摘要：5G移动通信网络采用新一代蜂窝移动技术，其数据传输速率远高于4G网络。将5G应用于城市轨道交通系统（PIS）中，可改善目前基于无线局域网构建PIS通信信号易干扰和故障多等弊端。本文以LTE-A技术、MIMO增强技术和MEC技术等5G移动通信关键技术为切入点，从城市轨道交通系统的核心层、接入层和应用层出发，构建了全新的智慧轨道交通系统，助推轨道交通行业数智化转型。
关键词：5G；城市轨道交通；MIMO增强技术
城市轨道交通系统又称乘客信息系统(PIS)，主要分为车站通信子系统和车载通信子系统。车站通信子系统提供无线通信，保证列车能够精准运营；车载通信子系统为车载PIS、地面PIS、列车CCTV视频监控和车体PIS视频播放之间提供通信媒介。目前PIS的实施主要基于IEEE802.11标准的无线局域网技术，但是由于WLAN存在安全性能低和并发线程少等缺点，系统数据传输效率极低，并且传输过程中容易受到干扰，致使故障频繁发生。
1当前PIS架构
基于无线局域网构建的PIS组成如图1所示。当前基于无线局域网的PIS在实现无线网络覆盖和通信时，主要依靠车站和列车上的轨旁AP、天线以及车载AP建立起来的通信网络。但是由于地铁等交通方式本身的特点，信号在列车快速移动时无法实时传送，容易造成信息分组丢失和通信中断等情况，更严重时会导致紧急文本上传失败和车载闭路监控视频无法加载等故障。此方面的维护工作给车站技术支撑人员带来了极大的困扰和压力。
25G通信技术在PIS中的应用
5G移动通信网络之所以能够让高速移动的列车与控制中心时刻保持快速稳定的信息交互，能够让用户在人口密集的环境中仍保持通信畅通，以及能够让用户在移动到网络边缘位置时仍能连接到网络，均离不开以下几个关键技术的支撑。一是利用网络功能虚拟化(NFV)技术和软件定义网络(SDN)技术，将网络重新架构成为低成本、高效率和低时延的新型网络；二是利用大规模MIMO增强技术构建新型多输入多输出天线阵列，将4G时代采用的二维空间16个端口天线扩展到三维空间256个天线头，将信道带宽扩展到100MHz以上；三是采用多接入边缘计算技术，控制中心所计算、处理和存储的数据及视频更加靠近用户，将时延控制在毫秒级，大大缩减了时延。5G、4G、无线局域网关键技术指标对比见表1。城市轨道交通PIS如图2所示，基于5G移动通信的PIS采用通用硬件构建简化版的核心网络架构，具备灵活的控制转发能力，将原来核心网络繁重的业务和计算下放到网络边缘，多输入多输出天线阵列和MEC技术承担起接入层高流量、低时延的业务需求，三大技术共同实现智慧交通的革命性飞跃。
2.1LTE-A技术构建PIS核心网络
LTE-A技术是一种以LTE技术为基础升级演进的系统融合性更高、设备初期投入更小的新技术。基于以上优点，在城市轨道交通PIS无线网络中可选择此技术进行组网，构建一套时延低、运行可靠和稳定性好的通信系统。随着新技术SDN和NFV的发展及使用，网络硬件系统被重新定义，不同于传统的核心网络硬件设备需要使用专门AC的硬件配置方式，现在只需要使用通用设备配置一个可供通信网络运行的基础平台即可。这一硬件系统配置方式的变革，一方面很好地解决了设备成本和配置效率问题，另一方面硬件部署方便快捷，可根据实际需求在任意位置布置，实现按需配置和资源利用率最大化。基于LTE-A技术组件的车地无线系统凭借1Gbit/s的高接入速率，使得在实际运行过程中，系统时延不超过1ms，运行人员对此基本无感。
2.2大规模MIMO增强技术提供接入层无线覆盖网络
大规模MIMO增强技术是5G时代最关键的技术指标之一。PIS引入大规模MIMO增强技术的天线阵列。MIMO天线阵列中每根天线都部署有多个天线头，PIS利用这些天线头与车站的移动设备独立进行通信，在无线局域网中天线采用1个天线头通信，而在5G网络中，大规模天线阵列拥有256个天线头，大大提升了单位网络面积支撑的设备容量，降低了信号干扰，增强了接入层无线网络的覆盖范围。
2.3MEC技术支撑业务接入与存储
当前，PIS在实际运行中通常高频率出现的故障之一就是列车闭路电视无法实时将图像上传到控制中心。这就造成中心调度员无法实时掌控列车运行状况并做出有效判断。造成这类故障的主要因素就是无线局域网数据传输速率慢，控制中心在接收并上传图像和视频的过程中常常出现信息重传和分组丢失的现象，加之控制中心的服务器无法满足实际进程的处理需求，这两方面因素的叠加造成列车闭路电视故障的产生。为了解决这类问题，在车载通信系统中引入MEC技术。MEC可利用无线接入网络就近提供用户所需服务和云端计算功能。将其与MIMO增强技术结合，在车站层多个位置植入天线。另外，除了控制中心，在每个车站处也部署边缘计算器，使控制中心所计算、处理和存储的数据及视频更加靠近用户，大大提高数据处理效率。PIS引入MEC技术之后，带宽限制取消，数据回传压力释放，网络拥堵状况大大改善，乘客可以感受到超低时延的应用体验。
3结束语
5G移动通信技术具有超高速率、超大连接和超低时延三大性能。我国5G技术的研究和应用目前处在世界领先水平，正在大踏步进入一个万物互联的新时代。在日常出行乘坐的公交地铁上，5G设备的应用使整个庞大的城市轨道交通系统运行和控制更加稳定、高效、安全。车载闭路电视、车站通信子系统、乘客信息系统、其它管理运维系统之间每时每刻都在进行着巨大的数据传输，5G技术的应用将打破这一瓶颈，使发展进入一个无限通信的全新时代。
作者：周斌 单位：中国移动通信集团湖南有限公司