石 杰 李 莉

(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)

1 概述

目前，CTCS-3列控系統(tǒng)已在我國高速鐵路得到大規(guī)模應(yīng)用，基于GSM-R系統(tǒng)傳輸車地信息，CTCS-3列控系統(tǒng)對(duì)GSM-R系統(tǒng)的需求以及兩個(gè)系統(tǒng)之間的接口等規(guī)范均已制定，CTCS-3列控系統(tǒng)基于GSM-R系統(tǒng)傳輸車地信息的應(yīng)用已非常成熟。

然而，GSM-R系統(tǒng)作為一種窄帶通信系統(tǒng)，4 MHz帶寬的業(yè)務(wù)承載能力有限，在鐵路大站、樞紐地區(qū)及并線區(qū)域，已經(jīng)出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部同頻、鄰頻干擾嚴(yán)重等問題，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度不斷加大。同時(shí)，為進(jìn)一步保障鐵路運(yùn)行安全，提高運(yùn)輸效率，改善服務(wù)質(zhì)量，各種鐵路移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求，特別是寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求與日俱增。但鐵路多媒體調(diào)度指揮通信、列車遠(yuǎn)程監(jiān)控及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)、站場(chǎng)無線通信、旅客服務(wù)信息傳送等業(yè)務(wù)因帶寬限制無法實(shí)現(xiàn)由GSM-R系統(tǒng)承載。

為解決目前存在的問題，并考慮未來業(yè)務(wù)需求，GSM-R系統(tǒng)需向下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)。下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)具有支持帶寬高、頻譜利用率高、低時(shí)延、更高的服務(wù)質(zhì)量保障、支持高速移動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)。目前，LTE以其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度在國內(nèi)外鐵路、軌道交通領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注，已開展相關(guān)研究、試驗(yàn)和應(yīng)用工作，部分地區(qū)已建設(shè)基于LTE系統(tǒng)的專網(wǎng)。我國鐵路也已啟動(dòng)LTE-R系統(tǒng)的相關(guān)科研和試驗(yàn)工作。

在承載列控業(yè)務(wù)方面，從列控業(yè)務(wù)應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展需求來看，也需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供更優(yōu)的承載能力與更加安全可靠的服務(wù)能力。國外鐵路已開展基于LTE系統(tǒng)承載列控業(yè)務(wù)的相關(guān)研究工作，但還沒有明確的成果，國內(nèi)鐵路的研究也是剛剛開始。

綜合鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)向下一代演進(jìn)的趨勢(shì)、CTCS-3列控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，我國鐵路有必要加快開展基于鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)承載列控業(yè)務(wù)的相關(guān)研究。這對(duì)于鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為列控系統(tǒng)提供更優(yōu)的通信保障，提高我國在國際上的技術(shù)領(lǐng)先地位均具有重要意義。

需要注意的是，鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)為寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用分組技術(shù)，其在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、與應(yīng)用系統(tǒng)的接口、組網(wǎng)方案、安全技術(shù)等方面與GSM-R均存在較大差異。本文以LTE-R系統(tǒng)為例，著重從LTE-R系統(tǒng)與CTCS-3列控系統(tǒng)的接口及協(xié)議方面展開研究，希望通過本文的研究，提出LTE-R系統(tǒng)承載CTCS-3列控系統(tǒng)的接口及協(xié)議方案，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化、相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和工程實(shí)際應(yīng)用提供支撐和參考。

2 CTCS-3列控系統(tǒng)與鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)接口研究

2.1 CTCS-3列控系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)接口

CTCS-3列控系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)的接口為IFIX接口、IGSM-R接口。

IFIX接口為CTCS-3列控系統(tǒng)RBC與GSM-R系統(tǒng)MSC間接口，用于傳輸RBC與GSM-R系統(tǒng)間的呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸、呼叫清除等信息。IGSM-R接口為CTCS-3列控系統(tǒng)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(tái)間接口，用于傳輸CTCS-3車載無線傳輸單元與GSM-R車載電臺(tái)間的呼叫建立、數(shù)據(jù)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(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)接口示意圖Fig.1 Interface betweeen CTCS-3 train control system and GSM-R system

對(duì)于現(xiàn)有的CTCS-3列控系統(tǒng)車載無線傳輸單元，與GSM-R車載電臺(tái)的接口采用串口方式，通過AT命令對(duì)車載電臺(tái)進(jìn)行控制，CTCS-3列控系統(tǒng)生成HDLC幀，由GSM-R車載電臺(tái)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行透明傳輸，傳送到RBC。GSM-R系統(tǒng)為CTCS-3列控業(yè)務(wù)提供4.8 kbit/s的傳輸速率。

2.2 CTCS-3列控系統(tǒng)與鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)車載接口

鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)以LTE-R系統(tǒng)為例，當(dāng)由LTE-R系統(tǒng)承載列控業(yè)務(wù)時(shí)，LTE-R系統(tǒng)能夠提供更高的傳輸速率，LTE-R系統(tǒng)與CTCS-3列控系統(tǒng)之間的接口應(yīng)采用支持更高傳輸速率的接口，以匹配LTE-R系統(tǒng)的傳輸能力。考慮到接口設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，建議參考移動(dòng)通信向IP化發(fā)展的趨勢(shì)，LTE-R系統(tǒng)與CTCS-3列控系統(tǒng)接口考慮IP化思路。

但是，考慮到LTE-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，已經(jīng)上線運(yùn)行的CTCS-3列控系統(tǒng)車載設(shè)備短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)全面改造，因此，CTCS-3列控系統(tǒng)與LTE-R系統(tǒng)的車載接口方案可分兩種情況。

2.2.1 CTCS-3列控系統(tǒng)車載對(duì)外接口不變時(shí)的方案

此方案在CTCS-3列控系統(tǒng)車載對(duì)外接口不變的情況下，為了實(shí)現(xiàn)與LTE-R系統(tǒng)互聯(lián)，基于LTE-R系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，需增加協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，如圖2所示。

圖2 CTCS-3列控系統(tǒng)對(duì)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(xié)議轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。

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

2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：將原HDLC幀封裝為IP包，交給LTE-R車載電臺(tái)傳輸，即需要將原HDLC幀按照IP協(xié)議進(jìn)行再封裝。

此方案適用于已經(jīng)上線運(yùn)行，短時(shí)間內(nèi)難以進(jìn)行改造的CTCS-3車載系統(tǒng)，方案具備快速部署的優(yōu)點(diǎn)。但從列控?cái)?shù)據(jù)處理過程來看，相當(dāng)于在原協(xié)議（應(yīng)用層—安全層—傳輸層—網(wǎng)絡(luò)層—數(shù)據(jù)鏈路層（HDLC））基礎(chǔ)上新增加IP協(xié)議的處理過程，增加了協(xié)議的復(fù)雜度和系統(tǒng)處理時(shí)延。同時(shí)，隨著協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的引入，系統(tǒng)故障點(diǎn)會(huì)增加，穩(wěn)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(tǒng)車載對(duì)外接口改造時(shí)的方案

此方案是當(dāng)CTCS-3列控系統(tǒng)具備改造條件時(shí)，建議其改造對(duì)外接口。

控制命令，仍然為AT命令，建議采用串口方式傳輸；對(duì)于用戶數(shù)據(jù)，需要提供高速率的接口，建議采用標(biāo)準(zhǔn)100BASE-T以太網(wǎng)接口或USB接口。接口物理針腳的定義根據(jù)接口類型確定。

當(dāng)接口采用標(biāo)準(zhǔn)100BASE-T以太網(wǎng)接口時(shí)，信息傳輸符合如下協(xié)議。

1）傳輸層：UDP協(xié)議或TCP協(xié)議；

2）網(wǎng)絡(luò)層：IP協(xié)議；

3）網(wǎng)絡(luò)接口層：IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。

接口需具備以下4種功能。

1）AT命令接口：對(duì)LTE-R終端模塊進(jìn)行初始化、注冊(cè)、激活承載等操作。

2）數(shù)據(jù)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(jìn)行故障分析。

4）監(jiān)測(cè)接口：提供LTE-R終端模塊的工作狀態(tài)。

此方案需要CTCS-3列控系統(tǒng)車載無線傳輸單元做協(xié)議棧修改，與列控系統(tǒng)產(chǎn)品演進(jìn)規(guī)劃相關(guān)，實(shí)施可能不會(huì)太快速，但與列控系統(tǒng)不做修改相比，不需引入轉(zhuǎn)換單元，協(xié)議處理機(jī)制得到簡化，同時(shí)，此方案與移動(dòng)通信網(wǎng)的IP化發(fā)展方向一致，后續(xù)移動(dòng)通信網(wǎng)演進(jìn)，此方案不需再做修改，從長遠(yuǎn)來看具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.3 CTCS-3列控系統(tǒng)與鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)地面接口

目前，CTCS-3列控系統(tǒng)地面設(shè)備與GSM-R系統(tǒng)之間接口采用PRI協(xié)議，為基于電路域的接口。鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)以LTE-R系統(tǒng)為例，LTE-R系統(tǒng)PGW對(duì)外提供的為以太網(wǎng)接口，建議CTCS-3列控系統(tǒng)地面設(shè)備與PGW之間直接改造為以太網(wǎng)接口。

地面接口建議采用標(biāo)準(zhǔn)100BASE-T以太網(wǎng)接口，即接口信息傳輸符合如下協(xié)議：

1）傳輸層：UDP協(xié)議或TCP協(xié)議；

2）網(wǎng)絡(luò)層：IP協(xié)議；

3）網(wǎng)絡(luò)接口層：IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。

接口需具備以下兩種功能。

1）數(shù)據(jù)傳輸接口：傳輸ATP與RBC之間的列車控制消息。

2）監(jiān)測(cè)接口：提供LTE-R網(wǎng)絡(luò)地面設(shè)備的工作狀態(tài)。

3 CTCS-3列控系統(tǒng)基于鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸?shù)膮f(xié)議研究

3.1 CTCS-3列控系統(tǒng)基于GSM-R系統(tǒng)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議

CTCS-3列控系統(tǒng)基于GSM-R系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用如下通信協(xié)議：應(yīng)用層數(shù)據(jù)經(jīng)過安全層、傳輸網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)層處理，最后經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層打包成HDLC幀，提供給GSM-R系統(tǒng)車載終端，即GSM-R系統(tǒng)需要承載的用戶數(shù)據(jù)為HDLC幀，如圖3所示。

圖3 CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)基于GSM-R傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)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(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，為用戶數(shù)據(jù)增加一個(gè)報(bào)頭和MAC(有的不存在MAC域)；

2）傳輸層給數(shù)據(jù)增加了一個(gè)報(bào)頭，然后根據(jù)數(shù)據(jù)長度，必要時(shí)，將數(shù)據(jù)分段/重組；

3）網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)分段，每段最大長度為32 Byte，然后加上兩個(gè)字節(jié)的報(bào)頭；

4）鏈路層將根據(jù)數(shù)據(jù)類型及應(yīng)用的幀格式，對(duì)其進(jìn)行封裝。

5）最后，將封裝好的數(shù)據(jù)提交給GSM-R系統(tǒng)傳輸。

3.2 CTCS-3列控系統(tǒng)基于鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議

鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)以LTE-R系統(tǒng)為例，根據(jù)2.2節(jié)CTCS-3列控系統(tǒng)與LTE-R系統(tǒng)車載接口的兩種方案，CTCS-3列控系統(tǒng)基于LTE-R傳輸時(shí)的通信協(xié)議也分為兩種情況。

對(duì)應(yīng)于CTCS-3列控系統(tǒng)與LTE-R系統(tǒng)車載接口方案一，CTCS-3列控系統(tǒng)通信協(xié)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(xié)議處理的復(fù)雜性和處理時(shí)延。

圖4 CTCS-3列控系統(tǒng)基于LTE-R傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議（一）Fig.4 Communication protocol for CTCS-3 system data transmission based on LTE-R (scheme 1)

對(duì)應(yīng)于CTCS-3列控系統(tǒng)與LTE-R系統(tǒng)車載接口方案二，建議改造CTCS-3列控系統(tǒng)現(xiàn)有的通信協(xié)議，簡化數(shù)據(jù)處理流程，原應(yīng)用層和安全層不變，修改傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，此方案列控?cái)?shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

考慮到CTCS-3列控業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求非常高，出錯(cuò)概率盡量降低，因此傳輸層使用TCP協(xié)議而不是UDP協(xié)議，能把出錯(cuò)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(tǒng)基于LTE-R傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)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(xié)議，與移動(dòng)通信網(wǎng)的IP化發(fā)展方向一致，后續(xù)移動(dòng)通信網(wǎng)演進(jìn)，此協(xié)議不需再做修改，從長遠(yuǎn)來看具有較大優(yōu)勢(shì)。

上述研究中，鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)以LTE-R系統(tǒng)為例，當(dāng)采用其他技術(shù)時(shí)，接口及協(xié)議研究思路類似，建議列控系統(tǒng)考慮移動(dòng)通信系統(tǒng)從基于電路域傳輸向基于分組域傳輸演進(jìn)的趨勢(shì)，并根據(jù)CTCS-3列控系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)，確定接口及通信協(xié)議方案。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)以及CTCS-3列控系統(tǒng)基于鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀、業(yè)務(wù)需求，提出CTCS-3列控系統(tǒng)與鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)之間的接口方案，包括車載接口和地面接口，并為適應(yīng)鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)特點(diǎn)，給出CTCS-3列控系統(tǒng)通信協(xié)議建議方案，可供設(shè)備研發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等參考。