兼容GSM-R和5G-R互聯(lián)互通的列控系統(tǒng)無(wú)線通信方案研究

王建敏

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

目 前， 基 于 GSM for Railways（GSM-R）的CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，在速度300～350 km/h客運(yùn)專線上得到廣泛應(yīng)用。GSM-R作為鐵路專用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)鐵路事業(yè)的安全高效運(yùn)營(yíng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是，GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用電路交換方式，即使補(bǔ)充上通用分組無(wú)線服 務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）后，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載能力仍然有限。隨著鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，GSM-R低速率、高時(shí)延的缺點(diǎn)已逐漸不能滿足鐵路日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。

在下一代鐵路列控系統(tǒng)中，5G for Railways（5G-R）將替代現(xiàn)有的GSM-R作為車地通信系統(tǒng)。5G具有大帶寬、大連接、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的泛在互聯(lián)，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施。

在5G-R承載CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車地信息傳輸方面，列控業(yè)務(wù)對(duì)5G-R系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)需求、系統(tǒng)架構(gòu)、接口需求、車地傳輸協(xié)議和安全保障機(jī)制等，與GSM-R系統(tǒng)均存在較大差異。本文從基于5G-R的車地?zé)o線通信方案出發(fā)，提出兼容GSM-R和5G-R互聯(lián)互通的列控系統(tǒng)無(wú)線通信傳輸方案，并對(duì)基于GSM-R和5G-R雙網(wǎng)融合的RBC移交場(chǎng)景進(jìn)行了詳細(xì)描述。

1 無(wú)線通信在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)包含地面設(shè)備和車載設(shè)備，車載設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與RBC進(jìn)行消息雙向傳輸，包括注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)、建立通信會(huì)話、維持通信會(huì)話、終止通信會(huì)話、無(wú)線消息的發(fā)送和接收等應(yīng)用場(chǎng)景。車載設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向RBC報(bào)告列車位置，RBC通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向車載設(shè)備發(fā)送行車許可等信息，車載設(shè)備根據(jù)行車許可監(jiān)控列車運(yùn)行，保證行車安全。

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車地通信原理如圖1所示。BTS、BSC、ISDN服務(wù)器為GSM-R網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，BTS和BSC屬于基站子系統(tǒng)。BTS是基站收發(fā)信機(jī)，主要負(fù)責(zé)無(wú)線傳輸。BSC是與交換機(jī)相連的基站控制器，主要負(fù)責(zé)控制和管理。BTS在網(wǎng)絡(luò)的固定部分和無(wú)線部分之間提供中繼，移動(dòng)用戶通過(guò)空中接口與BTS相連。BTS包括收發(fā)信機(jī)和天線，以及無(wú)線接口有關(guān)的信號(hào)處理電路等，也可以看作是一個(gè)復(fù)雜的無(wú)線解調(diào)器。ISDN服務(wù)器作為地面服務(wù)器的一部分，是GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕K端設(shè)備，為車地通信在普通電話線上提供數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)送和接收功能，是GSM-R網(wǎng)絡(luò)側(cè)程控交換機(jī)和RBC服務(wù)器之間的接口設(shè)備。

車載設(shè)備發(fā)送的消息，通過(guò)有線傳輸?shù)竭_(dá)車載電臺(tái)，車載電臺(tái)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出車載消息，經(jīng)過(guò)BTS、BSC、TRAU和移動(dòng)交換中心，到達(dá)ISDN服務(wù)器，ISDN服務(wù)器將收到的車載消息通過(guò)有線傳輸方式發(fā)送給RBC。同理，需要發(fā)送給車載設(shè)備的RBC消息沿著相反方向通過(guò)相同路徑到達(dá)車載設(shè)備。

圖1 CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車地通信原理圖Fig.1 Schematic diagram of CTCS-3 train-trackside communication

2 雙網(wǎng)融合車地安全通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 雙網(wǎng)融合分層結(jié)構(gòu)

兼容GSM-R和5G-R互聯(lián)互通的車地安全通信分層結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由應(yīng)用層（包括車載應(yīng)用和地面應(yīng)用）、安全層、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧、GSM-R/5G-R網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

圖2 車地安全通信分層結(jié)構(gòu)Fig.2 Layered structure of train-trackside safety communication

在CTCS-3級(jí)車載設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程中，或從地面收到建立通信會(huì)話命令，或車載設(shè)備控車模式發(fā)生改變，或列車走出無(wú)線盲區(qū)等場(chǎng)景下，車載設(shè)備都會(huì)主動(dòng)發(fā)起建立通信會(huì)話過(guò)程，在車載應(yīng)用和地面應(yīng)用之間建立通信連接，即應(yīng)用層建立連接。

在車地通信會(huì)話已建立的情況下，如果從地面收到結(jié)束通信會(huì)話命令，或通信故障導(dǎo)致需要結(jié)束通信會(huì)話，或司機(jī)關(guān)閉駕駛臺(tái)等場(chǎng)景下，車載設(shè)備將發(fā)起結(jié)束通信會(huì)話過(guò)程，斷開(kāi)車載應(yīng)用與地面應(yīng)用之間的通信連接，即應(yīng)用層斷開(kāi)連接。

由于車載應(yīng)用與地面應(yīng)用之間數(shù)據(jù)傳輸需要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，屬于開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)容易被第三方獲取，造成安全隱患。安全層具有的加密和解密功能，對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密，保證車地?cái)?shù)據(jù)的安全性，防止第三方獲取真實(shí)的車地應(yīng)用數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧負(fù)責(zé)為車地提供無(wú)線通信服務(wù)，包括建立車地通信、傳輸車地?cái)?shù)據(jù)、斷開(kāi)車地連接，同時(shí)保證車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧內(nèi)部又分為傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層及電臺(tái)控制模塊。電臺(tái)控制模塊負(fù)責(zé)控制電臺(tái)注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)，利用電臺(tái)進(jìn)行撥號(hào)上網(wǎng)。

車載設(shè)備與地面設(shè)備建立和斷開(kāi)連接的過(guò)程為：車載設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧的各層協(xié)議與地面設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧的各層協(xié)議建立連接。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧建立連接成功后，安全層建立連接，最后由車載應(yīng)用和地面應(yīng)用在應(yīng)用層面建立連接。車地應(yīng)用建立連接后，開(kāi)始交互車地應(yīng)用數(shù)據(jù)，在需要斷開(kāi)時(shí)由車地應(yīng)用發(fā)送斷開(kāi)命令。

2.2 雙網(wǎng)融合傳輸結(jié)構(gòu)

兼容GSM-R和5G-R互聯(lián)互通的車地安全通信傳輸結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中RTU（Radio Transmission Unit）是車載無(wú)線傳輸單元，通過(guò)2個(gè)RS-422接口分別與雙模電臺(tái)MT1和MT2連接。雙模電臺(tái)是指同時(shí)支持GSM-R和5G-R網(wǎng)絡(luò)的電臺(tái)，雙模電臺(tái)連接同時(shí)支持GSM-R和5G-R頻段的天線。

車載設(shè)備通過(guò)地面設(shè)備獲取網(wǎng)絡(luò)切換的命令，根據(jù)切換命令由RTU控制雙模電臺(tái)與地面RBC建立GSM-R或者5G-R網(wǎng)絡(luò)連接，雙模電臺(tái)內(nèi)部的控制板根據(jù)RTU的控制命令決定使用GSM-R通道或者5G-R通道。

3 數(shù)據(jù)傳輸方式

3.1 5G-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式

5G-R模式下，車載設(shè)備與RBC的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中連接管理是RTU的應(yīng)用部分，負(fù)責(zé)整個(gè)協(xié)議棧的調(diào)度工作，以及GSM-R和5G-R的切換工作。

安全層保證車地?cái)?shù)據(jù)的安全通信。ALE層負(fù)責(zé)管理不同的連接，并且支持在5G-R網(wǎng)絡(luò)下相鄰RBC切換時(shí)，同時(shí)與2個(gè)RBC連接。RTU內(nèi)置輕量 IP協(xié)議棧（Light Weight IP，LWIP協(xié)議棧），包括傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP層）、網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議（Internet Protocol，IP層）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（Point-to-Point Protocol，PPP層），支持TCP/IP協(xié)議，以及數(shù)據(jù)鏈路層的PPP協(xié)議。RTU 的物理層負(fù)責(zé)RS-422接口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送工作。

圖3 車地安全通信傳輸結(jié)構(gòu)Fig.3 Transmission structure of train-trackside safety communication

圖4 5G-R網(wǎng)絡(luò)車地安全通信數(shù)據(jù)傳輸方式Fig.4 Data transmission mode of train-trackside safety communication of 5G-R network

地面RBC設(shè)備分為支持GSM-R網(wǎng)絡(luò)的RBC和支持5G-R網(wǎng)絡(luò)的RBC，其中支持GSM-R網(wǎng)絡(luò)的RBC采用的是現(xiàn)有方案，支持5G-R的RBC以有線的方式接入5G-R網(wǎng)絡(luò)，該RBC支持與車載設(shè)備同樣的對(duì)等協(xié)議。5G-R的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)支持5G-R的基站轉(zhuǎn)為有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸車地?cái)?shù)據(jù)。

發(fā)起5G-R網(wǎng)絡(luò)連接的過(guò)程為：車載設(shè)備從地面設(shè)備收到呼叫命令，車載RTU通過(guò)預(yù)定的AT指令讓雙模電臺(tái)從命令模式轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)模式。雙模電臺(tái)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)模式后，RTU發(fā)起PPP連接，PPP連接成功后雙模電臺(tái)成為數(shù)據(jù)透?jìng)髟O(shè)備，并將從網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取的本地IP經(jīng)PPP鏈路發(fā)給RTU。隨后雙模電臺(tái)將轉(zhuǎn)發(fā)RTU發(fā)出的TCP握手包，與對(duì)應(yīng)IP的RBC建立TCP連接，后續(xù)建立安全層及應(yīng)用層的連接。連接成功后，如果收到車載設(shè)備或者RBC應(yīng)用的斷開(kāi)請(qǐng)求，RTU執(zhí)行斷開(kāi)流程。

車載設(shè)備可同時(shí)支持GSM-R網(wǎng)絡(luò)與5G-R網(wǎng)絡(luò)，在GSM-R覆蓋線路，車載設(shè)備通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)與接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)的RBC建立連接，在5G-R覆蓋線路，車載設(shè)備通過(guò)5G-R網(wǎng)絡(luò)與接入5G-R網(wǎng)絡(luò)的RBC建立連接。

圖5 GSM-R網(wǎng)絡(luò)車地安全通信數(shù)據(jù)傳輸方式Fig.5 Data transmission mode of train-trackside safety communication of GSM-R network

3.2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式

GSM-R模式下，車載設(shè)備與RBC的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要結(jié)構(gòu)與5G-R網(wǎng)絡(luò)相似，區(qū)別在于利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，不使用ALE和LWIP，利用符合歐標(biāo)Subset-037規(guī)范的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括傳輸層（T層）、網(wǎng)絡(luò)層（N層）、數(shù)據(jù)鏈路層（DL層）和Modem模塊，地面RBC支持同樣的協(xié)議，通過(guò)對(duì)等協(xié)議實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)的傳輸。

4 典型應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 5G-R線路的RBC移交

在5G-R線路上執(zhí)行RBC移交時(shí)，RTU通過(guò)一個(gè)雙模電臺(tái)與移交RBC保持TCP連接，車載設(shè)備從地面設(shè)備獲取到接收RBC的IP地址，將呼叫信息發(fā)送給RTU，RTU控制另一個(gè)未連接的雙模電臺(tái)通過(guò)5G-R網(wǎng)絡(luò)與接收RBC建立TCP連接，與接收RBC建立連接后。列車越過(guò)RBC邊界后，車載設(shè)備斷開(kāi)與移交RBC的連接。

4.2 5G-R線路的RBC向GSM-R線路的RBC移交

5G-R線路的RBC向GSM-R線路的RBC移交時(shí)，RTU通過(guò)一個(gè)雙模電臺(tái)與移交RBC保持TCP連接，車載設(shè)備從地面設(shè)備獲取到接收RBC的電話號(hào)碼，將呼叫信息發(fā)送給RTU，RTU控制另一個(gè)未連接的雙模電臺(tái)通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)與接收RBC建立CSD連接。列車越過(guò)RBC邊界后，車載設(shè)備斷開(kāi)與移交RBC的連接。

4.3 GSM-R線路的RBC向5G-R線路的RBC移交

GSM-R線路的RBC向5G-R線路的RBC移交時(shí)，RTU通過(guò)一個(gè)雙模電臺(tái)與移交RBC保持CSD連接，車載設(shè)備從地面應(yīng)答器獲取到接收RBC的IP地址，將呼叫信息發(fā)送給RTU，RTU控制另一個(gè)未連接的雙模電臺(tái)通過(guò)5G-R網(wǎng)絡(luò)與接收RBC建立TCP連接。列車越過(guò)RBC邊界后，車載設(shè)備斷開(kāi)與移交RBC的連接。

5 總結(jié)

本文提出列控系統(tǒng)可同時(shí)支持5G-R和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的通信方案，實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)共存階段CTCS-3列控業(yè)務(wù)的雙網(wǎng)共同承載，為CTCS-3列控系統(tǒng)由GSM-R網(wǎng)絡(luò)向5G-R網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡提供了可行的解決方案。通過(guò)2個(gè)雙模電臺(tái)的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備在任意兩種網(wǎng)絡(luò)的相鄰RBC之間的網(wǎng)絡(luò)切換，滿足5G-R網(wǎng)絡(luò)和GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載C3列控業(yè)務(wù)的需求。

加快推進(jìn)5G技術(shù)應(yīng)用是推動(dòng)新時(shí)代鐵路高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行的重要領(lǐng)域和重要基礎(chǔ)，有利于推動(dòng)鐵路通信技術(shù)升級(jí)換代，提升鐵路安全水平和信息化智能化水平，提升鐵路服務(wù)品質(zhì)和效率效益，鞏固我國(guó)鐵路世界領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)5G相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、加快5G全國(guó)布局推廣。