基于鐵路下一代移動通信系統的CTCS-3 列控數據傳輸接口及協議研究

石 杰 李 莉

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

目前，CTCS-3列控系統已在我國高速鐵路得到大規模應用，基于GSM-R系統傳輸車地信息，CTCS-3列控系統對GSM-R系統的需求以及兩個系統之間的接口等規范均已制定，CTCS-3列控系統基于GSM-R系統傳輸車地信息的應用已非常成熟。

然而，GSM-R系統作為一種窄帶通信系統，4 MHz帶寬的業務承載能力有限，在鐵路大站、樞紐地區及并線區域，已經出現系統內部同頻、鄰頻干擾嚴重等問題，網絡規劃難度不斷加大。同時，為進一步保障鐵路運行安全，提高運輸效率，改善服務質量，各種鐵路移動通信業務需求，特別是寬帶移動通信業務需求與日俱增。但鐵路多媒體調度指揮通信、列車遠程監控及鐵路基礎設施監測、鐵路物聯網、站場無線通信、旅客服務信息傳送等業務因帶寬限制無法實現由GSM-R系統承載。

為解決目前存在的問題，并考慮未來業務需求，GSM-R系統需向下一代移動通信系統演進。下一代移動通信系統應具有支持帶寬高、頻譜利用率高、低時延、更高的服務質量保障、支持高速移動性等優勢。目前，LTE以其技術和產業鏈的成熟度在國內外鐵路、軌道交通領域獲得廣泛關注，已開展相關研究、試驗和應用工作，部分地區已建設基于LTE系統的專網。我國鐵路也已啟動LTE-R系統的相關科研和試驗工作。

在承載列控業務方面，從列控業務應用現狀及未來發展需求來看，也需要移動通信網絡提供更優的承載能力與更加安全可靠的服務能力。國外鐵路已開展基于LTE系統承載列控業務的相關研究工作，但還沒有明確的成果，國內鐵路的研究也是剛剛開始。

綜合鐵路移動通信系統向下一代演進的趨勢、CTCS-3列控系統對數據傳輸的需求，我國鐵路有必要加快開展基于鐵路下一代移動通信系統承載列控業務的相關研究。這對于鐵路移動通信網絡為列控系統提供更優的通信保障，提高我國在國際上的技術領先地位均具有重要意義。

需要注意的是，鐵路下一代移動通信系統為寬帶移動通信系統，采用分組技術，其在網絡服務質量、網絡架構、與應用系統的接口、組網方案、安全技術等方面與GSM-R均存在較大差異。本文以LTE-R系統為例，著重從LTE-R系統與CTCS-3列控系統的接口及協議方面展開研究，希望通過本文的研究，提出LTE-R系統承載CTCS-3列控系統的接口及協議方案，為后續標準化、相關產品研發和工程實際應用提供支撐和參考。

2 CTCS-3列控系統與鐵路下一代移動通信系統接口研究

2.1 CTCS-3列控系統與GSM-R系統接口

CTCS-3列控系統與GSM-R系統的接口為IFIX接口、IGSM-R接口。

IFIX接口為CTCS-3列控系統RBC與GSM-R系統MSC間接口，用于傳輸RBC與GSM-R系統間的呼叫建立、數據傳輸、呼叫清除等信息。IGSM-R接口為CTCS-3列控系統車載無線傳輸單元（簡稱CTCS-3車載無線傳輸單元）與GSM-R車載電臺間接口，用于傳輸CTCS-3車載無線傳輸單元與GSM-R車載電臺間的呼叫建立、數據傳輸、呼叫清除等信息。

接口示意如圖1所示。

圖1 CTCS-3列控系統與GSM-R系統接口示意圖Fig.1 Interface betweeen CTCS-3 train control system and GSM-R system

對于現有的CTCS-3列控系統車載無線傳輸單元，與GSM-R車載電臺的接口采用串口方式，通過AT命令對車載電臺進行控制，CTCS-3列控系統生成HDLC幀，由GSM-R車載電臺、GSM-R網絡進行透明傳輸，傳送到RBC。GSM-R系統為CTCS-3列控業務提供4.8 kbit/s的傳輸速率。

2.2 CTCS-3列控系統與鐵路下一代移動通信系統車載接口

鐵路下一代移動通信系統以LTE-R系統為例，當由LTE-R系統承載列控業務時，LTE-R系統能夠提供更高的傳輸速率，LTE-R系統與CTCS-3列控系統之間的接口應采用支持更高傳輸速率的接口，以匹配LTE-R系統的傳輸能力。考慮到接口設計的穩定性，建議參考移動通信向IP化發展的趨勢，LTE-R系統與CTCS-3列控系統接口考慮IP化思路。

但是，考慮到LTE-R網絡建設初期，已經上線運行的CTCS-3列控系統車載設備短時間內難以實現全面改造，因此，CTCS-3列控系統與LTE-R系統的車載接口方案可分兩種情況。

2.2.1 CTCS-3列控系統車載對外接口不變時的方案

此方案在CTCS-3列控系統車載對外接口不變的情況下，為了實現與LTE-R系統互聯，基于LTE-R系統實現數據傳輸，需增加協議轉換單元，如圖2所示。

圖2 CTCS-3列控系統對外接口不變情況下方案示意圖Fig.2 The scheme in the condition without changing any interface of CTCS-3 system

協議轉換單元實現兩個功能。

1）AT命令轉換：將原GSM-R電路域AT命令轉換為LTE-R分組域AT命令。重點包括連接建立與連接釋放階段的AT命令。

2）數據格式轉換：將原HDLC幀封裝為IP包，交給LTE-R車載電臺傳輸，即需要將原HDLC幀按照IP協議進行再封裝。

此方案適用于已經上線運行，短時間內難以進行改造的CTCS-3車載系統，方案具備快速部署的優點。但從列控數據處理過程來看，相當于在原協議（應用層—安全層—傳輸層—網絡層—數據鏈路層（HDLC））基礎上新增加IP協議的處理過程，增加了協議的復雜度和系統處理時延。同時，隨著協議轉換單元的引入，系統故障點會增加，穩定性較差，總體來看不是完美的解決方案，建議僅在初期過渡階段使用此方案。

2.2.2 CTCS-3列控系統車載對外接口改造時的方案

此方案是當CTCS-3列控系統具備改造條件時，建議其改造對外接口。

控制命令，仍然為AT命令，建議采用串口方式傳輸；對于用戶數據，需要提供高速率的接口，建議采用標準100BASE-T以太網接口或USB接口。接口物理針腳的定義根據接口類型確定。

當接口采用標準100BASE-T以太網接口時，信息傳輸符合如下協議。

1）傳輸層：UDP協議或TCP協議；

2）網絡層：IP協議；

3）網絡接口層：IEEE802.3標準以太網。

接口需具備以下4種功能。

1）AT命令接口：對LTE-R終端模塊進行初始化、注冊、激活承載等操作。

2）數據傳輸接口：傳輸ATP與RBC之間的列車控制消息。

3）消息跟蹤接口：提供LTE-R終端模塊空中接口消息，便于進行故障分析。

4）監測接口：提供LTE-R終端模塊的工作狀態。

此方案需要CTCS-3列控系統車載無線傳輸單元做協議棧修改，與列控系統產品演進規劃相關，實施可能不會太快速，但與列控系統不做修改相比，不需引入轉換單元，協議處理機制得到簡化，同時，此方案與移動通信網的IP化發展方向一致，后續移動通信網演進，此方案不需再做修改，從長遠來看具有較大優勢。

2.3 CTCS-3列控系統與鐵路下一代移動通信系統地面接口

目前，CTCS-3列控系統地面設備與GSM-R系統之間接口采用PRI協議，為基于電路域的接口。鐵路下一代移動通信系統以LTE-R系統為例，LTE-R系統PGW對外提供的為以太網接口，建議CTCS-3列控系統地面設備與PGW之間直接改造為以太網接口。

地面接口建議采用標準100BASE-T以太網接口，即接口信息傳輸符合如下協議：

1）傳輸層：UDP協議或TCP協議；

2）網絡層：IP協議；

3）網絡接口層：IEEE802.3標準以太網。

接口需具備以下兩種功能。

1）數據傳輸接口：傳輸ATP與RBC之間的列車控制消息。

2）監測接口：提供LTE-R網絡地面設備的工作狀態。

3 CTCS-3列控系統基于鐵路下一代移動通信系統傳輸的協議研究

3.1 CTCS-3列控系統基于GSM-R系統傳輸的通信協議

CTCS-3列控系統基于GSM-R系統傳輸數據時，采用如下通信協議：應用層數據經過安全層、傳輸網、網絡層處理，最后經數據鏈路層打包成HDLC幀，提供給GSM-R系統車載終端，即GSM-R系統需要承載的用戶數據為HDLC幀，如圖3所示。

圖3 CTCS-3級列控系統基于GSM-R傳輸的通信協議Fig.3 Communication protocol for CTCS-3 system data transmission based on GSM-R

各層的處理過程如下：

1）安全層根據所傳輸的數據類型，為用戶數據增加一個報頭和MAC(有的不存在MAC域)；

2）傳輸層給數據增加了一個報頭，然后根據數據長度，必要時，將數據分段/重組；

3）網絡層將數據分段，每段最大長度為32 Byte，然后加上兩個字節的報頭；

4）鏈路層將根據數據類型及應用的幀格式，對其進行封裝。

5）最后，將封裝好的數據提交給GSM-R系統傳輸。

3.2 CTCS-3列控系統基于鐵路下一代移動通信系統傳輸的通信協議

鐵路下一代移動通信系統以LTE-R系統為例，根據2.2節CTCS-3列控系統與LTE-R系統車載接口的兩種方案，CTCS-3列控系統基于LTE-R傳輸時的通信協議也分為兩種情況。

對應于CTCS-3列控系統與LTE-R系統車載接口方案一，CTCS-3列控系統通信協議不做修改，需要將HDLC幀再封裝為IP包，如圖4所示，此方案增加了協議處理的復雜性和處理時延。

圖4 CTCS-3列控系統基于LTE-R傳輸的通信協議（一）Fig.4 Communication protocol for CTCS-3 system data transmission based on LTE-R (scheme 1)

對應于CTCS-3列控系統與LTE-R系統車載接口方案二，建議改造CTCS-3列控系統現有的通信協議，簡化數據處理流程，原應用層和安全層不變，修改傳輸層、網絡層和數據鏈路層協議，此方案列控數據處理流程如圖5所示。

考慮到CTCS-3列控業務對數據傳輸可靠性要求非常高，出錯概率盡量降低，因此傳輸層使用TCP協議而不是UDP協議，能把出錯的可能性降到最低。另外，需要綜合考慮安全層功能，確定是否需要在安全層與傳輸層之間增加適配功能。

圖5 CTCS-3列控系統基于LTE-R傳輸的通信協議（二）Fig.5 Communication protocol for CTCS-3 system data transmission based on LTE-R (scheme 2)

此方案與方案一相比，簡化了通信協議，與移動通信網的IP化發展方向一致，后續移動通信網演進，此協議不需再做修改，從長遠來看具有較大優勢。

上述研究中，鐵路下一代移動通信系統以LTE-R系統為例，當采用其他技術時，接口及協議研究思路類似，建議列控系統考慮移動通信系統從基于電路域傳輸向基于分組域傳輸演進的趨勢，并根據CTCS-3列控系統綜合評價，確定接口及通信協議方案。

4 結束語

本文結合鐵路移動通信網發展趨勢以及CTCS-3列控系統基于鐵路移動通信系統傳輸數據的現狀、業務需求，提出CTCS-3列控系統與鐵路下一代移動通信系統之間的接口方案，包括車載接口和地面接口，并為適應鐵路下一代移動通信系統特點，給出CTCS-3列控系統通信協議建議方案，可供設備研發、系統設計等參考。