基于5G通信技术的城市轨道交通信息传输系统设计

李先平，晁晓宏

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

信息时代背景下，无线通信技术颠覆了传统的通信方式，推动着社会持续进步。而5G通信技术的出现进一步改变了无线通信格局，当前我国已逐步进入5G通信时代[1]。对于城市轨道交通而言，实时有效的通信是轨道交通管理的重要构成，因此保障信息传输是保证轨道交通系统安全运行的根本前提。但从现阶段的实际情况来看，仍然难以解决传统信息传输通道传输效率低、时延长以及可靠性差等问题。因此，应当借助5G通信技术，发挥其传输速率高、时延低、容量大以及移动性好等优势，构建更高效优质的信息传输场景，满足当前和未来城市轨道交通的发展需求。

1 城市轨道交通信息传输系统结构

城市轨道交通信息传输系统通常由监控系统、存储系统以及交换系统等构成，旨在完成城市轨道交通的线路设定、时间控制以及安全监测等功能[2]。系统的信息传输主要以UDP/IP协议为主，可以实现各项数据的安全交换。城市轨道交通信息传输系统结构框架如图1所示。

2 基于5G通信技术的系统硬件设计

2.1 监控子系统设计

监控子系统为ATS子系统，主要由位于控制中心的ATS中央控制子系统、位于ATS沿线站点及库口的车站子系统等构成。该系统旨在实现对列车运行状态的动态监测，一般由数据库服务器、操作图表/定时编辑中心、训练/模拟中心、供电系统以及防雷器等构成。一般而言，控制中心高度站及总高度站依据线路长度设定，各高度站主要负责相应部分的线路控制。工作站之间有诸多冗余口，经过授权的工作站可以接管其他工作站的管理权限，以此来提升系统控制的可靠性[3]。此外，利用ATS主机服务器、数据库服务器以及通信服务器则能实现软件处理、报告生成及信息交互等功能。

2.2 控制器设计

以TI天线为主的天线系统与控制器协同运行，通过控制器所具备的信息反馈能力使驾驶员可以更有效、实时地调整列车[4]。整体而言，控制器是信息传输的主要平台，涉及各子系统、设备之间的信息交互，其内部结构如图2所示。

2.3 数据通信子系统设计

数据通信子系统一般由有线通信子系统与无线通信子系统构成，有线通信子系统又包括主干网络、控制中心、轨道侧网以及车辆网等，借助各种通信方式的协同可以发挥出不同的运行管理和控制功能。数字式通信子系统由控制中心与通信终端相连，利用地面接入AP实时连接各子系统与设备，完成对各类数据的传输和转发[5]。在无线通信子系统的应用中，可以完成列车数据的传输与切换控制。具体而言，数据通信子系统设计如图3所示。

3 基于5G通信技术的系统软件设计

3.1 无线通信程序设计

在基于5G通信技术的系统无线通信程序设计中，主要利用Socket（套接字）来实现通信功能。通常套接字包括两种类型，即数据报套接字和数据流套接字[6]。其中，数据报套接字具有无连接的特点，可以实现双向数据流记录，但难以确保信息传输的可靠性与顺序。数据流套接字则是无记录边界的双向数据流，可实现信息传输的有序、非重复。此外，Socket还可用于诸多结构模型中，属于较为常用的服务器/客户端模型。在实施无线通信的过程中，主要由客户端与服务器程序协同完成，其发送的数据包信息如表1所示[7]。

表1 软件程序数据包信息发送

3.2 通信信号损耗分析程序设计

设发送机与信息机的间距为d（单位为km）、接收电磁波为f、路径损坏结果为Ploss,则受干扰通信信号损耗为：

除通信信号路径损坏外，影响通信质量的因素还包括快速衰竭、阴影衰落以及线缆损耗等，具体计算公式为：

式中，Pt为系统内部发射功率；Gt为发射通信天线增益；GT为接收通信天线增益；P1为通信路径信号损耗；a为损耗值。

4 基于5G通信技术的系统应用展望

4.1 提升信息传输速率

通信技术在城市轨道交通中的应用主要以LTE-M系统为主，频段为1 785～1 805 MHz。由于各频率资源存在局限，因此其获批的带宽仅为10 MHz，还需要将其划分为各5 MHz的A网与B网，通信方式冗余。在此情况下，系统上行通信数据吞吐量最大为3.7 Mbit/s，最小为2.9 Mbit/s，平均值为3.3 Mbit/s；下行通信数据吞吐量最大为8.6 Mbit/s，最小为6.0 Mbit/s，平均值为8.4 Mbit/s。根据GB/T 38707—2020《城市轨道交通运营技术规范》，在不同的自动运行等级下，其业务数据信息传输速率要求也存在差异。随着5G通信技术的应用，能够依托多种技术优势大幅提升频谱效率，由此满足城市轨道交通信息传输的需求，实现更多业务的拓展[8]。

4.2 端到端通信

目前，城市轨道交通通信主要应用CBTC列车控制系统，并且利用A、B两套独立列车-地面通信网络，以避免在通信故障等紧急情况下造成不良影响。这种通信方式会增加设备投入，导致运维成本大幅提高[9]。而在5G通信技术的加持下，可以利用端到端技术简化通信信号传输流程，无需依赖基站中转，可实现列车与列车间的直接通信，大幅缩短了通信时延，全面提升通信的可靠性。基于5G通信技术的端到端技术还可以实现列车首尾车载控制器无线通信，改变了传统的贯通线通信方式。此外，其支持多跳技术和自组织网络，能够为其他设备提供通信链路，避免外部因素对网络稳定性造成干扰。

4.3 无线设备组网通信

基于5G通信技术的信息传输优势使网络承载能力有效提升，改变传统的有线通信安装模式，降低设备的成本投入。此外，5G通信技术下的信息传输系统具有较好的稳定性和安全性，能够实时对列车运行状态进行采集，及时发现和处理各类潜在故障和问题。即便出现故障问题，也能够快速进行定位[10]。

5 结 论

综上所述，随着城市轨道交通的快速发展，其对信息传输系统的依赖性愈发强烈。因此，必须加强对通信系统的建设与优化，持续提升城市轨道交通的通信组网能力，切实满足其安全稳定运行的需求。基于5G通信技术进行通信系统设计与应用，其速率高、时延低、带宽大以及安全性高等特点能够有效保障城市轨道交通的稳定运行。