基于移動中繼增強機制的多機車同步操控無線通信策略

袁天洋， 吳 昊， 柴金川， 丁建文

(1. 北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室, 北京 100044;2. 中國鐵道科學研究院 國家鐵道試驗中心， 北京 100015)

目前重載運輸已成為國內外貨物運輸的主要發展趨勢。萬噸以上重載列車須采用多機車同步操控(LOCOTROL)共同牽引的方式[1]，機車間通過無線通信進行信息傳輸。由于無線通信的質量和時延直接影響到同步操控時的制動和縱向沖動，無線數據傳輸系統的方案和性能成為開行無線同步操控重載組合列車的關鍵[2]。最簡單的機車間通信方式是主控機車通過車頂天線將信息直接發向從控機車，從控機車通過車頂天線接收信號。然而，由于車頂天線發射功率和車載通信單元信號處理能力的限制，該通信方式不能滿足同步操控系統對通信質量的要求。目前國內外主要采用鐵路綜合數字移動通信系統(GSM-R)傳輸LOCOTROL控制信號數據，并在其基礎上開發了點對多點的數據會議系統[3]，可以滿足不同運輸編組方式的信息傳輸要求。然而，根據實際中對鐵路沿線各區間段通信的監測數據，現今重載線路上部分地區依舊存在GSM-R弱場覆蓋或通信不穩定的情況。另外，在該系統環境下每個機車都需要建立與GSM-R網絡的專用電路交換數據傳輸信道[1]，從而造成通信鏈路環節較多，流程較為復雜，進而提升了同步操控系統出錯風險。

移動中繼技術是近年來鐵路通信中的一個研究熱點。目前針對該技術的研究主要面向普通汽車和客運列車[4-5]，本文將該技術引入到重載鐵路中，用于提高同步操控系統的可靠性。與普通的車載通信設備相比，移動中繼具有強大的信號收發和信息處理能力，能夠在一定條件下滿足同步操控系統對通信質量的要求。因此，為提高同步操控系統的可靠性，考慮給主控機車安裝小型的移動中繼站，移動中繼在發送控制命令前比較其與GSM-R網絡之間和與從控機車之間的信道質量，并據此選取通信鏈路與從控機車通信。這相當于在原有的GSM-R通信機制基礎上設計了一個移動中繼增強機制，提升同步操控系統的可靠性。本文進一步描述在同步操控系統中采用移動中繼技術的通信機制的原理，并分析該機制的可行性，然后通過Petri網建模仿真驗證移動中繼增強機制的通信可靠性，并與目前的GSM-R通信機制作比較。

1 重載鐵路中的移動中繼增強機制

1.1 傳統通信機制

傳統的車載通信設備由通信輸入/輸出模塊(CIOM)和車載通信單元(OCU)組成；GSM-R網絡由地面基站設備、中心控制單元等組成。當主控機車給從控機車發送指令時，主控機車首先將信息通過GSM-R網絡發送給地面應用節點(AN)，AN再通過GSM-R網絡將信息轉發給從控機車[1]。以雙機車頭共同牽引模式為例，傳統GSM-R通信機制架構見圖1。

1.2 移動中繼增強機制

目前的重載鐵路列車有2×10 000 t、4×5 000 t等組合方式[6]。以雙機車頭共同牽引模式為例，移動中繼通信機制的網絡架構見圖2。

主控機車頂部的移動中繼和從控機車的車頂天線均應具備多模通信能力。在列車行進過程中，主控機車頂部的移動中繼實時測量其與GSM-R網絡間和與從控機車間的信道質量。GSM-R網絡在郊區、山區等地區的小區覆蓋半徑通常為若干公里，因此在GSM-R網絡小區邊緣等地區，GSM-R信號強度較低，移動中繼與從控機車間的信道條件相對較好。當發送控制命令時，若移動中繼與從控機車間的信道條件較好，則主控機車將與從控機車直接通信，發送的信息不再通過GSM-R網絡(以下簡稱為直傳模式)；若移動中繼與從控機車間的信道條件和與GSM-R網絡間的信道條件相似，考慮到直傳模式可以使通信流程相對簡化，通信節點較少，進而數據傳輸成功率較高，依然選擇使用該模式通信；若移動中繼與GSM-R網絡間信道條件較好，則采用傳統的GSM-R數據會議系統通信。在此，移動中繼增強機制包含了直傳模式和傳統的GSM-R傳輸模式，相當于在二者間做選擇，也是對GSM-R機制的補充與改進。移動中繼增強機制既在一定程度上避免了傳統GSM-R機制中由于弱場而導致的控制信息傳輸失敗情況，又在一定條件下簡化了通信流程，進一步提高同步操控系統的可靠性。

發車前列車需要向控制中心通報車載移動中繼與從控機車通信時所要使用的頻段。在行進過程中，沿途經過的基站設備應避免使用該頻段通信。移動中繼需要具備較大的發射功率，以及較強信號糾錯和檢錯能力，以便于與距離1 300 m外的從控機車進行有效通信。同時，在設計移動中繼時，可為其安裝有向天線，并令其具備根據從控機車位置調整信號發射方向的能力，以削弱因上下坡等情況帶來的信道質量下降的影響，更好地發揮它的作用。

在此，主控機車車頂移動中繼在必要時也可將來自調度中心的信息轉發給從控機車。目前，車載中繼的轉發方式有放大轉發、解碼轉發、編碼協作等。其中，放大轉發方式較為簡單，對中繼的性能要求較低，但可靠性較差，而另外兩種方式需要較高性能的中繼才能取得較好的轉發效果。在實際中，可針對具體環境和中繼器的性能選取合適的轉發方式。

2 移動中繼增強機制通信質量驗證

考慮到行車安全，車載移動中繼距地面高度不應超過3 m。因此，需要采用適用于低天線高度的經驗模型對通信質量進行仿真。K.Konstantinou于2007年提出了針對低高度天線的2.1 GHz室外中繼傳播模型[7]。2.1 GHz與GSM-R網絡的工作頻段并不沖突，因此本文中移動中繼使用2.1 GHz頻段與從控機車直接通信，而車頂天線在經過調整后也可以使用該頻段進行通信。該模型適用于密集城市和郊區場景，其中視距可見模型適用于郊區場景。大秦線等主要重載鐵路線路的分布區域集中在郊區和山區，且彎道較少，多數情況下主控機車與從控機車間視距可見，因此可以采用該模型中的視距可見模型近似對本文提出的機制的通信質量進行仿真驗證。由此，本文僅給出視距下的路徑損耗計算公式

LLOS=26.6-20lg(λ)-2.24ht-4.9hr+

29.6lgd+C

( 1 )

式中:LLOS為視距下路徑損耗；ht和hr分別是發射和接收天線距地面高度；d是發射機和接收機之間的距離；λ為波長；C為陰影衰落因子，近似服從均值為0、標準差為6～11 dB的對數正態分布，標準差與傳輸距離、障礙物分布等因素有關。

當前開行的重載列車總長度約為2 600 m。以雙機車共同牽引模式為例，每個萬噸列車長度(即機車間距)約為1 300 m[1]，因此機車間信號傳輸距離基本介于1 200 m至1 400 m之間。設車載移動中繼電路域模塊發射功率為8 W，移動中繼與從控機車車頂天線均有12 dBi增益[8]，通信頻率為2.1 GHz，移動中繼和車頂天線頂部距地面2.8 m(其中，機車高度為2.5 m，中繼高度為0.3 m)，陰影衰落標準差為11 dB(即最大標準差)，得到的信號傳輸距離與從控機車天線接收電平的關系見圖3。

圖3(a)為不考慮陰影衰落情況下信號傳輸距離與從控機車天線接收電平的關系。其中，當信號傳輸距離為1 300 m時，從控機車接收電平為-52.65 dbm。圖3(b)為標準差為11 dB的陰影衰落概率密度分布，其中陰影衰落以極大概率不超過40 dB。根據文獻[9]，機車車頂天線處的最小接收電平不低于-92 dBm。根據圖3中的仿真結果，采用移動中繼通信后從控機車最小電平以高于99.99%的概率滿足規范要求。因此使用移動中繼與從控機車直接通信可基本滿足同步操控系統對通信質量的要求，在原有系統基礎上提高通信可靠性。

3 通信流程有色Petri網建模

有色Petri網(CPN)作為一種高級Petri網，被認為是基于網絡復雜系統建模和分析的最佳工具。CPN不僅具有普通Petri網描述并發、同步、異步、資源競爭、協調等離散事件動態系統行為的功能，而且結合高級編程語言和建模的層次結構，能夠完成包含復雜數據類型定義和數據處理的大型系統建模[10-11]。因此，可以使用CPN為通信系統中數據傳輸流程搭建一個模型，并在模型中設置各節點處的傳輸參數(如丟包率、傳輸時延)，然后通過多次模擬數據傳輸過程得到系統的數據傳輸成功率，并以傳輸成功率判定通信可靠性。本文將采用無線傳輸丟包率和傳輸時延反映無線傳輸的信道條件，丟包率越高、傳輸時延越長，則表示無線信道條件越差。

移動中繼增強機制包含3種情況：直傳模式信道條件優于GSM-R傳輸模式；直傳模式信道條件與GSM-R傳輸模式相似；直傳模式信道條件劣于GSM-R傳輸模式。本文將重點證明第2種情況下直傳模式的信息傳輸成功率明顯高于GSM-R傳輸模式，并由此推斷出第1種情況下該結論也成立，以證明采用移動中繼增強機制可以在部分情況下提高數據傳輸成功率，即提升同步操控系統的可靠性。因此，本文將對GSM-R傳輸模式和直傳模式分別建立有色Petri網，對比其在相似信道條件下的數據傳輸成功率。

GSM-R傳輸模式的詳細通信流程為：主控機車將控制命令通過GSM-R網絡發送給AN，AN在收到命令后給主控機車發送應答(Ack)信息，同時將信息轉發給從控機車。主控機車在收到AN的Ack信息前，每隔300 ms向AN重新發送控制命令，直到收到AN的Ack信息。從控機車在收到AN轉發的控制信息后，向AN發送Ack信息。AN在收到從控機車的Ack信息前，每隔300 ms向從控機車重新發送控制命令，直到收到從控機車的Ack信息。在信息傳輸時延上限內(如1 s)，若主控機車沒有收到AN的Ack信息，或AN沒有收到從控機車的Ack信息，則判定傳輸失敗。另外，若傳輸過程中地面設備有某個節點故障，則直接判定為傳輸失敗。

直傳模式的詳細通信流程為：主控機車通過無線信道向從控機車發送控制命令，從控機車在收到控制命令后向主控機車發送Ack信息。主控機車在收到從控機車的Ack信息前，每隔300 ms向從控機車重新發送控制命令，直到收到從控機車的Ack信息。在信息傳輸時延上限內(如1 s)，若主控機車沒有收到從控機車的Ack信息，則判定傳輸失敗。

本文以雙機車頭共同牽引模式為例，應用CPN Tools 4.0對GSM-R傳輸模式和直傳模式分別建立帶有時間戳的CPN模型。

圖4為GSM-R傳輸模式的CPN模型。圖4(a)為頂層模型，圖4(b)為復合變遷Transmission 1的子模型。鐵路電路數據業務(CSD)中各節點間以數據包的形式傳遞信息，因此可以將CPN模型中的Token看作通信網中的數據包，將其在模型中傳遞，以達到模擬實際通信網的效果。該模型所傳輸的Token帶有時間戳，Token每進行一次無線傳輸或有線傳輸操作其時間戳數值均要有一定的增長，增長的數值相當于每次傳輸耗費的時間，耗費時間根據傳輸類型服從不同的隨機分布。

在頂層模型中，復合變遷Arrival用于生成Token，并將其發送；復合變遷Calculation用于計算完成總傳輸流程的Token的傳輸時延并判別該Token是否傳輸成功；復合變遷Transmission1為主控機車與AN間的通信網；復合變遷Transmission2為AN與從控機車間的通信網；復合變遷AN Packet Deal用于判定AN處理數據時是否有丟包現象發生，并將數據包轉發。

Token進入Transmission1后首先通過復合變遷Air Transmission Up來判別無線上行傳輸部分是否傳輸成功，并在時間戳中加上一個隨機的傳輸時延。若判定傳輸成功則被送到庫所GSM-R Network Up中；若判定傳輸失敗則被送到庫所Transmission Fail 1中，進而被送回入口庫所Packet to Send。函數ResendTime1可以通過Token所攜帶的信息將其時間戳設定為上次進入Air Transmission Up后的300 ms。雖然本模型中的機制是Token被送回Packet to Send然后被定時重新發送，但與主控機車在300 ms內沒有收到來自AN的Ack信息則重新發送數據是等效的。當無線上行傳輸成功后，Token被發送到復合變遷Packet Transmission 1中被判定有線上行傳輸是否成功。與無線傳輸不同，有線傳輸無論成功與否Token均被復制為2個發往庫所An Ack(用于應答主控機車)和庫所An Receive(用于發送給AN)。若判定傳輸成功則在時間戳中加上一個隨機的傳輸時延；若判定為傳輸失敗則在Token攜帶的信息中標記該Token傳輸失敗，并將其直接送往終點，中間不再做任何操作。Packet Transmission 2為判定有線下行傳輸是否成功的變遷，其原理與Packet Transmission 1相似。當有線下行傳輸成功后Token進入復合變遷Air Transmission Down判定無線下行傳輸是否成功，并在時間戳中加上一個隨機的傳輸時延。若傳輸成功則被發送到庫所Ack Receive中，這樣該Token就不會再被重傳，等效于主控機車收到了Ack信息；若傳輸失敗則被送回入口庫所Packet to Send經定時后重傳。在此，無論無線上行傳輸失敗還是下行傳輸失敗均相當于主控機車沒有收到來自An的Ack信息，進而主控機車將定時重傳信息，因此無線上行和下行傳輸失敗的Token可被以通過同樣的方式送還到入口庫所Packet to Send中，并經定時后重傳。Token被送到Ack Receive后會在頂層模型中被送到Calculation中，在計算時延后用于判斷總體傳輸流程是否成功。

Token進入復合變遷Transmission2后，經由相似的流程進行傳輸。Token被發送到Transmission2的出口庫所相當于AN接收到了從控機車的Ack信息。此時，Token將被送到Calculation中，在計算時延后用于判斷總體傳輸流程是否成功。

復合變遷Calculation判斷Transmission1中出口庫所Ack Receive發送來的Token和Transmission2中出口庫所發送來的Token的傳輸時延是否滿足要求，只有當2個Token的傳輸時延均在規定的時延內才判定該次數據傳輸成功。

由于受仿真軟件限制，無法使用實測數據進行仿真。CPN Tools 4.0支持從均勻分布、正態分布、瑞利分布等分布函數中隨機抽樣，其中瑞利分布最能滿足對選取耗費時間、傳輸成功率的要求。取耗費時間、數據包傳輸成功率根據傳輸類型服從不同尺度的瑞利分布。由于各節點的傳輸時延、傳輸成功率為隨機函數，每次傳輸成功與否均帶有隨機性。該模型每執行一個流程相當于主控機車給從控機車傳輸一條數據，限定系統參數后進行多次重復獨立實驗即可測得該參數下的傳輸成功/失敗率。例如，假設無線傳輸丟包率為0.01%，傳輸時延服從尺度為100 ms的瑞利分布，有線傳輸丟包率為0.001%，傳輸時延服從尺度為20 ms的瑞利分布，傳輸時延上限限定為1 s，在該條件下進行500 000次重復獨立的數據傳輸實驗，所得的傳輸成功/失敗次數即可反應該條件下的傳輸成功/失敗率。進行多次這種500 000次重復獨立實驗，將結果取均值，即可得出更準確的傳輸成功/失敗率。

圖5為直傳模式的CPN模型。其中，圖5(a)為頂層模型，圖5(b)為復合變遷Transmission的子模型。該模型的中各變遷的作用與GSM-R傳輸模式中的相似，在此不再做詳細描述。顯然，直傳模式的通信流程比GSM-R傳輸模式簡化了很多，其中無線傳輸鏈路數量為GSM-R傳輸模式的一半，且省去了所有地面設備傳輸與操作流程。

4 仿真結果對比

根據實測統計數據，GSM-R網絡中由非切換引起的電路數據業務(CSD)誤包率通常不超過0.04%[12]。另外，根據文獻[13]，從主控機車發送數據幀時刻開始，到從控機車接收到數據幀時刻為止，其時間間隔不應大于1 s；AN的可用性應大于99.999%。根據上述參數，假設數據包大小為30字節，傳輸速率為9.6 kbit/s，GSM-R與移動中繼增強機制在無線傳輸部分取相同參數(即二者信道條件相似)，CPN模型的參數設置見表1。

表1 CPN模型參數設置

需要說明的是，在無線傳輸過程中，若丟包事件發生，則表明該時刻信道條件不佳。根據實測的統計數據，多數情況下數據包重傳情況事件的發生會伴隨信道質量降級，且重傳次數越多信道質量降級程度越高。因此本文中設置數據包每被重傳一次后再經歷無線傳輸時，傳輸時延分布尺度遞增100 ms，丟包率分布尺度遞增10%。另外，多數情況下上行鏈路質量比下行鏈路要差，因此在仿真過程中取上行鏈路的初始傳輸丟包率和傳輸時延均為下行鏈路的2倍。

分別取無線下行傳輸初始丟包率為0.01%、0.02%，所得信息傳輸時延上限和傳輸失敗率的關系見圖6(a),由于直傳模式的通信流程比GSM-R模式相對簡單，當二者之間無線傳輸丟包率、傳輸時延分別相同，即無線信道條件相似的情況下，移動中繼增強機制中直傳模式的傳輸失敗率明顯低于GSM-R傳輸模式。其中，當無線下行傳輸丟包率為0.01%時，若傳輸時延上限為500 ms，則直傳模式的傳輸失敗率是GSM-R傳輸模式的23.2%；若傳輸時延上限為1 000 ms，則直傳模式的傳輸失敗率是GSM-R傳輸模式的19.5%。另外，即使直傳模式丟包率為GSM-R傳輸模式的2倍時，前者傳輸失敗率也低于后者。

由圖6(a)可知，各傳輸機制下單次傳輸成功率均在99.8%以上。然而，在列車行駛途中可能會有上千次的信息傳輸過程，任意一次控制命令傳輸失敗均可能導致車廂間脫鉤、制動失效等危險事件發生。以圖6(a)的傳輸單次失敗率為基礎，計算1 000次數據傳輸全部成功的概率，所得傳輸時延上限與其關系見圖6(b)。由圖6(b)可知，在單次傳輸成功率較高的情況下，1 000次傳輸全部成功的概率會明顯降級。其中，對于GSM-R傳輸模式，當丟包率為0.02%，傳輸時延上限為500 ms時，雖然單次傳輸成功率高達99.85%，但1 000次傳輸全部成功概率僅為22.6%。另外，圖6(b)中GSM-R傳輸模式所能達到的最高成功率為81.84%，移動中繼增強機制所能達到的最高成功率為96.22%。

綜上，當直傳模式的丟包率和傳輸延遲與GSM-R傳輸模式相似或低于GSM-R時，由于直傳模式通信流程相對簡單，其信息傳輸成功率明顯高于GSM-R傳輸模式。另外，當直傳模式丟包率一定程度高于GSM-R傳輸模式時，其信息傳輸成功率也有可能高于GSM-R傳輸模式。因此，采用移動中繼增強機制可以更有效地避免因機車間不同步而導致脫鉤、剎車失效等危險事件的發生，明顯提高同步操控系統的可靠性。

5 結束語

本文針對重載列車同步操控系統提出了移動中繼增強機制。對該機制與傳統GSM-R機制在原理上進行了分析與比較，并通過使用室外中繼傳播經驗模型對移動中繼增強機制進行Matlab仿真，驗證該機制中直傳模式在多數情況下可滿足同步操控系統對通信質量的要求；針對移動中繼增強機制直傳模式與GSM-R傳輸模式分別建立了CPN模型，并通過模型對2種傳輸模式的可靠性進行了仿真。仿真結果表明，相比于GSM-R機制，采用移動中繼增強機制可以明顯提高同步操控系統的通信可靠性。

本文中設計的移動中繼增強機制暫時僅適用于雙機共同牽引模式，且僅從理論上定性分析了該機制的優勢，另外尚未給出主控機車選擇傳輸模式時的具體門限參數。下一步將研究針對4臺機車牽引模式的移動中繼增強機制，并在實際中對該機制進行驗證，同時根據實測統計數據細化選擇流程。

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