基于LTE D2D通信技術(shù)的列車通信

林 鵬 徐中偉 梅 萌

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)能夠確保列車靈活、高效運(yùn)行。但近年來，采用CBTC系統(tǒng)的線路仍時(shí)有事故發(fā)生。2011年9月11日，上海軌道交通10號線發(fā)生列車追尾事故，造成295人受傷；2017年11月15日，新加坡地鐵發(fā)生列車碰撞事故，造成28人受傷。這些事故都造成了巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。事故原因是，CBTC系統(tǒng)地面設(shè)備故障，事故列車無法識(shí)別其他列車，因而不能實(shí)施有效控制。那么，如果列車具有自主運(yùn)行能力，并且各車之間能夠直接通信，就可有效避免列車追尾或碰撞事故的發(fā)生。這一技術(shù)將成為新一代CBTC系統(tǒng)的一個(gè)重要著力點(diǎn)。

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，新一代CBTC系統(tǒng)引入“以列車為核心”和“車車通信”兩個(gè)概念。“以列車為核心”是指列車的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、進(jìn)路辦理由列車自己完成，不再經(jīng)由傳統(tǒng)的軌旁設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。“車車通信”是指兩列列車間的直接通信，可使前后兩列列車自主實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)[5]。本文重點(diǎn)關(guān)注列車之間直接通信的車車通信技術(shù)，考慮將LTE (長期演進(jìn))D2D(設(shè)備到設(shè)備)技術(shù)應(yīng)用于車車通信之中，并設(shè)計(jì)可行的技術(shù)方案，仿真分析系統(tǒng)的性能。

1 D2D和車車通信技術(shù)

1.1 D2D通信技術(shù)

D2D通信技術(shù)是LTE乃至5G的重要技術(shù)之一，能提供移動(dòng)終端之間直接通信的能力。D2D通信指的是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用戶設(shè)備在近距離范圍內(nèi)依靠建立終端直連鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的通信方式，數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。與傳統(tǒng)的終端間基于ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用)頻段的通信技術(shù)不同，D2D通信基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，UE(移動(dòng)終端設(shè)備)間可以通過授權(quán)的頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而能夠在保證通信質(zhì)量的前提下提高數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

D2D通信的基本概念最早出現(xiàn)在文獻(xiàn)[1]中。文獻(xiàn)[1]提出了一種結(jié)合單跳蜂窩網(wǎng)(SCN)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)(MCN)，并對比了SCN與MCN的吞吐量，證明MCN確實(shí)能提高吞吐量。D2D通信可分為Inband Underlay、Inband Overlay、Outband Controlled和Outband Autonomous 4種情況[2]，分別表示D2D通信在授權(quán)頻段使用與基站相同的信道、在授權(quán)頻段使用與基站不同的信道、在未授權(quán)頻段由基站控制D2D通信、在未授權(quán)頻段通信設(shè)備自組織通信，現(xiàn)有的研究多集中于Inband Underlay，重點(diǎn)考慮頻譜資源分配與功耗的控制問題。

近幾年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織不斷加快對D2D通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。3GPP(第三代合作計(jì)劃)于2011年9月提出了近鄰服務(wù)研究項(xiàng)目(ProSe SI)，該項(xiàng)目關(guān)注D2D通信的具體實(shí)現(xiàn)、技術(shù)細(xì)節(jié)和適用場景。Release 12標(biāo)準(zhǔn)針對基于LTE-A核心網(wǎng)平臺(tái)的D2D通信技術(shù)進(jìn)行探討，同時(shí)也展示了不同的D2D通信場景和需求，如本地?cái)?shù)據(jù)交換、公共安全服務(wù)等[3]。Release 14標(biāo)準(zhǔn)圍繞D2D通信進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)和通信協(xié)議的詳細(xì)設(shè)計(jì)和規(guī)范[4]。

1.2 車車通信技術(shù)及其可行性分析

列車間能否實(shí)現(xiàn)長距離直接通信，以及D2D通信技術(shù)能否滿足車車通信的要求是本文后續(xù)方案是否可行的基礎(chǔ)。早在2006年，德國宇航局(DLR)就提出基于車車通信的鐵路避撞系統(tǒng)(RCAS)[7]，并在2010年5月，在德國Wegberg-Wildenrath的鐵路試驗(yàn)基地成功地演示了RCAS理論研究成果[8]。在法國，里爾地鐵1號線應(yīng)用阿爾斯通公司最新的CBTC系統(tǒng)Urbalis Fluence，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精簡、車車通信、列車自主控制等功能[6]。上述案例說明了列車間直接通信是可行的。

文獻(xiàn)[9]的研究指出當(dāng)一列330 t列車的速度為80 km/h時(shí)，其對應(yīng)的正常制動(dòng)距離接近400 m；當(dāng)列車的速度為20 km/h時(shí)，其正常制動(dòng)距離小于50 m。城市軌道交通列車包括乘客的總質(zhì)量通常小于330 t且運(yùn)行速度小于80 km/h，考慮誤差因素，可以認(rèn)為列車制動(dòng)距離不會(huì)超過450 m。因此列車之間的直接通信距離應(yīng)該不小于450 m。在2012年，DLR試驗(yàn)了陸地集群無線電(TETRA)技術(shù)在車車通信中應(yīng)用，研究利用TETRA直通模式下的短數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)列車間直接通信的可行性[10]。DLR測量了在車站、隧道、山區(qū)、樹林等環(huán)境下使用TETRA技術(shù)的通信質(zhì)量以及可行的傳輸距離。試驗(yàn)證明，即使在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的情況下，TETRA技術(shù)最遠(yuǎn)的無線傳輸距離也長達(dá)4 km，遠(yuǎn)大于450 m的列車制動(dòng)距離，證明了列車之間直接無線通信的可行性。雖然LTE技術(shù)不同于TETRA，LTE擁有更高的頻率，這限制了其無線信號的傳輸距離，但是LTE擁有的諸多先進(jìn)技術(shù)可克服路徑損耗和衰弱的影響，提高傳輸?shù)目煽啃裕沟肔TE傳輸?shù)木嚯x即使在隧道中也可達(dá)1.2 km[11]。D2D通信技術(shù)承載于LTE技術(shù)之上，利用列車提供的較大發(fā)射功率可以實(shí)現(xiàn)500～1 000 m左右的傳輸距離。即使在惡劣無線環(huán)境下D2D單一鏈路通信無法滿足通信距離要求，利用多跳網(wǎng)絡(luò)和中繼等技術(shù)依舊可以實(shí)現(xiàn)列車間長距離通信[12]。從以上討論可知D2D通信可以滿足車車通信的要求。

2 整體技術(shù)方案

D2D通信的建立有兩種方式：基站輔助通信建立和設(shè)備自組織建立。設(shè)備自組織建立方式，不需要基站的參與，但需要更為復(fù)雜的信令交互和資源分配方式，需要考慮更多的運(yùn)用場景與潛在問題，因此，在通信網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，基站輔助通信建立是一種更優(yōu)的方式。本文考慮在通信網(wǎng)絡(luò)正常、網(wǎng)絡(luò)故障或者無線環(huán)境惡劣兩種情況下列車之間D2D通信的建立與維持等內(nèi)容。

2.1 基站與ATS輔助控制的列車D2D通信

通信巨頭高通(Qualcomm)公司認(rèn)為，對于D2D通信，可以從“設(shè)備發(fā)現(xiàn)”和“數(shù)據(jù)通信”兩方面對其進(jìn)行深入研究。將D2D通信應(yīng)用于列車間通信，那么設(shè)備發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)通信就對應(yīng)于列車識(shí)別和列車追蹤過程。在CBTC系統(tǒng)中，列車位置與速度信息是精確可知的，基于這個(gè)特點(diǎn)提出了一種LTE基站和ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)輔助的列車識(shí)別方案。

基站輔助的列車D2D通信模型架構(gòu)如圖1所示。在通信的建立與維持過程中都需要eNodeB基站、ATS，以及ATS中的近鄰功能ProSe服務(wù)器的參與。

圖1 列車D2D通信模型

基站輔助控制的D2D通信建立過程如圖2所示。在線路上的列車，周期性地將位置、速度、欲行狀況、制動(dòng)狀況等信息發(fā)給ATS，可以實(shí)時(shí)了解所有列車的運(yùn)行狀況。當(dāng)一列列車需要發(fā)現(xiàn)并識(shí)別周圍的列車時(shí)，該請求列車將通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)向ATS中的ProSe服務(wù)器發(fā)送列車發(fā)現(xiàn)請求，ProSe服務(wù)器根據(jù)請求列車的位置以及其周圍列車的位置，并綜合考慮線路狀況等信息，為請求列車計(jì)算出合適的通信列車和通信鏈路。近鄰服務(wù)器將計(jì)算出的鏈路信息發(fā)送給eNodeB基站，由基站為擬建立通信的列車分配資源。通信列車依據(jù)分配資源建立通信，并向服務(wù)器發(fā)送通信建立的匹配報(bào)告。由于線路狀態(tài)以及無線環(huán)境變化等原因，列車識(shí)別與通信建立過程并不一定都能成功，因此，若經(jīng)過指定時(shí)間后列車判定識(shí)別過程失敗，則向基站報(bào)告，而后經(jīng)過一段時(shí)間后再發(fā)起新的請求。

在上述過程中，如果列車ProSe服務(wù)器判定列車所在的位置周圍沒有可以進(jìn)行D2D通信的合適列車，則通知請求列車；請求列車收到相關(guān)信息后停止發(fā)送發(fā)現(xiàn)請求，并在一段時(shí)間后再重新發(fā)起請求。考慮到ATS以及ProSe服務(wù)器可能因?yàn)楣收隙龀鲥e(cuò)誤的判斷，發(fā)起列車識(shí)別的列車在收到服務(wù)器發(fā)出的無可行車車通信鏈路的報(bào)告后，進(jìn)入周期性的列車自組織發(fā)現(xiàn)過程，以保障行車安全；同時(shí)，出于對ATS的信任，設(shè)備自組織列車識(shí)別過程的周期可以設(shè)置的較長，以降低列車通信設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。在列車D2D通信建立后，如果兩列通信列車處于前后位置且當(dāng)前運(yùn)行線路一致，則后面的列車可以發(fā)起追蹤請求，進(jìn)行持續(xù)的通信和精細(xì)的追蹤。

在某些特殊的情況下，ATS可能會(huì)判定某兩列列車有必要進(jìn)行直接通信，則向這兩列列車詢問可否建立D2D通信，列車將回復(fù)可行信息或者回復(fù)不可行信息，如圖2中虛線箭頭所示。如果兩列車都回復(fù)可行信息，則正常分配資源建立D2D通信；如果有列車回復(fù)不可行信息，則ATS會(huì)分析原因，并作出相應(yīng)處理。如果出現(xiàn)列車沒有回復(fù)任何信息的情況，ProSe服務(wù)器將重復(fù)有限次數(shù)發(fā)送詢問信息；若該列車持續(xù)無回復(fù)，則ATS判斷通信存在問題并向該車的周圍列車發(fā)送該車位置信息并分配無線資源，用于周圍列車進(jìn)行自組織發(fā)現(xiàn)與通信過程，以防止事故的發(fā)生。

圖2 基站輔助控制的D2D通信建立過程

2.2 列車自組織D2D通信

在正常情況下，由于受到基站和ATS中的ProSe服務(wù)器共同控制，列車之間的D2D通信的資源分配、流程控制、信令交互都能比較順利地進(jìn)行，但是如果通信網(wǎng)絡(luò)或者ATS系統(tǒng)故障，此時(shí)D2D通信可能失去了ProSe服務(wù)器的控制，需要額外措施保障行車安全。在通信網(wǎng)絡(luò)或者ATS系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，出于安全考慮，處于故障區(qū)域中的列車應(yīng)啟動(dòng)應(yīng)急措施，減速或者制動(dòng)停車并切換為CM(超速防護(hù)下的人工駕駛模式)或者RM(限制人工駕駛模式)受人工控制。考慮到出現(xiàn)的故障可能是局部故障，為了兼顧全線的運(yùn)行，同時(shí)還要兼顧故障時(shí)列車與現(xiàn)場的反應(yīng)時(shí)間、運(yùn)營效率以及運(yùn)行安全，引入列車自組織列車識(shí)別與D2D通信方式。

列車自組織D2D通信，首要問題是列車發(fā)現(xiàn)過程中的資源池分配問題，在基站工作正常的情況下，可以考慮基站周期性地分配資源池用于列車識(shí)別。如果基站無法正常工作，可以使用一種為區(qū)域指定資源的方式進(jìn)行資源池的分配，將資源池與線路上某個(gè)區(qū)域進(jìn)行一對一綁定，并將對應(yīng)關(guān)系表保存在每一列列車中；當(dāng)列車進(jìn)入某個(gè)區(qū)域并需要自組織的列車識(shí)別與通信時(shí)候，列車依據(jù)關(guān)系表選擇對應(yīng)的D2D通信的資源池。

分配資源池后，列車如果想要進(jìn)行列車發(fā)現(xiàn)與通信就需要競爭資源池中的通信資源，競爭到資源后，列車廣播其位置、速度等信息，并在必要時(shí)候建立列車通信鏈路。如果自組織的通信發(fā)生在某些大的站場中，就可能出現(xiàn)多列列車競爭同一個(gè)資源池的情況，此時(shí)可能出現(xiàn)沖突與擁塞的情況。為了減少?zèng)_突與擁塞，本文提出一種基于接入等級限制(ACB)機(jī)制和資源分組的車車通信資源分配方式。ACB機(jī)制最初主要用于LTE網(wǎng)絡(luò)中用戶設(shè)備接入控制過程中的擁塞控制。ACB機(jī)制將用戶分為16個(gè)接入級別，級別0～9代表普通用戶設(shè)備，級別11～15代表高優(yōu)先級服務(wù)，w代表緊急。基站會(huì)對級別為0～9的用戶廣播一個(gè)閾值p和接入類別禁止時(shí)間。當(dāng)某個(gè)設(shè)備請求和基站建立連接時(shí)，該設(shè)備首先將在本地隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)在[0,1)范圍內(nèi)的隨機(jī)值q。如果q≤p，則此設(shè)備被允許發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)，從而開始建立RRC(無線資源控制)連接的過程；反之，如果q>p，那么該設(shè)備在某一段限定的時(shí)間內(nèi)將不被允許和基站建立RRC連接，限定時(shí)間的長度與基站廣播的接入級別時(shí)間相對應(yīng)[13]。資源分組策略將資源分為緊急資源和普通資源兩組，緊急資源用于緊急情況，普通資源則讓列車進(jìn)行競爭使用。

3GPP D2D標(biāo)準(zhǔn)化小組認(rèn)為，用于設(shè)備發(fā)現(xiàn)的資源應(yīng)利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的上行鏈路資源，其將原網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的上行鏈路資源劃分為相互正交的兩個(gè)部分：一部分用于蜂窩用戶，時(shí)域長度為Tc；另一部分(稱為發(fā)現(xiàn)區(qū)域(DZ))用于D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)，時(shí)域長度為Td。假設(shè)每個(gè)通信周期包含N個(gè)DZ，每個(gè)DZ包含R對資源。資源以成對的方式配置用于發(fā)送信息與接收對方的回復(fù)信息。由于考慮的是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或者無線環(huán)境質(zhì)量較差的情況，因此，如果此時(shí)列車可能無法與基站進(jìn)行正常通信，則可以提高DZ的時(shí)間占比，占用部分蜂窩用戶資源以抬高車車通信的容量。

具體的列車自組織車車通信流程如3所示。其執(zhí)行流程如下：

步驟1：車車通信開始前，所有要進(jìn)行車車通信的列車進(jìn)行初次優(yōu)先級設(shè)置，將優(yōu)先級都設(shè)置為低。

步驟2：在新的DZ到來的時(shí)候，各列列車判斷自身是否是高優(yōu)先級，如果是高優(yōu)先級則直接競爭資源，否則產(chǎn)生一個(gè)[0,1)之間的q值。如果q值小于閾值p，則正常競爭資源池中的資源，否則，在一段時(shí)間內(nèi)限制競爭資源，限制的時(shí)間由優(yōu)先級確定，優(yōu)先級越低則限制時(shí)間越長。閾值p由每個(gè)DZ中可用資源數(shù)與未成功發(fā)送數(shù)據(jù)的列車數(shù)量的比值計(jì)算得到。競爭資源競爭成功的列車?yán)酶偁幍降馁Y源廣播其列車ID、位置、速度等信息，同時(shí)接收其他列車發(fā)送的信息。競爭失敗的列車的失敗次數(shù)加一。為了讓所有的列車盡可能地都發(fā)送信息，當(dāng)失敗計(jì)數(shù)超過一定數(shù)值時(shí)，提升該列車的優(yōu)先級。

步驟3：列車掃描所有的緊急資源，查看緊急資源是否被占用。通常情況下多數(shù)列車都競爭普通資源，緊急資源只用于緊急情況，因此緊急資源通常比較空閑。如果緊急資源占用率大于某個(gè)事先確定的閾值，則說明周圍的列車數(shù)量較多且分布復(fù)雜，大量列車處于危險(xiǎn)狀態(tài)。為了保證列車安全，進(jìn)行制動(dòng)處理，并繼續(xù)后續(xù)的資源競爭步驟。

步驟4：列車處理接收到信息，識(shí)別周圍的列車，判定自身是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)，如果不處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則判定周期是否結(jié)束；如果周期未結(jié)束，則判定本周期中本車是否已經(jīng)發(fā)送過信息；如果發(fā)送過信息，列車則將失敗計(jì)數(shù)清零并繼續(xù)接收信息，否則計(jì)算列車的優(yōu)先級并判斷是否為高優(yōu)先級。如果列車是高優(yōu)先級，則在下一個(gè)DZ到來時(shí)直接競爭資源。接著判定是否正處在限制競爭時(shí)期，如果不處于限制競爭時(shí)期或者限制時(shí)間已經(jīng)結(jié)束，則開始下一個(gè)DZ的流程。如果周期結(jié)束，則進(jìn)入下一個(gè)周期。

圖3 列車自組織車車通信流程

步驟5：如果列車處理接收到信息，發(fā)現(xiàn)自身因與其他列車距離過于接近等原因而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則采取措施應(yīng)對危險(xiǎn)；同時(shí)，如果自身已經(jīng)競爭到資源，則利用資源向同處于危險(xiǎn)中的列車發(fā)送警告信息；如果列車自身沒有競爭到資源，則利用緊急資源發(fā)送警告信息。列車在緊急資源組中輪詢尋找可用的緊急資源。處于危險(xiǎn)狀態(tài)的列車接收到警告信息后，立即利用對應(yīng)資源回復(fù)警告信息并對警告信息作出應(yīng)對處理；而后，處于危險(xiǎn)中兩列列車持續(xù)通信，直到危險(xiǎn)狀態(tài)解除。如果列車在通過輪詢遍歷了緊急資源組后沒有獲得可用的資源，則使用最高優(yōu)先級在下一個(gè)DZ中競爭普通資源，嘗試在緊急資源用完的情況下獲取普通資源。

一列列車的優(yōu)先級Prank計(jì)算公式如下：

式中：

n——對本列車存在威脅的列車數(shù)量；

vi——第i列存在威脅的列車的速度;

di——第i列存在威脅的列車與本列車的距離；

ki——根據(jù)第i列列車所處線路的位置以及運(yùn)行方向而確定的系數(shù)；

C——列車發(fā)送失敗后重傳的次數(shù)；

kc——重傳次數(shù)的系數(shù)。

系數(shù)kc、ki根據(jù)本車與現(xiàn)場的情況進(jìn)行確定。在大多數(shù)情況下，將Prank的值限定在0～15之中，并視超出15的情況為緊急情況。這個(gè)公式綜合考慮了列車速度、列車距離以及失敗重傳的次數(shù)。

2.3 仿真結(jié)果

針對上述提出的基于ACB機(jī)制的資源分配方法進(jìn)行仿真，并將其與隨機(jī)競爭的資源分配方式進(jìn)行比較。假設(shè)列車的數(shù)量為100，可分配的資源數(shù)分別為20、40、60、80，則可分配資源數(shù)與競爭列車數(shù)量的初始比值r分別為0.2、0.4、0.6、0.8。同時(shí)，假設(shè)高優(yōu)先級列車的占比為0.1，其他列車的優(yōu)先級均勻分布在0～9之間，優(yōu)先級為0～3的列車限制競爭時(shí)長為1個(gè)DZ，優(yōu)先級為4～6的列車限制競爭的時(shí)長為2個(gè)DZ，優(yōu)先級為7～9的列車限制競爭的時(shí)長為3個(gè)DZ。

仿真的結(jié)果如圖4所示，其中不同的虛線為在不同r值下ACB機(jī)制的資源分配方法的仿真結(jié)果，實(shí)線為在不同r值下隨機(jī)競爭的資源分配方式的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中可以看出，在r值較小，即在可分配的資源偏少的情況下，ACB機(jī)制的資源分配方法的優(yōu)勢明顯；而當(dāng)r值變大時(shí)，ACB機(jī)制的資源分配方法的優(yōu)勢則逐漸減小。因此，對于可分配的資源較少的情況下，本文提出的基于ACB機(jī)制的資源分配方法能有效提高列車識(shí)別率，并減少多數(shù)列車識(shí)別所用時(shí)間。

圖4 資源分配方式仿真對比

3 結(jié)語

本文分析并設(shè)計(jì)了基站輔助列車D2D通信建立過程以及列車自組織D2D通信過程，分別考慮在基站和ProSe服務(wù)器正常工作的情況下，以及在基站和ProSe服務(wù)器故障情況下列車D2D通信。針對列車自組織D2D通信，提出了一種基于ACB機(jī)制的資源分配方法，并將該方法與隨機(jī)競爭的方法進(jìn)行仿真比較，證明本文提出的方法能有效提高列車識(shí)別率，并減少多數(shù)列車識(shí)別所用的時(shí)間。就技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，將D2D通信應(yīng)用于車車通信的研究還處于初級階段，還有許多的問題有待解決，許多研究內(nèi)容和成果還有待改進(jìn)和深化。