基于移动中继增强机制的多机车同步操控无线通信策略

袁天洋， 吴 昊， 柴金川， 丁建文

(1. 北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室, 北京 100044;2. 中国铁道科学研究院 国家铁道试验中心， 北京 100015)

目前重载运输已成为国内外货物运输的主要发展趋势。万吨以上重载列车须采用多机车同步操控(LOCOTROL)共同牵引的方式[1]，机车间通过无线通信进行信息传输。由于无线通信的质量和时延直接影响到同步操控时的制动和纵向冲动，无线数据传输系统的方案和性能成为开行无线同步操控重载组合列车的关键[2]。最简单的机车间通信方式是主控机车通过车顶天线将信息直接发向从控机车，从控机车通过车顶天线接收信号。然而，由于车顶天线发射功率和车载通信单元信号处理能力的限制，该通信方式不能满足同步操控系统对通信质量的要求。目前国内外主要采用铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)传输LOCOTROL控制信号数据，并在其基础上开发了点对多点的数据会议系统[3]，可以满足不同运输编组方式的信息传输要求。然而，根据实际中对铁路沿线各区间段通信的监测数据，现今重载线路上部分地区依旧存在GSM-R弱场覆盖或通信不稳定的情况。另外，在该系统环境下每个机车都需要建立与GSM-R网络的专用电路交换数据传输信道[1]，从而造成通信链路环节较多，流程较为复杂，进而提升了同步操控系统出错风险。

移动中继技术是近年来铁路通信中的一个研究热点。目前针对该技术的研究主要面向普通汽车和客运列车[4-5]，本文将该技术引入到重载铁路中，用于提高同步操控系统的可靠性。与普通的车载通信设备相比，移动中继具有强大的信号收发和信息处理能力，能够在一定条件下满足同步操控系统对通信质量的要求。因此，为提高同步操控系统的可靠性，考虑给主控机车安装小型的移动中继站，移动中继在发送控制命令前比较其与GSM-R网络之间和与从控机车之间的信道质量，并据此选取通信链路与从控机车通信。这相当于在原有的GSM-R通信机制基础上设计了一个移动中继增强机制，提升同步操控系统的可靠性。本文进一步描述在同步操控系统中采用移动中继技术的通信机制的原理，并分析该机制的可行性，然后通过Petri网建模仿真验证移动中继增强机制的通信可靠性，并与目前的GSM-R通信机制作比较。

1 重载铁路中的移动中继增强机制

1.1 传统通信机制

传统的车载通信设备由通信输入/输出模块(CIOM)和车载通信单元(OCU)组成；GSM-R网络由地面基站设备、中心控制单元等组成。当主控机车给从控机车发送指令时，主控机车首先将信息通过GSM-R网络发送给地面应用节点(AN)，AN再通过GSM-R网络将信息转发给从控机车[1]。以双机车头共同牵引模式为例，传统GSM-R通信机制架构见图1。

1.2 移动中继增强机制

目前的重载铁路列车有2×10 000 t、4×5 000 t等组合方式[6]。以双机车头共同牵引模式为例，移动中继通信机制的网络架构见图2。

主控机车顶部的移动中继和从控机车的车顶天线均应具备多模通信能力。在列车行进过程中，主控机车顶部的移动中继实时测量其与GSM-R网络间和与从控机车间的信道质量。GSM-R网络在郊区、山区等地区的小区覆盖半径通常为若干公里，因此在GSM-R网络小区边缘等地区，GSM-R信号强度较低，移动中继与从控机车间的信道条件相对较好。当发送控制命令时，若移动中继与从控机车间的信道条件较好，则主控机车将与从控机车直接通信，发送的信息不再通过GSM-R网络(以下简称为直传模式)；若移动中继与从控机车间的信道条件和与GSM-R网络间的信道条件相似，考虑到直传模式可以使通信流程相对简化，通信节点较少，进而数据传输成功率较高，依然选择使用该模式通信；若移动中继与GSM-R网络间信道条件较好，则采用传统的GSM-R数据会议系统通信。在此，移动中继增强机制包含了直传模式和传统的GSM-R传输模式，相当于在二者间做选择，也是对GSM-R机制的补充与改进。移动中继增强机制既在一定程度上避免了传统GSM-R机制中由于弱场而导致的控制信息传输失败情况，又在一定条件下简化了通信流程，进一步提高同步操控系统的可靠性。

发车前列车需要向控制中心通报车载移动中继与从控机车通信时所要使用的频段。在行进过程中，沿途经过的基站设备应避免使用该频段通信。移动中继需要具备较大的发射功率，以及较强信号纠错和检错能力，以便于与距离1 300 m外的从控机车进行有效通信。同时，在设计移动中继时，可为其安装有向天线，并令其具备根据从控机车位置调整信号发射方向的能力，以削弱因上下坡等情况带来的信道质量下降的影响，更好地发挥它的作用。

在此，主控机车车顶移动中继在必要时也可将来自调度中心的信息转发给从控机车。目前，车载中继的转发方式有放大转发、解码转发、编码协作等。其中，放大转发方式较为简单，对中继的性能要求较低，但可靠性较差，而另外两种方式需要较高性能的中继才能取得较好的转发效果。在实际中，可针对具体环境和中继器的性能选取合适的转发方式。

2 移动中继增强机制通信质量验证

考虑到行车安全，车载移动中继距地面高度不应超过3 m。因此，需要采用适用于低天线高度的经验模型对通信质量进行仿真。K.Konstantinou于2007年提出了针对低高度天线的2.1 GHz室外中继传播模型[7]。2.1 GHz与GSM-R网络的工作频段并不冲突，因此本文中移动中继使用2.1 GHz频段与从控机车直接通信，而车顶天线在经过调整后也可以使用该频段进行通信。该模型适用于密集城市和郊区场景，其中视距可见模型适用于郊区场景。大秦线等主要重载铁路线路的分布区域集中在郊区和山区，且弯道较少，多数情况下主控机车与从控机车间视距可见，因此可以采用该模型中的视距可见模型近似对本文提出的机制的通信质量进行仿真验证。由此，本文仅给出视距下的路径损耗计算公式

LLOS=26.6-20lg(λ)-2.24ht-4.9hr+

29.6lgd+C

( 1 )

式中:LLOS为视距下路径损耗；ht和hr分别是发射和接收天线距地面高度；d是发射机和接收机之间的距离；λ为波长；C为阴影衰落因子，近似服从均值为0、标准差为6～11 dB的对数正态分布，标准差与传输距离、障碍物分布等因素有关。

当前开行的重载列车总长度约为2 600 m。以双机车共同牵引模式为例，每个万吨列车长度(即机车间距)约为1 300 m[1]，因此机车间信号传输距离基本介于1 200 m至1 400 m之间。设车载移动中继电路域模块发射功率为8 W，移动中继与从控机车车顶天线均有12 dBi增益[8]，通信频率为2.1 GHz，移动中继和车顶天线顶部距地面2.8 m(其中，机车高度为2.5 m，中继高度为0.3 m)，阴影衰落标准差为11 dB(即最大标准差)，得到的信号传输距离与从控机车天线接收电平的关系见图3。

图3(a)为不考虑阴影衰落情况下信号传输距离与从控机车天线接收电平的关系。其中，当信号传输距离为1 300 m时，从控机车接收电平为-52.65 dbm。图3(b)为标准差为11 dB的阴影衰落概率密度分布，其中阴影衰落以极大概率不超过40 dB。根据文献[9]，机车车顶天线处的最小接收电平不低于-92 dBm。根据图3中的仿真结果，采用移动中继通信后从控机车最小电平以高于99.99%的概率满足规范要求。因此使用移动中继与从控机车直接通信可基本满足同步操控系统对通信质量的要求，在原有系统基础上提高通信可靠性。

3 通信流程有色Petri网建模

有色Petri网(CPN)作为一种高级Petri网，被认为是基于网络复杂系统建模和分析的最佳工具。CPN不仅具有普通Petri网描述并发、同步、异步、资源竞争、协调等离散事件动态系统行为的功能，而且结合高级编程语言和建模的层次结构，能够完成包含复杂数据类型定义和数据处理的大型系统建模[10-11]。因此，可以使用CPN为通信系统中数据传输流程搭建一个模型，并在模型中设置各节点处的传输参数(如丢包率、传输时延)，然后通过多次模拟数据传输过程得到系统的数据传输成功率，并以传输成功率判定通信可靠性。本文将采用无线传输丢包率和传输时延反映无线传输的信道条件，丢包率越高、传输时延越长，则表示无线信道条件越差。

移动中继增强机制包含3种情况：直传模式信道条件优于GSM-R传输模式；直传模式信道条件与GSM-R传输模式相似；直传模式信道条件劣于GSM-R传输模式。本文将重点证明第2种情况下直传模式的信息传输成功率明显高于GSM-R传输模式，并由此推断出第1种情况下该结论也成立，以证明采用移动中继增强机制可以在部分情况下提高数据传输成功率，即提升同步操控系统的可靠性。因此，本文将对GSM-R传输模式和直传模式分别建立有色Petri网，对比其在相似信道条件下的数据传输成功率。

GSM-R传输模式的详细通信流程为：主控机车将控制命令通过GSM-R网络发送给AN，AN在收到命令后给主控机车发送应答(Ack)信息，同时将信息转发给从控机车。主控机车在收到AN的Ack信息前，每隔300 ms向AN重新发送控制命令，直到收到AN的Ack信息。从控机车在收到AN转发的控制信息后，向AN发送Ack信息。AN在收到从控机车的Ack信息前，每隔300 ms向从控机车重新发送控制命令，直到收到从控机车的Ack信息。在信息传输时延上限内(如1 s)，若主控机车没有收到AN的Ack信息，或AN没有收到从控机车的Ack信息，则判定传输失败。另外，若传输过程中地面设备有某个节点故障，则直接判定为传输失败。

直传模式的详细通信流程为：主控机车通过无线信道向从控机车发送控制命令，从控机车在收到控制命令后向主控机车发送Ack信息。主控机车在收到从控机车的Ack信息前，每隔300 ms向从控机车重新发送控制命令，直到收到从控机车的Ack信息。在信息传输时延上限内(如1 s)，若主控机车没有收到从控机车的Ack信息，则判定传输失败。

本文以双机车头共同牵引模式为例，应用CPN Tools 4.0对GSM-R传输模式和直传模式分别建立带有时间戳的CPN模型。

图4为GSM-R传输模式的CPN模型。图4(a)为顶层模型，图4(b)为复合变迁Transmission 1的子模型。铁路电路数据业务(CSD)中各节点间以数据包的形式传递信息，因此可以将CPN模型中的Token看作通信网中的数据包，将其在模型中传递，以达到模拟实际通信网的效果。该模型所传输的Token带有时间戳，Token每进行一次无线传输或有线传输操作其时间戳数值均要有一定的增长，增长的数值相当于每次传输耗费的时间，耗费时间根据传输类型服从不同的随机分布。

在顶层模型中，复合变迁Arrival用于生成Token，并将其发送；复合变迁Calculation用于计算完成总传输流程的Token的传输时延并判别该Token是否传输成功；复合变迁Transmission1为主控机车与AN间的通信网；复合变迁Transmission2为AN与从控机车间的通信网；复合变迁AN Packet Deal用于判定AN处理数据时是否有丢包现象发生，并将数据包转发。

Token进入Transmission1后首先通过复合变迁Air Transmission Up来判别无线上行传输部分是否传输成功，并在时间戳中加上一个随机的传输时延。若判定传输成功则被送到库所GSM-R Network Up中；若判定传输失败则被送到库所Transmission Fail 1中，进而被送回入口库所Packet to Send。函数ResendTime1可以通过Token所携带的信息将其时间戳设定为上次进入Air Transmission Up后的300 ms。虽然本模型中的机制是Token被送回Packet to Send然后被定时重新发送，但与主控机车在300 ms内没有收到来自AN的Ack信息则重新发送数据是等效的。当无线上行传输成功后，Token被发送到复合变迁Packet Transmission 1中被判定有线上行传输是否成功。与无线传输不同，有线传输无论成功与否Token均被复制为2个发往库所An Ack(用于应答主控机车)和库所An Receive(用于发送给AN)。若判定传输成功则在时间戳中加上一个随机的传输时延；若判定为传输失败则在Token携带的信息中标记该Token传输失败，并将其直接送往终点，中间不再做任何操作。Packet Transmission 2为判定有线下行传输是否成功的变迁，其原理与Packet Transmission 1相似。当有线下行传输成功后Token进入复合变迁Air Transmission Down判定无线下行传输是否成功，并在时间戳中加上一个随机的传输时延。若传输成功则被发送到库所Ack Receive中，这样该Token就不会再被重传，等效于主控机车收到了Ack信息；若传输失败则被送回入口库所Packet to Send经定时后重传。在此，无论无线上行传输失败还是下行传输失败均相当于主控机车没有收到来自An的Ack信息，进而主控机车将定时重传信息，因此无线上行和下行传输失败的Token可被以通过同样的方式送还到入口库所Packet to Send中，并经定时后重传。Token被送到Ack Receive后会在顶层模型中被送到Calculation中，在计算时延后用于判断总体传输流程是否成功。

Token进入复合变迁Transmission2后，经由相似的流程进行传输。Token被发送到Transmission2的出口库所相当于AN接收到了从控机车的Ack信息。此时，Token将被送到Calculation中，在计算时延后用于判断总体传输流程是否成功。

复合变迁Calculation判断Transmission1中出口库所Ack Receive发送来的Token和Transmission2中出口库所发送来的Token的传输时延是否满足要求，只有当2个Token的传输时延均在规定的时延内才判定该次数据传输成功。

由于受仿真软件限制，无法使用实测数据进行仿真。CPN Tools 4.0支持从均匀分布、正态分布、瑞利分布等分布函数中随机抽样，其中瑞利分布最能满足对选取耗费时间、传输成功率的要求。取耗费时间、数据包传输成功率根据传输类型服从不同尺度的瑞利分布。由于各节点的传输时延、传输成功率为随机函数，每次传输成功与否均带有随机性。该模型每执行一个流程相当于主控机车给从控机车传输一条数据，限定系统参数后进行多次重复独立实验即可测得该参数下的传输成功/失败率。例如，假设无线传输丢包率为0.01%，传输时延服从尺度为100 ms的瑞利分布，有线传输丢包率为0.001%，传输时延服从尺度为20 ms的瑞利分布，传输时延上限限定为1 s，在该条件下进行500 000次重复独立的数据传输实验，所得的传输成功/失败次数即可反应该条件下的传输成功/失败率。进行多次这种500 000次重复独立实验，将结果取均值，即可得出更准确的传输成功/失败率。

图5为直传模式的CPN模型。其中，图5(a)为顶层模型，图5(b)为复合变迁Transmission的子模型。该模型的中各变迁的作用与GSM-R传输模式中的相似，在此不再做详细描述。显然，直传模式的通信流程比GSM-R传输模式简化了很多，其中无线传输链路数量为GSM-R传输模式的一半，且省去了所有地面设备传输与操作流程。

4 仿真结果对比

根据实测统计数据，GSM-R网络中由非切换引起的电路数据业务(CSD)误包率通常不超过0.04%[12]。另外，根据文献[13]，从主控机车发送数据帧时刻开始，到从控机车接收到数据帧时刻为止，其时间间隔不应大于1 s；AN的可用性应大于99.999%。根据上述参数，假设数据包大小为30字节，传输速率为9.6 kbit/s，GSM-R与移动中继增强机制在无线传输部分取相同参数(即二者信道条件相似)，CPN模型的参数设置见表1。

表1 CPN模型参数设置

需要说明的是，在无线传输过程中，若丢包事件发生，则表明该时刻信道条件不佳。根据实测的统计数据，多数情况下数据包重传情况事件的发生会伴随信道质量降级，且重传次数越多信道质量降级程度越高。因此本文中设置数据包每被重传一次后再经历无线传输时，传输时延分布尺度递增100 ms，丢包率分布尺度递增10%。另外，多数情况下上行链路质量比下行链路要差，因此在仿真过程中取上行链路的初始传输丢包率和传输时延均为下行链路的2倍。

分别取无线下行传输初始丢包率为0.01%、0.02%，所得信息传输时延上限和传输失败率的关系见图6(a),由于直传模式的通信流程比GSM-R模式相对简单，当二者之间无线传输丢包率、传输时延分别相同，即无线信道条件相似的情况下，移动中继增强机制中直传模式的传输失败率明显低于GSM-R传输模式。其中，当无线下行传输丢包率为0.01%时，若传输时延上限为500 ms，则直传模式的传输失败率是GSM-R传输模式的23.2%；若传输时延上限为1 000 ms，则直传模式的传输失败率是GSM-R传输模式的19.5%。另外，即使直传模式丢包率为GSM-R传输模式的2倍时，前者传输失败率也低于后者。

由图6(a)可知，各传输机制下单次传输成功率均在99.8%以上。然而，在列车行驶途中可能会有上千次的信息传输过程，任意一次控制命令传输失败均可能导致车厢间脱钩、制动失效等危险事件发生。以图6(a)的传输单次失败率为基础，计算1 000次数据传输全部成功的概率，所得传输时延上限与其关系见图6(b)。由图6(b)可知，在单次传输成功率较高的情况下，1 000次传输全部成功的概率会明显降级。其中，对于GSM-R传输模式，当丢包率为0.02%，传输时延上限为500 ms时，虽然单次传输成功率高达99.85%，但1 000次传输全部成功概率仅为22.6%。另外，图6(b)中GSM-R传输模式所能达到的最高成功率为81.84%，移动中继增强机制所能达到的最高成功率为96.22%。

综上，当直传模式的丢包率和传输延迟与GSM-R传输模式相似或低于GSM-R时，由于直传模式通信流程相对简单，其信息传输成功率明显高于GSM-R传输模式。另外，当直传模式丢包率一定程度高于GSM-R传输模式时，其信息传输成功率也有可能高于GSM-R传输模式。因此，采用移动中继增强机制可以更有效地避免因机车间不同步而导致脱钩、刹车失效等危险事件的发生，明显提高同步操控系统的可靠性。

5 结束语

本文针对重载列车同步操控系统提出了移动中继增强机制。对该机制与传统GSM-R机制在原理上进行了分析与比较，并通过使用室外中继传播经验模型对移动中继增强机制进行Matlab仿真，验证该机制中直传模式在多数情况下可满足同步操控系统对通信质量的要求；针对移动中继增强机制直传模式与GSM-R传输模式分别建立了CPN模型，并通过模型对2种传输模式的可靠性进行了仿真。仿真结果表明，相比于GSM-R机制，采用移动中继增强机制可以明显提高同步操控系统的通信可靠性。

本文中设计的移动中继增强机制暂时仅适用于双机共同牵引模式，且仅从理论上定性分析了该机制的优势，另外尚未给出主控机车选择传输模式时的具体门限参数。下一步将研究针对4台机车牵引模式的移动中继增强机制，并在实际中对该机制进行验证，同时根据实测统计数据细化选择流程。

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