基于5G的PIS文件传输方案

夏珊珊

（湖南工业大学 计算机学院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

PIS系统应用于轨道交通系统中，能够为乘客提供信息服务，同时为地面服务中心提供实时的视频监控数据，作为事故处理凭据。随着轨道交通信息化、智慧化程度的加深，PIS系统中主要传输的往往是以千兆字节为单位的视频数据文件，通过传统的LTE网络和WLAN网络传输视频文件要耗费许多时间，无法及时传递信息。5G移动通信可与智能建造、智慧车站等八种城轨业务相结合。基于此，本文设计的PIS系统中利用5G传输通道进行文件传输，以提高文件传输的速度，实现文件的车地传输。本方案能有效解决视频等大数据文件传输速度慢的问题。

1 总体方案

现有PIS系统可以分为总控制系统、站点系统、网络系统和车厢内系统四个部分，具有视频监控、列车广播、OCC广播、自动报站、视频显示等功能。文件数据通过WLAN网络（遵循IEEE802.11标准，理论上可以得到1 Gb/s的传输速率，但对硬件要求较高）和LTE承载网进行传输。

基于5G的PIS文件传输方案包括车载和地面两个部分。车载部分由OCS智能运维主机（以下简称OCS）、车载PIS系统（带显示屏）、地面PIS系统车载设备（以下简称地面PIS设备）和车载5G天线构成，地面部分由高速转储服务器、地面PIS中心和地面天线组成。其中，通过OCS、高速转储服务器和天线共同完成PIS视频文件和其他车载数据文件的传输任务。由于各个PIS厂商提供的PIS设备不同，为提高方案的普适性，将高速转储服务器充当数据传输的“桥梁”，数据经高速转储服务器后再发往OCS或地面核心交换机；地面PIS设备缓存由OCS转发的地面PIS中心发布的视频文件；车载PIS系统获取地面PIS设备的视频文件并通过显示屏进行播放，通过OCS实现监控视频落地。本方案可实现车载PIS视频传输、视频点播、监控视频自动落地等功能。系统的总体方案如图1所示。

图1 系统总体方案

实时监控视频由车载PIS主机推送给OCS，通过5G通道传输到地面。文件上传时，车载PIS系统每隔10 min向OCS推送视频文件，一个文件约200 MB，暂时存入OCS主机自带的数据存储硬盘中；OCS在具备传输条件时，自动向高速转储服务器传输文件，转储服务器通过以太网线与PIS中心相连，从而将文件传输至PIS中心。文件下载时，PIS中心先将播表、视频文件等发送至转储服务器，再由转储服务器发送至OCS主机暂存；同时，OCS主机将收到的视频文件数据发送至地面PIS设备，地面PIS设备通过AUDIO/VGA/485将视频数据发至车载PIS系统，最后通过显示屏播放。

2 文件传输方案具体设计

OCS相当于“数据的中转站”，采用多线程技术，可同时进行数据采集、处理、传输，开启多条数据传输线程，提高传输速度。传输过程中，OCS向地面服务器发送心跳报文，通过接收地面服务器的广播报文判断传输链路是否中断。

2.1 传输准备

车载数据关联关系如图2所示，OCS主机处理来自地面和车载两端的数据。在具备传输条件时（即OCS主机成功登录地面服务器，心跳报文正常，5G链路通畅），自动将列车运行过程中产生的数据传输到地面服务器，并且根据地面服务器发来的不同指令完成相应操作。

图2 车载数据关联关系图

OCS主机开机启动后会遍历一次主机上的文件，按时间删除旧文件，加载新产生的文件，监听数据收发端口，随时处理接收到的数据。接收到车载PIS的视频数据和TCMS监控数据等需要落地的数据后，将其加入到上传队列，再由上传线程传输到地面。当接收到转储服务器数据时，首先判断指令类型，若是播表发布指令，则解析报文中的文件路径、文件名、用户名、密码等信息，从指定目录下载视频文件；若是反馈指令，则向地面反馈数据传输情况。OCS主机同时还接收地面PIS设备的反馈报文，当文件下载失败时，反馈给PIS中心。具体数据处理流程如图3所示。

图3 OCS数据处理流程

2.2 车-地文件传输

车地通信接口采用基于RJ 45连接的TCP/IP接口，指令数据通信协议为UDP方式，视频、播表文件采用FTP方式进行传输。文件下载时（从地面服务器到车载PIS系统），OCS主机通过UDP报文包与车载PIS设备、地面服务器、地面PIS设备进行命令交互、点播文件；通过FTP文件传输方式将地面文件下载至车上。首先获取所需文件的文件路径和文件名，判断文件是否存在并下载，下载成功后向地面发送成功报文，将文件传输至地面PIS设备并记录到数据文件中；若下载失败，则向地面发送失败报文，等待10 s后重新下载，如果失败次数超过3次，则等待下一次下载线程。文件上传时（从车载网络到地面服务器），车载PIS系统以FTP方式将文件传送给OCS主机，列车到站或入库后将自动连接地面网络，建立5G传输链路，OCS主机通过FTP文件传输和冗余方式将文件发送至地面系统。先传输新文件，再传输旧文件。文件上传成功后记录到数据文件中，并发送到转储服务器；上传失败则向地面返回失败报文，等待10 s后重新下载，如果超过3次，则返回，等待下一次上传线程。

3 实验验证

在实验室搭建测试平台，进行车载OCS系统、地面PIS系统、车载PIS系统、地面服务系统之间的数据传输测试实验。实验测试了车地数据传输的速度和文件传输的准确性以及断点续传功能。实验证明，本方案在PIS系统大文件传输问题上具有可行性和较好的效果。

3.1 实验平台搭建

测试时，按照图4正确连接各测试设备并上电。其中车载网关设备包括OCS主机、车载PIS、地面PIS设备和其他车载设备及网络。配置发送端测试PC，在发送端测试的PC上创建并发送数据流量。设置地面服务器IP地址为192.168.100.200，设置OCS主机IP地址为192.168.100.10。

图4 测试配置

3.2 实验结果

OCS主机上的缓存文件如图5所示。可以看出，OCS主机收到了来自车载PIS系统的视频文件，表明OCS自动采集数据功能正常实现。

图5 OCS收到的车载PIS发来的视频

文件开始传输之前先利用PC机在车地两端的服务器互相ping对方的网络，检查网络是否通畅。在OCS主机上创建测试文件cicu_1.7和cicu_1.8。图6表示地面服务器正确收到了OCS主机上的文件，表明自动传输功能正常实现。

实验结果表明，车地通信正常，文件传输准确无误，本方案的基础功能可以实现。

图6 地面服务器收到来自OCS的文件

采用5G天线的速度查看工具可以观察到如图7所示结果，传输速度能达到1.5 Gb/s以上。

图7 传输速度

4 结 语

本文提出了一种新的PIS系统传输方案，利用5G大带宽、高速度、低时延等特点，将PIS中的视频等大文件通过5G通道传输，实现了PIS大文件的高效快速传输。实验结果证明，地面系统和车载网络可以正常通信，车载数据可以自动、准确地传输到地面服务器；当服务器中断重连后，仍可以继续传输数据。经过测试，使用5G通道传输数据时，可以达到1.5 Gb/s的传输速度，让视频传输更清晰流畅，能够给乘客带来更好的乘车体验。由于历史发展原因和传输技术、数据处理技术的不断进步，PIS系统正在朝着车地一体化、云化的方向发展。将5G应用于轨道交通是目前研究的热点之一，不止是监控视频的传输，列车运行的其他数据的传输、视频转播、直播以及为旅客提供更好的上网体验等，都是值得探索的方向。