基于5G通信技術的城市軌道交通信息傳輸系統設計

李先平，晁曉宏

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

信息時代背景下，無線通信技術顛覆了傳統的通信方式，推動著社會持續進步。而5G通信技術的出現進一步改變了無線通信格局，當前我國已逐步進入5G通信時代[1]。對于城市軌道交通而言，實時有效的通信是軌道交通管理的重要構成，因此保障信息傳輸是保證軌道交通系統安全運行的根本前提。但從現階段的實際情況來看，仍然難以解決傳統信息傳輸通道傳輸效率低、時延長以及可靠性差等問題。因此，應當借助5G通信技術，發揮其傳輸速率高、時延低、容量大以及移動性好等優勢，構建更高效優質的信息傳輸場景，滿足當前和未來城市軌道交通的發展需求。

1 城市軌道交通信息傳輸系統結構

城市軌道交通信息傳輸系統通常由監控系統、存儲系統以及交換系統等構成，旨在完成城市軌道交通的線路設定、時間控制以及安全監測等功能[2]。系統的信息傳輸主要以UDP/IP協議為主，可以實現各項數據的安全交換。城市軌道交通信息傳輸系統結構框架如圖1所示。

2 基于5G通信技術的系統硬件設計

2.1 監控子系統設計

監控子系統為ATS子系統，主要由位于控制中心的ATS中央控制子系統、位于ATS沿線站點及庫口的車站子系統等構成。該系統旨在實現對列車運行狀態的動態監測，一般由數據庫服務器、操作圖表/定時編輯中心、訓練/模擬中心、供電系統以及防雷器等構成。一般而言，控制中心高度站及總高度站依據線路長度設定，各高度站主要負責相應部分的線路控制。工作站之間有諸多冗余口，經過授權的工作站可以接管其他工作站的管理權限，以此來提升系統控制的可靠性[3]。此外，利用ATS主機服務器、數據庫服務器以及通信服務器則能實現軟件處理、報告生成及信息交互等功能。

2.2 控制器設計

以TI天線為主的天線系統與控制器協同運行，通過控制器所具備的信息反饋能力使駕駛員可以更有效、實時地調整列車[4]。整體而言，控制器是信息傳輸的主要平臺，涉及各子系統、設備之間的信息交互，其內部結構如圖2所示。

2.3 數據通信子系統設計

數據通信子系統一般由有線通信子系統與無線通信子系統構成，有線通信子系統又包括主干網絡、控制中心、軌道側網以及車輛網等，借助各種通信方式的協同可以發揮出不同的運行管理和控制功能。數字式通信子系統由控制中心與通信終端相連，利用地面接入AP實時連接各子系統與設備，完成對各類數據的傳輸和轉發[5]。在無線通信子系統的應用中，可以完成列車數據的傳輸與切換控制。具體而言，數據通信子系統設計如圖3所示。

3 基于5G通信技術的系統軟件設計

3.1 無線通信程序設計

在基于5G通信技術的系統無線通信程序設計中，主要利用Socket（套接字）來實現通信功能。通常套接字包括兩種類型，即數據報套接字和數據流套接字[6]。其中，數據報套接字具有無連接的特點，可以實現雙向數據流記錄，但難以確保信息傳輸的可靠性與順序。數據流套接字則是無記錄邊界的雙向數據流，可實現信息傳輸的有序、非重復。此外，Socket還可用于諸多結構模型中，屬于較為常用的服務器/客戶端模型。在實施無線通信的過程中，主要由客戶端與服務器程序協同完成，其發送的數據包信息如表1所示[7]。

表1 軟件程序數據包信息發送

3.2 通信信號損耗分析程序設計

設發送機與信息機的間距為d（單位為km）、接收電磁波為f、路徑損壞結果為Ploss,則受干擾通信信號損耗為：

除通信信號路徑損壞外，影響通信質量的因素還包括快速衰竭、陰影衰落以及線纜損耗等，具體計算公式為：

式中，Pt為系統內部發射功率；Gt為發射通信天線增益；GT為接收通信天線增益；P1為通信路徑信號損耗；a為損耗值。

4 基于5G通信技術的系統應用展望

4.1 提升信息傳輸速率

通信技術在城市軌道交通中的應用主要以LTE-M系統為主，頻段為1 785～1 805 MHz。由于各頻率資源存在局限，因此其獲批的帶寬僅為10 MHz，還需要將其劃分為各5 MHz的A網與B網，通信方式冗余。在此情況下，系統上行通信數據吞吐量最大為3.7 Mbit/s，最小為2.9 Mbit/s，平均值為3.3 Mbit/s；下行通信數據吞吐量最大為8.6 Mbit/s，最小為6.0 Mbit/s，平均值為8.4 Mbit/s。根據GB/T 38707—2020《城市軌道交通運營技術規范》，在不同的自動運行等級下，其業務數據信息傳輸速率要求也存在差異。隨著5G通信技術的應用，能夠依托多種技術優勢大幅提升頻譜效率，由此滿足城市軌道交通信息傳輸的需求，實現更多業務的拓展[8]。

4.2 端到端通信

目前，城市軌道交通通信主要應用CBTC列車控制系統，并且利用A、B兩套獨立列車-地面通信網絡，以避免在通信故障等緊急情況下造成不良影響。這種通信方式會增加設備投入，導致運維成本大幅提高[9]。而在5G通信技術的加持下，可以利用端到端技術簡化通信信號傳輸流程，無需依賴基站中轉，可實現列車與列車間的直接通信，大幅縮短了通信時延，全面提升通信的可靠性?；?G通信技術的端到端技術還可以實現列車首尾車載控制器無線通信，改變了傳統的貫通線通信方式。此外，其支持多跳技術和自組織網絡，能夠為其他設備提供通信鏈路，避免外部因素對網絡穩定性造成干擾。

4.3 無線設備組網通信

基于5G通信技術的信息傳輸優勢使網絡承載能力有效提升，改變傳統的有線通信安裝模式，降低設備的成本投入。此外，5G通信技術下的信息傳輸系統具有較好的穩定性和安全性，能夠實時對列車運行狀態進行采集，及時發現和處理各類潛在故障和問題。即便出現故障問題，也能夠快速進行定位[10]。

5 結 論

綜上所述，隨著城市軌道交通的快速發展，其對信息傳輸系統的依賴性愈發強烈。因此，必須加強對通信系統的建設與優化，持續提升城市軌道交通的通信組網能力，切實滿足其安全穩定運行的需求?；?G通信技術進行通信系統設計與應用，其速率高、時延低、帶寬大以及安全性高等特點能夠有效保障城市軌道交通的穩定運行。