楊俐，辛怡，胡光祥，傅丹，劉立海

近年來，市域（郊）鐵路憑借其大運量、快速化、公交化的特點，成為綜合交通體系的重要組成部分。通信信號系統(tǒng)在市域鐵路的運輸指揮調(diào)度、列控系統(tǒng)車地安全信息傳送、運營維護和應急指揮通信方面發(fā)揮著重要作用。由于CTCS2+ATO（簡稱“C2+ATO”）制式的信號系統(tǒng)具有良好的互聯(lián)互通特性，在相當一部分市域鐵路工程中得到應用。雖然C2+ATO業(yè)務承載有比較完整的技術規(guī)范，但其采用的移動通信系統(tǒng)是GSM-R制式，運營方式也是偏向國鐵模式，與市域鐵路要求的公交化運營有一定的差距；而且目前GSM-R系統(tǒng)主要用于高速鐵路、城際鐵路和既有干線（簡稱“國鐵”），以及與國鐵集團鐵路有直接交路的地方鐵路，適用于大范圍的全程全網(wǎng)鐵路，而地方獨資的市域鐵路若采用GSM-R系統(tǒng)，頻率申請以及干擾協(xié)調(diào)有一定難度，且與國鐵的運營維護管理體制存在較大差別；因此區(qū)域范圍內(nèi)的市域鐵路移動通信系統(tǒng)更傾向于采用1.8 GHz的LTE（長期演進技術）系統(tǒng)。為此有必要根據(jù)此全新組合模式下車地無線通信業(yè)務需求，分析研究LTE集群調(diào)度通信實現(xiàn)方式、系統(tǒng)架構，以及實現(xiàn)調(diào)度命令、ATO信息、無線車次號校核信息傳送等業(yè)務功能的解決方案。

1 通信方式

集群調(diào)度通信是各類專用移動通信的核心業(yè)務，對市域鐵路也不例外。目前應用于鐵路行業(yè)的LTE系統(tǒng)的集群調(diào)度通信系統(tǒng)實現(xiàn)方式主要有：移動一鍵通（Push-to-talk over cellular，PoC）方案、基于寬帶集群通信（B-TrunC）標準方案和基于關鍵語音業(yè)務（Mission Critical Push To Talk，MCPTT）標準方案［1］。

PoC方案是一種基于會話初始協(xié)議（SIP）及IP化的傳輸手段，實現(xiàn)業(yè)務與承載分離，類似于微信語音群組方式實現(xiàn)集群調(diào)度語音通信。由于采用的是純應用層的解決方案，其缺點非常明顯，如無法通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)精準呼叫控制、業(yè)務優(yōu)先級保障、時延控制等，且集群通信采用單播方式，無法實現(xiàn)資源共享，因此不對該方案做深入分析。

B-TrunC方案是基于3GPP R9版本的LTE系統(tǒng)，針對物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層進行修改，在保證兼容LTE數(shù)據(jù)業(yè)務的基礎上，增強了語音集群基本業(yè)務和輔助業(yè)務，以及多媒體集群調(diào)度等寬帶集群業(yè)務功能；可提供多行業(yè)共網(wǎng)管理方案，滿足城市無線政務公安、消防、醫(yī)療、城管、交通、環(huán)保等多行業(yè)部門共用網(wǎng)絡的要求，各行業(yè)部門通過VPN（虛擬專用網(wǎng)絡）或獨立核心網(wǎng)進行獨立的用戶簽約和業(yè)務管理，可共享無線接入網(wǎng)和頻譜資源［2］；在寬帶集群產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的推動下，發(fā)布了基于LTE技術的寬帶集群通信系統(tǒng)系列標準，并開展了大量的互聯(lián)互通測試，在行業(yè)專用通信中得到大量應用；同時，在城市軌道交通行業(yè)制定了LTE-M序列規(guī)范，在城市軌道交通領域的大量實踐，進一步驗證了基于B-TrunC標準的LTE系統(tǒng)在滿足行業(yè)調(diào)度通信及關鍵應用方面、標準規(guī)范方面和產(chǎn)業(yè)鏈方面的成熟度和完整度。

MCPTT是3GPP中引入針對公共安全領域的應用層框架，可以實現(xiàn)集群組呼、廣播及優(yōu)先級業(yè)務，符合鐵路通信業(yè)務的安全可靠需求，同時支持關鍵語音、關鍵數(shù)據(jù)（MCData）以及關鍵視頻（MCVedio）等業(yè)務，簡稱MCX方案。在國鐵集團2015年起開展的450 MHz LTE-R相關標準研究中［3］，提出采用基于MCX架構實現(xiàn)LTE-R系統(tǒng)的調(diào)度通信功能，并通過開發(fā)專用接口實現(xiàn)與鐵路既有有線調(diào)度通信系統(tǒng)的互通，以及功能號呼叫、基于位置尋址呼叫等與用戶功能和基于位置相關的調(diào)度業(yè)務［4］。但此方案完成初步試驗后，其序列標準已經(jīng)停止研究，國鐵集團現(xiàn)轉向研究5G-R標準。

由此可見，基于MCX標準的LTE-R系統(tǒng)雖然已經(jīng)開展初步試驗以及與有線調(diào)度通信系統(tǒng)互通的測試，但相較于基于B-TrunC技術的LTE系統(tǒng)，應用功能和產(chǎn)品互聯(lián)互通方面還有待深入研究，且其產(chǎn)業(yè)鏈及標準體系均不完備?，F(xiàn)階段更適合采用條件相對成熟的B-TrunC架構的LTE系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構

基于B-TrunC標準的LTE市域鐵路移動通信系統(tǒng)，由LTE核心網(wǎng)、無線接入系統(tǒng)、終端、集群調(diào)度服務器、LTE應用接口服務器、運營支撐系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構

對于同時支持集群功能和數(shù)據(jù)功能的LTE核心網(wǎng)，包括演進的歸屬簽約服務器（eHSS）、演進的移動性管理實體（eMME）、P-GW與S-GW合一（x-GW）、集群媒體功能體（TMF）和集群控制功能體（TCF）。無線接入網(wǎng)包括LTE基站（eNodeB）或基帶單元（BBU）和遠程射頻單元（RRU）［5］。終端包括車載電臺、車載數(shù)據(jù)終端（TAU）、固定臺、手持終端、SIM卡等。運營支撐系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、接口監(jiān)測系統(tǒng)等。業(yè)務系統(tǒng)包括CTC、TSRS、DMS、PIS和IMS等。

3 業(yè)務需求

對于時速160 km的市域鐵路，參照同類型技術標準《城際鐵路設計規(guī)范》（TB 10623—2014）的相關規(guī)定，信號系統(tǒng)采用C2+ATO制式，其移動通信系統(tǒng)應提供普通語音通信、調(diào)度通信、調(diào)度命令、無線車次號校核及C2+ATO等列控系統(tǒng)車地信息傳送業(yè)務。

為適應市域鐵路公交化運營，提升運營維護效率，以及改善旅客乘坐體驗，C2+ATO系統(tǒng)也對運營需求進行了一定的改進，如增加列車“無人自動折返”功能，車地通信增加軌道交通傳統(tǒng)的列車緊急文本下發(fā)、車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）和車載視頻監(jiān)控實時傳送等應用業(yè)務［6］。

目前，國內(nèi)還沒有基于B-TrunC標準的LTE承載信號C2+ATO系統(tǒng)的應用案例，在傳統(tǒng)軌道交通中LTE系統(tǒng)承載基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）信號，沒有涵蓋C2+ATO制式市域鐵路典型的調(diào)度命令信息、列車無線車次號校核信息、ATO信息等傳送業(yè)務，因此有必要對基于C2+ATO系統(tǒng)的市域鐵路LTE移動通信業(yè)務承載解決方案進行研究。

4 實現(xiàn)方案

4.1 ATO信息傳送業(yè)務實現(xiàn)

目前，國鐵ATO系統(tǒng)主要有2種方式實現(xiàn)站臺門控制和運行計劃處理：第1種是應用于珠三角城際的C2+ATO系統(tǒng)，該方式是在地面設置通信控制服務器（CCS）；第2種是在京沈客專試驗成功的高速鐵路ATO系統(tǒng)，該方式是在地面設置臨時線速服務器（TSRS）。市域鐵路通常采用第2種高速鐵路ATO系統(tǒng)架構，在TSRS、CTC（調(diào)度集中系統(tǒng)）、TCC（列控中心）、GSM-R等地面設備上增加功能，車站股道增加精確定位應答器，車載設備增加ATO單元、通用分組無線業(yè)務（GPRS）電臺及相關配套設備，并在ATP車載設備上增加列車開門防護及折返等功能。

市域鐵路ATO列控區(qū)段車載設備與地面TSRS間傳送自動駕駛信息，此信息傳送對于通信系統(tǒng)來說是透明的，業(yè)務實現(xiàn)可以參考高速鐵路GSM-R分組域承載ATO信息傳送方式：信號系統(tǒng)地面TSRS設備與ATO車載設備之間新增車地GPRS通道，ATO車載設備通過Um接口接入GSM-R/GPRS網(wǎng)絡，地面TSRS設備通過Gi接口與GSM-R/GPRS網(wǎng)絡的GGSN（GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點）設備連接，實現(xiàn)車載ATO設備與地面TSRS設備之間發(fā)送或反饋運行計劃、列車運行狀態(tài)、站間數(shù)據(jù)、站臺門狀態(tài)或開/關命令等信息［7］。

在GSM-R/GPRS模式下采用分組域Gi接口實現(xiàn)高速鐵路ATO信息傳送，可直接借鑒市域鐵路LTE系統(tǒng)，TSRS系統(tǒng)作為應用業(yè)務通過SGi接口接入LTE網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)通信通過IP方式相互訪問?；贚TE系統(tǒng)的市域鐵路ATO信息傳送見圖2［8］。

圖2 基于LTE系統(tǒng)的市域鐵路ATO信息傳送

為了使車載ATO/數(shù)據(jù)接入單元（TAU）和TSRS間建立通信，需要雙方能找到對方IP地址。由于TSRS一般按線設置，因此可以預先固定分配各線TSRS的IP地址，ATO車載TAU的IP地址在開機登錄網(wǎng)絡時由網(wǎng)絡分配。ATO車載設備通過地面應答器讀入或司機人工輸入所屬TSRS的IP地址，ATO車載TAU向此IP地址發(fā)送信息，雙方建立連接?？鏣SRS時，同樣是ATO車載TAU主動發(fā)送信息修改對應TSRS的IP地址。

4.2 調(diào)度命令及列車無線車次號校核信息傳送業(yè)務實現(xiàn)

我國高速鐵路通常采用GPRS子系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)度命令及列車無線車次號校核信息傳送。GPRS子系統(tǒng)的核心設備是GRIS（GPRS接口服務器），它通過與信號側設置的GSM-R通信接口服務器建立與CTC系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)傳輸層和應用層通信協(xié)議轉換、IP地址轉換、數(shù)據(jù)存儲轉發(fā)、IP地址更新等功能［9］。

市域鐵路LTE系統(tǒng)雖然采用分組技術，但與應用業(yè)務系統(tǒng)的接口相較其與GSM-R存在較大差異，其系統(tǒng)架構不支持CTC系統(tǒng)接入GRIS、DNS（域名系統(tǒng)）、RADIUS（遠程撥入用戶服務器）等設備，不具備傳輸層和應用層通信協(xié)議轉換以及機車號與IP地址對應的功能，無法實現(xiàn)調(diào)度命令及車次號校核信息傳送業(yè)務。

建議LTE系統(tǒng)采用鐵路專用應用接口系統(tǒng)替代GRIS，實現(xiàn)CTC系統(tǒng)與市域鐵路LTE系統(tǒng)無線網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)交互及行車控制系統(tǒng)的車地通信。市域鐵路LTE系統(tǒng)中應用接口系統(tǒng)車地通信架構及冗余設置方式見圖3。

圖3 市域鐵路LTE系統(tǒng)中應用接口系統(tǒng)車地通信架構及冗余設置方式

4.3 自動折返下通信車載臺同步換端業(yè)務實現(xiàn)

為實現(xiàn)市域鐵路公交化、高密度的運營需求，追蹤間隔時間通常要求3 min，C2+ATO系統(tǒng)也針對運營需求增加了“無人自動折返”功能，縮短折返時間。

目前在高速鐵路領域中，采用CTCS制式線路的通信、信號系統(tǒng)均未實現(xiàn)自動折返功能，通信車載臺通常是由司機人工激活車載臺換端，換端過程中設備需要上電、自檢、車次號注冊、機車功能號注冊等操作，時間需要2～3 min（考慮雙司機，不含司機走行時間），嚴重影響市域鐵路公交化運營的實現(xiàn)［10］。

為滿足自動折返需求，車輛兩端車載通信設備的自動激活換端有以下2種方案。

方案一。通信車載臺間直接通過車輛總線或無線網(wǎng)絡進行通信，A端收到司機注銷操作時自動發(fā)送換端激活信息給B端，B端啟動自檢、注冊等流程。該方案通信車載臺換端需要利用專用車輛總線，由于信號系統(tǒng)為實現(xiàn)列車自動折返業(yè)務已經(jīng)占用一部分列車總線資源，若通信也要占用車輛總線，會導致列車總線資源更為緊張。而且，通信車載臺若采用無線通信方式換端，則需要保持兩端無線設備時刻處于在線通信狀態(tài)，這對調(diào)度通信模式和車載臺的運用提出較大的改變，對整體系統(tǒng)架構影響較大。

方案二。通信車載臺與信號車載設備新增通信接口，用于接收信號車載設備發(fā)送的換端、激活信息，通信車載臺自動完成一端注銷、一端注冊的換端流程，信號車載設備通過車輛總線實現(xiàn)兩端的車載設備間信息交互并交接控制權。該方案通過增加通信接口接收信號設備的換端信息，實現(xiàn)通信車載同步換端，并自動完成注冊、注銷及無線車次號校核等業(yè)務，從系統(tǒng)性和統(tǒng)一協(xié)調(diào)性來看更具優(yōu)勢。

綜合分析以上2種方案，在實際應用中更推薦方案二，其主要場景流程、功能實現(xiàn)如下。

1）車輛兩端的車載通信設備分別需要預留2路網(wǎng)絡通道，用于與主備車載信號設備網(wǎng)絡通信，獲取車輛激活、車次號、公里標、啟動停穩(wěn)等信息。在車輛進行折返換端時，自動激活對應的通信車載臺設備。

2）車輛激活端的通信車載設備自動進行列車無線車次號校核，發(fā)送啟動停穩(wěn)信息至地面LTE系統(tǒng)應用接口服務器，經(jīng)LTE應用接口系統(tǒng)轉發(fā)給CTC通信服務器。

3）CTC系統(tǒng)通過CTC通信接口服務器下發(fā)調(diào)度命令信息，包括調(diào)度命令和列車進路預告等，經(jīng)LTE系統(tǒng)應用接口服務器轉換車次號、機車號對應的網(wǎng)絡地址信息后進行發(fā)送；對應的通信車載臺設備接收該調(diào)度命令信息，自動確認并提示司機進行人工簽收確認，通信車載臺完成換端。

5 結論

1）綜合考慮C2+ATO制式市域鐵路運輸組織模式、運營管理需求，以及智慧化業(yè)務的發(fā)展趨勢，從互聯(lián)互通特性、技術標準成熟度和產(chǎn)業(yè)鏈完備度等方面進行分析，推薦采用基于B-TrunC標準的LTE系統(tǒng)實現(xiàn)市域鐵路集群調(diào)度通信業(yè)務，并提供移動通信業(yè)務綜合承載。

2）利用應用接口系統(tǒng)及車載設備新增通信接口的方式，實現(xiàn)調(diào)度命令、無線車次號校核信息傳送業(yè)務和列車自動折返同步換端信號系統(tǒng)信息交互業(yè)務。

3）為實現(xiàn)市域鐵路網(wǎng)絡化運營，基于B-TrunC標準的LTE系統(tǒng)還需進一步研究列車跨線運行時不同核心網(wǎng)漫游和集群調(diào)度功能的連續(xù)性，為后續(xù)市域鐵路成網(wǎng)運營、保障行車安全、提高運輸效率、提升維護水平等方面提供技術支撐。