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

王建敏

(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(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

目 前， 基 于 GSM for Railways（GSM-R）的CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)，在速度300～350 km/h客運專線上得到廣泛應用。GSM-R作為鐵路專用全球移動通信系統(tǒng)，對我國鐵路事業(yè)的安全高效運營發(fā)揮了至關重要的作用。但是，GSM-R網絡采用電路交換方式，即使補充上通用分組無線服 務（General Packet Radio Service，GPRS）后，數(shù)據(jù)業(yè)務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、高時延的缺點已逐漸不能滿足鐵路日益增長的業(yè)務需求。

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、低時延等優(yōu)勢，可實現(xiàn)人與物、物與物的泛在互聯(lián)，是支撐經濟社會數(shù)字化、網絡化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施。

在5G-R承載CTCS-3級列控系統(tǒng)車地信息傳輸方面，列控業(yè)務對5G-R系統(tǒng)的技術指標需求、系統(tǒng)架構、接口需求、車地傳輸協(xié)議和安全保障機制等，與GSM-R系統(tǒng)均存在較大差異。本文從基于5G-R的車地無線通信方案出發(fā)，提出兼容GSM-R和5G-R互聯(lián)互通的列控系統(tǒng)無線通信傳輸方案，并對基于GSM-R和5G-R雙網融合的RBC移交場景進行了詳細描述。

1 無線通信在列控系統(tǒng)中的應用

CTCS-3級列控系統(tǒng)包含地面設備和車載設備，車載設備通過無線網絡與RBC進行消息雙向傳輸，包括注冊到網絡、建立通信會話、維持通信會話、終止通信會話、無線消息的發(fā)送和接收等應用場景。車載設備通過無線網絡向RBC報告列車位置，RBC通過無線網絡向車載設備發(fā)送行車許可等信息，車載設備根據(jù)行車許可監(jiān)控列車運行，保證行車安全。

CTCS-3級列控系統(tǒng)車地通信原理如圖1所示。BTS、BSC、ISDN服務器為GSM-R網絡通信設備，BTS和BSC屬于基站子系統(tǒng)。BTS是基站收發(fā)信機，主要負責無線傳輸。BSC是與交換機相連的基站控制器，主要負責控制和管理。BTS在網絡的固定部分和無線部分之間提供中繼，移動用戶通過空中接口與BTS相連。BTS包括收發(fā)信機和天線，以及無線接口有關的信號處理電路等，也可以看作是一個復雜的無線解調器。ISDN服務器作為地面服務器的一部分，是GSM-R網絡傳輸?shù)慕K端設備，為車地通信在普通電話線上提供數(shù)字信號轉送和接收功能，是GSM-R網絡側程控交換機和RBC服務器之間的接口設備。

車載設備發(fā)送的消息，通過有線傳輸?shù)竭_車載電臺，車載電臺通過無線網絡發(fā)出車載消息，經過BTS、BSC、TRAU和移動交換中心，到達ISDN服務器，ISDN服務器將收到的車載消息通過有線傳輸方式發(fā)送給RBC。同理，需要發(fā)送給車載設備的RBC消息沿著相反方向通過相同路徑到達車載設備。

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

2 雙網融合車地安全通信系統(tǒng)結構

2.1 雙網融合分層結構

兼容GSM-R和5G-R互聯(lián)互通的車地安全通信分層結構如圖2所示，主要由應用層（包括車載應用和地面應用）、安全層、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧、GSM-R/5G-R網絡構成。

圖2 車地安全通信分層結構Fig.2 Layered structure of train-trackside safety communication

在CTCS-3級車載設備的啟動過程中，或從地面收到建立通信會話命令，或車載設備控車模式發(fā)生改變，或列車走出無線盲區(qū)等場景下，車載設備都會主動發(fā)起建立通信會話過程，在車載應用和地面應用之間建立通信連接，即應用層建立連接。

在車地通信會話已建立的情況下，如果從地面收到結束通信會話命令，或通信故障導致需要結束通信會話，或司機關閉駕駛臺等場景下，車載設備將發(fā)起結束通信會話過程，斷開車載應用與地面應用之間的通信連接，即應用層斷開連接。

由于車載應用與地面應用之間數(shù)據(jù)傳輸需要通過無線網絡傳輸，屬于開放網絡，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，對應用層數(shù)據(jù)進行加密或解密，保證車地數(shù)據(jù)的安全性，防止第三方獲取真實的車地應用數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧負責為車地提供無線通信服務，包括建立車地通信、傳輸車地數(shù)據(jù)、斷開車地連接，同時保證車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧內部又分為傳輸層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層及電臺控制模塊。電臺控制模塊負責控制電臺注冊網絡，利用電臺進行撥號上網。

車載設備與地面設備建立和斷開連接的過程為：車載設備數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧的各層協(xié)議與地面設備數(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，最后由車載應用和地面應用在應用層面建立連接。車地應用建立連接后，開始交互車地應用數(shù)據(jù)，在需要斷開時由車地應用發(fā)送斷開命令。

2.2 雙網融合傳輸結構

兼容GSM-R和5G-R互聯(lián)互通的車地安全通信傳輸結構如圖3所示。其中RTU（Radio Transmission Unit）是車載無線傳輸單元，通過2個RS-422接口分別與雙模電臺MT1和MT2連接。雙模電臺是指同時支持GSM-R和5G-R網絡的電臺，雙模電臺連接同時支持GSM-R和5G-R頻段的天線。

車載設備通過地面設備獲取網絡切換的命令，根據(jù)切換命令由RTU控制雙模電臺與地面RBC建立GSM-R或者5G-R網絡連接，雙模電臺內部的控制板根據(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網絡數(shù)據(jù)傳輸方式

5G-R模式下，車載設備與RBC的數(shù)據(jù)傳輸結構如圖4所示。其中連接管理是RTU的應用部分，負責整個協(xié)議棧的調度工作，以及GSM-R和5G-R的切換工作。

安全層保證車地數(shù)據(jù)的安全通信。ALE層負責管理不同的連接，并且支持在5G-R網絡下相鄰RBC切換時，同時與2個RBC連接。RTU內置輕量 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）、網絡互連協(xié)議（Internet Protocol，IP層）和點對點協(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 的物理層負責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構Fig.3 Transmission structure of train-trackside safety communication

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

地面RBC設備分為支持GSM-R網絡的RBC和支持5G-R網絡的RBC，其中支持GSM-R網絡的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網絡，該RBC支持與車載設備同樣的對等協(xié)議。5G-R的無線網絡信號通過支持5G-R的基站轉為有線網絡信號，經過網關傳輸車地數(shù)據(jù)。

發(fā)起5G-R網絡連接的過程為：車載設備從地面設備收到呼叫命令，車載RTU通過預定的AT指令讓雙模電臺從命令模式轉為數(shù)據(jù)模式。雙模電臺轉入數(shù)據(jù)模式后，RTU發(fā)起PPP連接，PPP連接成功后雙模電臺成為數(shù)據(jù)透傳設備，并將從網絡側獲取的本地IP經PPP鏈路發(fā)給RTU。隨后雙模電臺將轉發(fā)RTU發(fā)出的TCP握手包，與對應IP的RBC建立TCP連接，后續(xù)建立安全層及應用層的連接。連接成功后，如果收到車載設備或者RBC應用的斷開請求，RTU執(zhí)行斷開流程。

車載設備可同時支持GSM-R網絡與5G-R網絡，在GSM-R覆蓋線路，車載設備通過GSM-R網絡與接入GSM-R網絡的RBC建立連接，在5G-R覆蓋線路，車載設備通過5G-R網絡與接入5G-R網絡的RBC建立連接。

圖5 GSM-R網絡車地安全通信數(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網絡數(shù)據(jù)傳輸方式

GSM-R模式下，車載設備與RBC的數(shù)據(jù)傳輸結構如圖5所示。主要結構與5G-R網絡相似，區(qū)別在于利用GSM-R網絡傳輸數(shù)據(jù)時，不使用ALE和LWIP，利用符合歐標Subset-037規(guī)范的協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，包括傳輸層（T層）、網絡層（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，通過對等協(xié)議實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)的傳輸。

4 典型應用場景

4.1 5G-R線路的RBC移交

在5G-R線路上執(zhí)行RBC移交時，RTU通過一個雙模電臺與移交RBC保持TCP連接，車載設備從地面設備獲取到接收RBC的IP地址，將呼叫信息發(fā)送給RTU，RTU控制另一個未連接的雙模電臺通過5G-R網絡與接收RBC建立TCP連接，與接收RBC建立連接后。列車越過RBC邊界后，車載設備斷開與移交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，RTU通過一個雙模電臺與移交RBC保持TCP連接，車載設備從地面設備獲取到接收RBC的電話號碼，將呼叫信息發(fā)送給RTU，RTU控制另一個未連接的雙模電臺通過GSM-R網絡與接收RBC建立CSD連接。列車越過RBC邊界后，車載設備斷開與移交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，RTU通過一個雙模電臺與移交RBC保持CSD連接，車載設備從地面應答器獲取到接收RBC的IP地址，將呼叫信息發(fā)送給RTU，RTU控制另一個未連接的雙模電臺通過5G-R網絡與接收RBC建立TCP連接。列車越過RBC邊界后，車載設備斷開與移交RBC的連接。

5 總結

本文提出列控系統(tǒng)可同時支持5G-R和GSM-R網絡的通信方案，實現(xiàn)雙網共存階段CTCS-3列控業(yè)務的雙網共同承載，為CTCS-3列控系統(tǒng)由GSM-R網絡向5G-R網絡的過渡提供了可行的解決方案。通過2個雙模電臺的設置，可以實現(xiàn)車載設備在任意兩種網絡的相鄰RBC之間的網絡切換，滿足5G-R網絡和GSM-R網絡承載C3列控業(yè)務的需求。

加快推進5G技術應用是推動新時代鐵路高質量發(fā)展、實現(xiàn)交通強國鐵路先行的重要領域和重要基礎，有利于推動鐵路通信技術升級換代，提升鐵路安全水平和信息化智能化水平，提升鐵路服務品質和效率效益，鞏固我國鐵路世界領先優(yōu)勢，促進5G相關產業(yè)鏈發(fā)展、加快5G全國布局推廣。