面向 5G 融合的高速公路无源光网络数据采集及传输通道关键技术探索

在智慧交通蓬勃兴起与 5G 时代全面来临的大背景下，高速公路数据采集与传输系统正经历深刻变革，全力朝着更高效、智能的方向大步迈进。传统无线通信方式在带宽、功耗及覆盖范围上的局限性日益凸显，难以满足高速公路智能感知系统对海量数据快速、稳定传输的需求。而无源光网络（PON）以其卓越的高带宽特性，能够轻松承载大量高速率数据；低功耗优势可降低长期运营成本；长距离传输能力则契合高速公路绵延线路的特点，无疑成为高速公路智能感知系统数据传输的理想选择。但高速公路环境复杂多变，电磁干扰、温度大幅波动、机械振动等因素层出不穷，给PON 与 5G 的融合带来严峻挑战。如何在这样的环境下，实现两者的高效融合，提升数据传输的稳定性，确保数据准确无误地传输；增强实时性，让交通管理部门能第一时间获取最新路况；保障可靠性，避免数据丢失或中断，成为当下研究的重中之重。

一、高速公路智能感知系统与 5G-PON 融合需求分析

1.智能高速公路的发展趋势与技术需求

智能高速公路正朝着全面感知、高效协同、智能决策方向迅猛发展。随着自动驾驶技术逐步成熟，车路协同成为关键需求，车辆需要实时获取高精度道路信息、交通流量、气象条件等，以确保行驶安全与高效。同时，交通管理部门期望实现对高速公路的全方位实时监控，精准掌握交通态势，快速处理事故与拥堵。这要求智能感知系统具备更强大的数据采集与处理能力，能够覆盖更广区域，提供更精准信息。例如，在大雾天气，需要系统准确感知能见度变化，及时为车辆提供安全驾驶建议，并辅助交通管理部门实施交通管制措施。因此，智能高速公路迫切需要先进技术提升感知精度、拓展覆盖范围，以及增强数据传输与处理的时效性。

2.5G 与 PON 在智能交通中的应用优势

5G 在智能交通中优势显著，其高带宽特性可快速传输大量高清视频、车辆行驶数据等，满足智能感知系统对海量数据高速传输需求。低延迟确保车与车、车与路之间信息交互及时，为自动驾驶提供可靠保障，车辆能在瞬间对路况变化做出响应。大连接能力则支持众多交通设施与车辆同时接入网络。PON 技术采用点对多点光纤传输结构，无需大量有源设备，降低建设与维护成本。高带宽可承载智能感知系统源源不断产生的数据，光纤传输稳定性强，受外界干扰小，保障数据传输可靠性。其灵活的部署与扩展能力，能适应高速公路不断延伸与设施增加的发展，与 5G 结合，为智能交通系统构建高效、稳定的通信网络。

3.数据采集与传输通道的关键技术挑战

在数据采集方面，高速公路环境复杂，传感器易受恶劣天气、电磁干扰等影响，导致数据采集不准确或丢失。不同类型传感器数据格式与接口多样，难以实现有效融合。传输通道上，随着数据量爆发式增长，现有网络带宽面临瓶颈，无法满足高速、实时传输需求。长距离传输中信号衰减、延迟问题突出，影响数据时效性。网络安全也是重大挑战，智能感知数据涉及交通机密与用户隐私，易受黑客攻击与数据窃取，如何保障数据在采集与传输过程中的安全性、完整性，是亟待解决的关键问题，关乎智能高速公路的稳定运行与公众信任。

二、5G-PON 融合的数据采集与传输关键技术

1.PON 在高速公路环境下的信号传输优化

高速公路环境复杂，给 PON 信号传输带来了诸多棘手难题。在电磁干扰方面，除了常见的高压输电线、通信基站，还有高速公路沿线的电子显示屏、车辆的电子设备等，它们产生的电磁噪声交织在一起，严重干扰 PON 信号的稳定性。同时，季节更替使得温度大幅波动，从酷热难耐的夏季到寒风凛冽的冬季，光纤的物理特性如折射率、热膨胀系数等发生变化，导致信号在传输过程中出现衰减，影响数据的准确传递。此外，持续不断的车辆行驶以及不定期的道路施工，引发的机械振动会使光纤产生微弯，进一步加剧信号损耗。

为有效应对这些挑战，先进的编码与调制技术成为关键。以正交频分复用（OFDM）技术为例，它将高速数据流巧妙分割成多个低速子数据流，利用相互正交的子载波并行传输。这样一来，即便在复杂的多径衰落环境以及强电磁干扰下，各子载波之间仍能保持独立性，确保信号稳定传输。在光纤铺设环节，选用低损耗、抗弯曲性能良好的优质光纤，并采用先进的铺设工艺，比如在穿越桥梁、隧道等特殊地段时，对光纤进行特殊的防护处理，使其在温度变化和机械振动的双重影响下，依然能够维持良好的信号传输性能。同时，精确规划光分路器的位置与数量，依据各支路的数据流量需求，合理均衡信号功率，防止出现因功率分配不均导致的信号衰减过大问题，全方位保障 PON 在高速公路环境下高效、稳定地传输信号，为后续 5G-PON 的深度融合筑牢根基。

2.5G 与 PON 融合的网络架构设计

设计 5G 与 PON 融合的网络架构，旨在充分挖掘两者的优势，构建一个高效、稳定且智能的通信网络体系。在接入层，5G 凭借其强大的无线通信能力，实现了车辆与路边单元（RSU）的快速、无缝连接。车辆行驶过程中，5G 网络能够实时、精准地采集车辆的行驶速度、加速度、位置等关键信息，为车路协同提供基础数据支持。RSU 收集到这些数据后，借助 PON 网络将其传输至汇聚层。PON 网络采用树形拓扑结构，以光纤作为传输介质，具有高带宽、低损耗的特点。通过合理布局，将多个 RSU 连接至中心局端设备，确保数据能够稳定、高速地汇聚。在核心层，部署高速路由器与交换机，负责数据的快速汇聚、精准转发与深度处理。为了提升网络的可靠性，采用冗余设计，增加备用链路与设备。当主链路出现故障时，备用链路能够迅速切换，保障数据传输不间断。同时，创新性地引入软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）技术。SDN 技术实现了网络的集中控制与管理，管理员可以根据实际需求灵活调配网络资源，优化网络流量分布。NFV 技术则将传统的网络设备功能通过软件实现，部署在通用的服务器上，降低了硬件成本，提高了网络的灵活性与扩展性。通过这些技术的协同应用，能够满足高速公路智能感知系统对数据传输的高要求，极大地提升交通管理的智能化水平，为实现智能交通的高效运行提供有力支撑。

结语

5G 与无源光网络（PON）的融合为高速公路智能感知系统提供了高效、低能耗的数据采集和传输方案。然而，在复杂环境下，PON 仍面临信号衰减、数据同步和抗干扰能力等问题，需要进一步优化网络架构、提升数据传输效率，并结合大数据、人工智能等技术，提高系统的智能化水平。未来，6G、云计算和区块链等新兴技术将进一步推动 5G-PON 在智能交通领域的发展，为构建更加高效、安全的智能高速公路提供有力支撑。

参考文献

[1]王建军,李志超.5G 与无源光网络融合技术在智能交通中的应用[J].交通科技,2022,43(5):78-85.

[2]刘明浩,陈国庆.高速公路智能感知系统的发展现状及趋势[J].智能交通系统,2023,50(3):112-120.

作者简介：陈秋依，出生年：1996 年，性别：女，民族：汉，籍贯：贵州，学历：本科，职称：助理工程师，研究方向：高速公路隧道机电系统养护管理。