 协同传输网络架构下车地数据传输方案

对于高清多媒体、在线广告、录像回传、日志转储等传输数据量庞大、实时性要求相对较低的业务，通过车站、停车场、车辆段与列车之间的5G移动通信技术实现，利用5G网络大带宽和高速率性能，完成车载高清播放视频的在线分发；对于列车录像视频和日志数据，可在列车到达车站或车辆段时自动高速下载转储后，再由车站或车辆段通过与线路控制中心间的局域网上传至中心云平台。

3.3 车地数据传输流程

在基于5G移动通信技术和既有LTE标准的协同传输网络架构下，车地数据传输方案如图3所示，在车站设置边缘节点服务器，提供媒体管理与下载服务，将高清视频的传输和数据存储及计算功能从控制中心迁移至车站边缘节点服务器。

（1）车载高清多媒体内容在线分发

线路控制中心的高清媒体预分发服务将高清视频下发到车站边缘节点服务器，车载多媒体内容分发功能由设置在车站上的边缘节点服务器完成，列车通过5G车地网络从边缘节点服务器获取全高清媒体。5G大带宽、高速率特性将极大地提升全高清媒体分发到列车播控终端的可靠性和实时性，显著提高车载多媒体内容的传输效率，实现车载高清多媒体内容的在线更新与分发。

（2）车载录像及日志自动下载

依托车地5G无线网络，利用数据缓存采集技术，将车载待回传的录像视频及日志数据先存储在车站边缘节点的高速缓存设备中；边缘节点服务器对视频和日志数据进行快速处理和本地判决，再通过车站和线路控制中心之间的局域网将数据上传至线路控制中心存储，可实现断点续传，确保数据完整性；线路控制中心通过可视化管理界面，统一管理各类转储的日志数据，完成日志分析，发现异常和故障时自动告警，提高运维便捷性和管控效率。

4 车地无线网络协同传输的关键技术

4.1 基于5G技术的车地无线网络传输技术

针对城市轨道交通车地无线网络承载业务的新需求，在建设初期，5G网络将与既有LTE网络结合，实现车地无线网络协同传输，即保持既有LTE网络在线路区间的全覆盖，主要在车站、车辆段和停车场基于大带宽需求部署5G网络，提供1 Gbit/s通信速率无线网络覆盖，解决视频传输需要的大带宽问题，满足视频等数据量较大信息传输业务的带宽及速率需求。

多输入多输出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）大规模天线技术是在发送端和接收端部署高阶大规模天线阵列，可在同等频谱资源条件下提高通信总容量，使接入层频谱效率和终端量得到极大提升。基于5G移动通信技术的车地无线网络采用小基站加大规模天线模式，在车站、车辆段、停车场实现5G网络覆盖，提供充足的无线网络带宽资源，确保车地无线网络的通信服务质量，保证车地无线业务数据传输的效率。通常情况下，地铁车载天线安装在列车顶部，可在运行过程中无缝接入车站5G网络，进行业务数据传输；当列车驶离5G网络覆盖范围后，自动中断业务数据传输，在下一车站重新接入5G网络时可自动断点续传，保证业务数据传输的完整性。

4.2 基于云边协同的数据传输与存储技术

将车载业务数据直接传输到中心云，需要耗费大量网络带宽，且将全部业务数据上传到中心云进行集中处理的效率相对较低，不利于数据挖掘和融合。

移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）技术是提升5G网络服务能力的重要手段，通过在数据采集点就近部署边缘节点服务器，将原先由中心云完成数据处理、实时性要求较高的部分业务处理迁移至边缘节点，由其对数据进行初步筛选、分析和融合处理，再将预处理后的数据上传到中心云，形成云边协同服务。这样，可显著减少网络带宽占用，降低中心云平台的计算压力和存储成本，而边缘节点的数据处理时延小，服务响应快，可提高数据处理能力和处理效率[6-7]。此外，将用户隐私信息、安全敏感信息、车站本地内部服务信息等数据存储在边缘节点，还可避免数据在向中心云平台传输过程中被恶意窃取或篡改，提高信息安全性。

5 结束语

利用5G网络大带宽、高速率、高可靠的优势，结合现有LTE网络工程建设成果，在既有LTE车地无线网络架构基础上，提出满足大带宽、高速率需求的车地无线网络协同传输方案，实现车载多媒体在线分发及车载视频和日志自动回传功能，提高数据的时效性；同时，可避免人工转储存在的不利因素，提高数据安全性和可靠性。该方案可以相对较低的成本，高效率地实现5G移动通信技术在城市轨道交通车地无线网络中的应用探索，有助于提高车地无线网络的承载带宽和传输速率。

今后将研究基于5G移动通信技术的承载业务拓展，提供更加便捷化、自动化、智能化的业务服务，进一步提升车载乘客服务质量和运营维护效率。