基于5G 通信技术的地铁多网络融合技术研究

孙佩

（西安交通工程学院交通运输学院，陕西西安 710300）

5G 通信技术作为第五代无线通信技术，其具有高带宽、低延时和海量连接等优势，在轨道交通领域得到了更为广泛的应用。目前，5G 网络在城市轨道交通领域已基本实现全面覆盖，利用网络供应商提供的5G 通信网络服务，构建基于5G 网络技术的城市地下铁路多网络融合系统，将其作为现有地铁网络运维系统的补充，可提升地铁运维系统的数据传送速度和系统稳定性[1]。相比于4G 网络，5G 通信技术除了具备更高的传送速率，同时更为注重人与物之间的数据交互应用，可以适应更多的业务需求。特别是城市地下铁路运行环境的特殊性，对无线信号的屏蔽和干扰性更强，利用5G 通信技术对地铁监控系统进行补充和改造，可使地铁运维系统更好地向着高清化、智能化方向发展。

1 多模多频通信技术

将5G 通信技术应用于地铁无线通信网络，以提升地下环境中无线通信信号质量，其中最为关键的技术之一是多模多频通信技术。多模多频通信技术可根据当前无线信道的质量进行无线网络的选择，采用动态路由，保证无线数据传输的高速性和可靠性。在多网络模式下，多模多频通信技术需要确定当前可接入的网络，首先对所有网络发起网络连接请求，然后统计在设定时间内能够成功连接的网络，最后对能够连接的网络质量进行评估，按照筛选算法和评价标准选择出最优网络进行建立连接[2-3]。网络质量评价指标的参数包括带宽、时延、数据吞吐量、利用率、数据包转发率等，可选择其中一种或多种参数作为评价指标。为了能够在网络供应商中选择到信号质量最优网络，可对所有可用网络进行质量指标计算，构成一个质量决策矩阵，然后对决策矩阵进行归一化处理，最后依据所需要发送的数据类型和归一化决策矩阵，裁决出最优网络作为数据传输网络。

决策矩阵由带宽、时延、数据吞吐量、利用率、数据包转发率等参数构成，其归一化处理过程主要包括标准化处理、熵权算法、归一化变换三个步骤[4-6]。首先针对决策矩阵进行标准化处理，计算公式为：

式（1）中，xij表示第i网络中的第j指标的数值表示标准化处理后的第i网络中的第j指标的数值表示第j个指标的平均期望值。

获得标准化矩阵后，再利用熵权算法确定每个指标的权重向量，具体步骤为：首先将标准化处理后的数值代入熵值公式：

式（2）中，Hj表示第j个指标的熵值，然后将熵值代入权重向量公式：

式（3）中，wj即为计算所得的第j指标的权重向量值。

最后针对待发送数据类型，通过归一化矩阵确定最优网络。按照待发送数据的类型制定与之对应的理想发送方案，然后计算理想发送方案与每个网络权重向量间的欧式距离，从而获得理想方案和每个网络间的贴合度，选择出贴合度最大的网络作为最优匹配网络，从而提高网络和数据间的匹配度，实现无线网络资源的高效合理利用。利用上述多模多频通信技术，可依据不同网络的信号质量选择合适的接入网络，从而最大限度地保证无线网络的传输速率。另外，相对于4G 网络，5G 网络具有更高的带宽，数据传输速率更高，在4G 和5G 网络均满足连接条件时，应优先接入5G 网络。

2 网络性能评价指标

多模多频通信技术主要是利用网络质量决策矩阵进行最优网络的判定与选择，网络质量决策矩阵的组成元素包括一些常用网络性能评价指标，主要有网络覆盖率指标、容量评价指标、速率指标、时延指标、能耗评估指标等，网络性能评价指标的具体含义如下[7-8]：

1）网络覆盖率指标

网络覆盖率指标主要利用信号强度指标RSRP进行评估，即接收到的信号平均功率，其计算公式为：

式（4）中，Iorj代表第j个站点所接收的信号平均功率；N表示噪声功率；NB表示基站的总数。

2）容量评价指标

网络容量主要包括了连接密度和流量密度两个部分，连接密度是指单位区域面积内存在的客户终端平均数目，流量密度是指单位区域面积内产生的平均数据流量，该指标由网络覆盖和客户终端数目共同决定。

3）速率指标

传输速率指标是网络性能指标中最为重要的指标之一，也是客户终端最为关注的指标，可分为下传速度和上传速度，主要指单位时间内网络的平均数据吞吐量。

4）时延指标

时延指标主要包括双程时延和单程时延，双程时延是指发送设备从发送出数据包到接收反馈信息过程中产生的总时延，单程时延是指从发送设备发送数据包到接收设备接收完数据包过程中产生的时延，二者的表达公式为：

式（5）中，TRT表示双程时延，TOT表示单程时延，TS1表示发送设备进行数据包发送过程产生的时延，TA1表示发送设备接收到反馈信息过程产生的时延，TA2表示接收设备接收到数据包过程产生的时延。

5）能耗评估指标

能耗评估指标是用来描述网络的能量效应，反应网络的能量利用效率，能耗评价公式可表示为[9]：

式（6）中，λ表示能耗指标，W表示评估时间内网络的能耗总量，M表示评估时间内的信息容量，A表示网络覆盖的面积，P表示相对功率。

3 网络系统结构

整个网络系统结构如图1 所示，系统自下而上分为终端层、传输层、服务层和应用层。其中，终端层中包含车载移动摄像头、固定式摄像头、调度终端等，属于系统的前端感应终端[10-12]。传输层负责完成集群网络的数据传送与交换，包括语音视频数据的切片传输、本地和边缘数据的集群业务等。服务层主要提供通信集群服务和大数据管理，通信集群服务负责呼叫控制、群组管理等，大数据管理负责数据资源的统一管理，包括数据收集、存储、整理、统计等操作。应用层包含专业应用、调度应用、综合业务和基础应用等，主要面向地铁运行维护人员。其中，基础应用包括视频音频数据传输功能，调度应用包含群组调度控制、人群疏导等功能，综合业务主要包括视频数据回传、客流人脸识别等，专业应用主要涉及机组工程师对机车的通信指挥和调度等。

图1 网络系统结构

4 硬件组成

地铁多网络融合系统的硬件核心部分为通信网关，其结构如图2所示，主要由网关控制单元、公网收发单元、专网收发单元、以太网接口、标准RS485接口等构成[13]，由于篇幅限制，仅对其主要功能结构进行介绍。其中，网关控制单元负责数据采集与上传，完成5G网络的控制与转换。公网收发单元负责多模终端的协议转换与执行，实现连接公共网络的功能。专网收发单元运行内网终端协议，实现与地铁专网的连接。标准的RS485 接口可扩充网络终端与现场总线的连接功能。以太网接口可扩充网络终端与以太网的连接功能。利用公网和专网收发单元，构成融合通信网关，可同时支持多网络多模组的无线网络通信，从而提升了地铁无线网络系统的数据吞吐能力和视频传输速度。

图2 通信网关结构

5 软件组成

5G 通信装置的软件功能主要集成在融合通信网关中，融合通信网关负责完成4G/5G 数据的回传、网络数据转发、系统控制与维护等软件功能。网关软件的结构如图3 所示，主要由内核层、适配层和数据应用层组成。按照通信功能模块划分，网关软件包含了多个子模块[14]。其中，BSP/DD 软件模块，能够实现操作系统的加载，完成对板块底层驱动的安装；操作系统选用Linux 嵌入式操作系统，可根据通信需要进行系统剪切；协议栈可实现对不同网络类型之间的数据转发[15]；OSP 模块可兼容底层硬件和上层操作系统间的差异，对底层驱动接口进行规范化设计，从而保证上层应用软件的稳定性，以便软件的快速稳定移植。适配层主要包括网络控制适配和无线回传适配，网络控制适配为系统和协议栈提供接口，实现WLAN、USB 和以太网之间的数据转发和控制，无线回传适配为4G/5G 的Moule 接口提供对应的适配封装，从而实现对Module 的状态获取和控制[16-17]。

图3 融合通信网关软件结构

6 实验结果

为验证5G 网络的通信速率优势和对地铁环境的适应性，在地铁环境中搭建混合网络，提供参考实验数据，对5G 网络下行和上行速率进行测试。首先，将测试设备置于较为理想的实验室环境，进行单终端测试，选取测试终端与模拟基站间的距离足够小，测试单流上行速率结果如图4 所示，平均上行速率达到100.5 Mbit/s，是传统4G 网络的4 倍以上。单流下行速率测试结果如图5 所示，平均下行速率达到1 100 Mbit/s，是传统4G 网络的5 倍以上。

图4 单流上行速率

图5 单流下行速率

为了近似模拟地铁环境，将地铁环境粗略划分为开阔场景和隔断场景两大类，开阔环境指100 m内无较为明显的遮挡物或墙体，隔断场景指短距离内有单个或多个较大的阻挡物或墙体存在。首先，将测试设备置于选定的地下车库，模拟地铁的开阔环境，改变终端测试设备和模拟基站间的距离，在不同的距离下测试数据传输速度，5G 数据传输速率统计见表1。

表1 开阔场景传输速率测试结果

将测试设备置于选定的某地下商场，模拟地铁中的隔断环境，同样改变终端测试设备和模拟基站间的距离，在不同的距离下测试数据传输速度，5G数据传输速率统计见表2。

表2 隔断场景传输速率测试结果

由统计数据可以看出，随着测试点与基站的距离增加，传输速率明显降低。为了降低网络构建成本，在室内进行5G 网络布置，不能过度进行冗余设计，在保证网络质量的基础上，应将基站天线的布置间距尽量拉大。由表中测试数据可知，地下场景中较为开阔的地方基站点间距可控制在30～50 m，在有阻挡或墙体的地方，基站点间距可控制在25～35 m。在多墙间隔或地形复杂的场景，应结合业务需求和综合因素，综合4G 和5G 网络的各自特点，进行综合布设。

7 结论

城市地铁多网络融合系统是城市轨道交通运维系统中的重要组成部分之一，将5G 通信网络应用于无线通信的数据传送中，利用网络切片和多模多频通信技术，可很好地实现运维系统的快速部署和安全可靠运行，推动地铁运维系统向着高清化和智能化方向发展。另外，通过5G 公共网络资源的应用，拓展了5G 网络的应用领域范围。