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)
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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]。
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。
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]。
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。