5G技术在轨道交通车载视频转储中的研究

5G技术在轨道交通车载视频转储中的研究

汪君

中铁通信信号勘测设计院有限公司 北京 100036

摘要：

随着城市轨道交通的快速发展和国家反恐安全要求的提高，车载视频数据的实时转储、长期存储和安全性已成为重要课题。传统的视频转储方式在数据量大、转储时间长、传输速度慢等方面面临诸多挑战。5G技术，作为新一代通信技术，以其高带宽、低延迟的特性，为解决这些问题提供了可能。本文基于华为AirFlash的5G专网通信系统，旨在设计简单、安全、可靠的车地无线视频转储方案，满足长期存储的需求，提高转储的速率和效率，降低运营成本，确保数据的安全和可靠性

关键词：5G技术；轨道交通；车载视频；转储

引言：

5G技术标志着移动通信技术的飞跃，其关键特点可概括为“高速率、低延迟和大连接”，5G技术在数据传输速度上实现了质的飞跃，相比4G技术，其峰值下载速度能够达到20Gbps以上，使得大容量数据传输成为可能。低延迟是5G技术的另一显著特征，理论上能够达到1毫秒的端到端延迟，提高了通信的实时性。5G能够支持每平方公里内高达百万个设备的连接，大幅提升网络连接密度。除此之外，5G还支持网络切片技术，能够为不同的服务需求提供定制化的网络资源，以及更加灵活的网络管理，使得5G能够满足包括自动驾驶、远程医疗、智能制造等多种场景的需求，极拓宽了移动通信技术的应用边界。

一、轨道交通车载视频转储的关键5G技术

（一）基于OFDM优化的波形技术

正交频分复用（OFDM）技术是5G通信中的核心波形技术之一，其优化在于能够在高速移动的环境下，如轨道交通中，提供高效且稳定的数据传输。OFDM通过将宽带信号分割为多个窄带子载波来传输数据，子载波彼此正交，最大化频谱效率并降低了相互间的干扰，使得OFDM在多径传播环境中表现出色，能够有效对抗信号衰减和延时扩散[1]。轨道交通车载视频转储中，基于OFDM的波形优化技术尤其重要。因为列车在高速移动过程中，会经历不同的信号传播环境，例如隧道、桥梁和开阔区域等，对信号的传输特性影响巨大。优化后的OFDM技术能够更加灵活地调整子载波的间隔，采用更加鲁棒的编码和调制方案，以适应这种高速且多变的传输环境。此外，OFDM波形优化还包括使用先进的信道估计和均衡技术来克服时变信道带来的影响，确保高质量的视频数据传输。为了满足5G高速数据传输的要求，OFDM技术还被进一步发展为滤波器银行多载波（FBMC）和通用滤波器多载波（UFMC）等更先进的波形，优化的波形技术通过在发送端和接收端采用特定的滤波器来进一步提高频谱利用率，降低边带泄漏，使得在频谱资源有限的情况下也能够高效传输大量的车载视频数据。

（二）多址接入技术

多址接入技术是5G通信系统的关键组成部分，允许多个用户共享相同的通信资源，如频段、时间或编码等，进行通信。在5G中，多址接入技术经历了重大的演变，主要包括正交频分多址接入（OFDMA）和非正交多址接入（NOMA）等技术。OFDMA技术中资源被划分为时间和频率上的小资源块，每个用户被分配到不同的资源块上，这样可以有效地同时服务多个用户，而且因为资源块的分配是正交的，用户间的干扰也被最小化。OFDMA非常适合高密度的用户环境，正如在轨道交通系统中，可能需要处理成百上千个车载视频传输任务的场景。NOMA技术则采取了不同的多址接入策略，通过在功率域上实现用户的多址接入，允许多个用户共享相同的时间和频率资源，但是以不同的功率级别传输信号，轨道交通中，NOMA技术可以用于在车厢内密集的用户环境下，为每个乘客提供稳定的视频传输服务。多址接入技术为轨道交通车载视频转储提供了高效的数据传输方式，使得无线网络能够满足车辆之间、车辆与基站之间大量并且连续的数据交换需求，确保了视频数据的连续性和实时性，对于实时监控和紧急事件的响应至关重要。同时，通过合理的资源管理和调度，多址接入技术还能够在保持高传输质量的同时，降低系统的功耗和运行成本。

（三）可扩展的OFDM间隔参数配置

5G通信技术中，可扩展的OFDM间隔参数配置对于轨道交通车载视频转储系统来说至关重要，允许系统根据不同的传输环境和需求动态调整子载波的间隔大小。间隔参数的可扩展性意味着在列车高速移动时可以使用更大的子载波间隔，以降低多普勒效应的影响并提高系统的时间同步容忍度；而在静止或缓慢移动时，可以使用较小的子载波间隔以提高频谱的使用效率。此外，可扩展的OFDM配置能够更好地适应复杂的多径传播环境，通过调整OFDM的参数，如循环前缀长度和子载波间隔，系统能够优化信号以减少这些多径效应造成的干扰，保障车载视频数据的完整性和准确性。高速移动的场景下，可扩展OFDM参数配置的能力确保了数据传输的稳定性，允许轨道交通系统在不同速度下均能维持高效且连续的数据转储流，对于保证实时监控和安全是极其重要的。

（四）大规模MIMO技术及其在轨道交通中的应用

大规模MIMO（多输入多输出）技术通过使用大量的天线元素，能够同时服务多个用户并显著增加系统的容量和吞吐量。在轨道交通车载视频转储场景中，大规模MIMO技术可以通过空间复用来提升数据传输速度和网络效率。高密度的车辆环境中，大规模MIMO能够有效地将不同的数据流分配给不同的用户，即使是在车辆以高速移动的情况下也是如此，精准地定向传输信号，减少了用户之间的干扰，同时提高了信号到达目标用户的概率。更重要的是，大规模MIMO技术支持了波束成形技术的应用，即能够指向性地发送信号到特定的接收器，对于高速移动的轨道交通来说尤为关键[2]。通过动态调整天线的发射模式，可以确保即便在隧道、弯道、高架等复杂的轨道环境中，车载摄像头捕获的视频数据也能够实时且准确地传输到地面控制中心。

（五）3D波束成形技术及其在车地无线转储中的作用

3D波束成形在水平面内调整信号的传播方向，还可以在垂直面内进行相同的调整。在5G网络中，尤其是在轨道交通车载视频转储应用中，3D波束成形技术能够显著提高信号的聚焦能力和覆盖范围。由于轨道交通环境的特殊性，如列车在地下隧道和高架桥上的运行，信号传播可能会受到多种因素的影响。3D波束成形技术可以精确地控制波束在三维空间中的传播，实现对移动列车的精准覆盖。这意味着即使在列车快速通过曲线、隧道和其他复杂地形时，也能保持高质量的通信连接。此技术通过对天线阵列进行精细控制，实现了对发射信号的三维塑形，减少信号在不必要区域的损耗，增强信号在指定区域（如列车所在位置）的强度。在车地无线转储的应用中，3D波束成形技术保证了即便在高密度的城市轨道交通环境中，也能达到高效率和高可靠性的数据传输，确保车载视频数据的实时性和完整性[3]。

二、基于5G技术轨道交通车载视频转储方案设计

（一）5G车地无线转储网络的架构设计

5G车地无线转储网络的架构设计对于轨道交通车载视频的高效和安全转储至关重要。该架构需要能够支持高带宽、低延迟的视频数据传输，并且在整个轨道交通系统中提供均匀的网络覆盖。核心架构通常包括车载的5G基站（gNodeB），车辆上的5G小型基站或移动终端，以及地面的核心网络。车辆上的5G设备需要具备足够的计算能力，以处理和压缩高清视频流，并通过5G基站将数据实时传输到地面网络，架构设计中必须考虑到动态的网络切换机制，以适应列车在不同地面基站之间移动时的无缝过渡[4]。此外，5G网络架构需要考虑到服务质量（QoS）的管理，以确保车载视频数据传输的优先级，并为不同的数据流分配相应的带宽和资源，还应当包括边缘计算节点，距离处理数据，减少回传到核心网络的数据量，进而减轻网络负担并提升响应速度。整个架构应是模块化和可扩展的，可根据轨道交通网络的发展和未来技术的升级进行相应的调整，具备高度的冗余性和故障恢复能力，确保在任何部件失败情况下都能保持数据转储连续性和完整性。

（二）列车视频数据的安全传输机制

设计基于5G技术的轨道交通车载视频转储方案时，确保数据传输的安全是关键考虑因素。视频数据在传输过程中可能面临截取、篡改和非法访问的风险，因此需要实现强大的安全机制来保护这些数据。安全传输机制首先涉及到加密技术的应用。使用端到端的加密协议，如TLS或IPsec，确保数据在传输过程中的机密性和完整性，应实施身份验证和授权机制，只有授权的用户和系统才能访问视频数据，通过数字证书和双因素认证等方式来实现。此外，可使用网络切片技术来隔离车载视频数据传输的网络流量，保护受其他网络活动的干扰。

（三）数据压缩与管理策略

考虑列车车载系统所产生的视频数据量极大，尤其是多摄像头同时工作时，原始视频数据的大小可能远超无线传输网络的承载能力，因此有效数据压缩策略是必需的。压缩算法需要在保持视频质量的同时最大程度减少数据体积，比如采用H.265/HEVC或更高效的视频压缩标准。数据管理策略包括数据的分类、存储和优先级处理。视频数据应根据重要性和紧急性进行分类，以保证关键视频资料能够优先传输与存储，数据的存储策略需要高效并确保数据的完整性与可追溯性。

（四）设备与软件的选型与配置

硬件方面，选择适合的5G模块、摄像头、处理器、存储设备和网络设备，都需要基于对系统性能要求的充分理解。例如，选择能够支持5G NR（New Radio）技术的模块，配备高分辨率和低光照摄像头，以及拥有足够处理能力和存储容量的服务器和存储设备，能够确保高质量的视频数据被捕获、处理和存储。软件配置方面，需要部署高效的操作系统和应用软件，软件应该是可定制的，以满足特定轨道环境的需求，并且能够与车辆其他系统（如紧急响应系统）集成。视频管理软件应该能够支持远程管理、自动故障诊断和更新，以降低维护成本和复杂性。

（五）实现高效视频数据转储的流程设计

高效的视频数据转储流程设计涉及到数据从捕获到存储整个过程的优化，视频数据在被捕获后，应立即进行初步的现场处理，例如去震动、图像增强和初步压缩，这些都需要在车载处理器中迅速完成，采用高效的加密算法对视频流进行加密，并以合适的数据包大小进行打包，可以优化数据传输效率并减少传输过程中的延迟。5G网络的带宽资源是有限的，需要根据当前网络的拥塞状况、车辆的位置和移动速度等因素，智能调整传输的带宽使用和数据传输的优先级。

结语：

综上所述，5G技术能够显著提升轨道交通车载视频转储的性能。利用5G技术构建的车地无线转储系统在实现大容量视频数据实时、高效转储方面展现了巨大优势，同时保证了数据传输的安全性。文章中采用的华为AirFlash 5G专网通信系统和相关技术，如大规模MIMO和3D波束成形，提供了稳定可靠的传输质量，并显著提高了转储过程的智能化水平，为城市轨道交通安全运营提供坚实的技术支撑，推动轨道交通系统向着更加智能化、自动化的方向发展。

参考文献：

[1]刘振.某城市轨道交通车载视频无线回传系统设计[J].电子技术与软件工程,2021(16):1-2.

[2]王言.城市轨道交通车载视频存储方案选择[J].数字通信世界,2021(08):87-88.

[3]何小刚,李仲华,薛坤朋.轨道交通基于LTE无线承载网车载PIS视频直播问题研究[J].铁路通信信号工程技术,2020,17(10):63-66.

[4]宁递杰.城市轨道交通车载视频监控传输存储方案[J].西部交通科技,2020(09):130-132.