基于LTE D2D通信技术的列车通信

林 鹏 徐中伟 梅 萌

(同济大学电子与信息工程学院，201804，上海//第一作者，硕士研究生)

CBTC(基于通信的列车控制)系统能够确保列车灵活、高效运行。但近年来，采用CBTC系统的线路仍时有事故发生。2011年9月11日，上海轨道交通10号线发生列车追尾事故，造成295人受伤；2017年11月15日，新加坡地铁发生列车碰撞事故，造成28人受伤。这些事故都造成了巨大的社会影响和经济损失。事故原因是，CBTC系统地面设备故障，事故列车无法识别其他列车，因而不能实施有效控制。那么，如果列车具有自主运行能力，并且各车之间能够直接通信，就可有效避免列车追尾或碰撞事故的发生。这一技术将成为新一代CBTC系统的一个重要着力点。

与传统CBTC系统相比，新一代CBTC系统引入“以列车为核心”和“车车通信”两个概念。“以列车为核心”是指列车的移动授权计算、进路办理由列车自己完成，不再经由传统的轨旁设备来实现。“车车通信”是指两列列车间的直接通信，可使前后两列列车自主实现安全防护[5]。本文重点关注列车之间直接通信的车车通信技术，考虑将LTE (长期演进)D2D(设备到设备)技术应用于车车通信之中，并设计可行的技术方案，仿真分析系统的性能。

1 D2D和车车通信技术

1.1 D2D通信技术

D2D通信技术是LTE乃至5G的重要技术之一，能提供移动终端之间直接通信的能力。D2D通信指的是蜂窝网络中用户设备在近距离范围内依靠建立终端直连链路实现数据交换的通信方式，数据不需要经过基站进行转发。与传统的终端间基于ISM(工业、科学和医用)频段的通信技术不同，D2D通信基于蜂窝网络系统，UE(移动终端设备)间可以通过授权的频谱资源进行数据传输，从而能够在保证通信质量的前提下提高数据传输速率、传输距离和网络吞吐量。

D2D通信的基本概念最早出现在文献[1]中。文献[1]提出了一种结合单跳蜂窝网(SCN)和Ad-hoc网络的多跳蜂窝网络(MCN)，并对比了SCN与MCN的吞吐量，证明MCN确实能提高吞吐量。D2D通信可分为Inband Underlay、Inband Overlay、Outband Controlled和Outband Autonomous 4种情况[2]，分别表示D2D通信在授权频段使用与基站相同的信道、在授权频段使用与基站不同的信道、在未授权频段由基站控制D2D通信、在未授权频段通信设备自组织通信，现有的研究多集中于Inband Underlay，重点考虑频谱资源分配与功耗的控制问题。

近几年，国际标准化组织不断加快对D2D通信技术的标准化研究工作。3GPP(第三代合作计划)于2011年9月提出了近邻服务研究项目(ProSe SI)，该项目关注D2D通信的具体实现、技术细节和适用场景。Release 12标准针对基于LTE-A核心网平台的D2D通信技术进行探讨，同时也展示了不同的D2D通信场景和需求，如本地数据交换、公共安全服务等[3]。Release 14标准围绕D2D通信进行系统架构和通信协议的详细设计和规范[4]。

1.2 车车通信技术及其可行性分析

列车间能否实现长距离直接通信，以及D2D通信技术能否满足车车通信的要求是本文后续方案是否可行的基础。早在2006年，德国宇航局(DLR)就提出基于车车通信的铁路避撞系统(RCAS)[7]，并在2010年5月，在德国Wegberg-Wildenrath的铁路试验基地成功地演示了RCAS理论研究成果[8]。在法国，里尔地铁1号线应用阿尔斯通公司最新的CBTC系统Urbalis Fluence，已经实现系统精简、车车通信、列车自主控制等功能[6]。上述案例说明了列车间直接通信是可行的。

文献[9]的研究指出当一列330 t列车的速度为80 km/h时，其对应的正常制动距离接近400 m；当列车的速度为20 km/h时，其正常制动距离小于50 m。城市轨道交通列车包括乘客的总质量通常小于330 t且运行速度小于80 km/h，考虑误差因素，可以认为列车制动距离不会超过450 m。因此列车之间的直接通信距离应该不小于450 m。在2012年，DLR试验了陆地集群无线电(TETRA)技术在车车通信中应用，研究利用TETRA直通模式下的短数据服务实现列车间直接通信的可行性[10]。DLR测量了在车站、隧道、山区、树林等环境下使用TETRA技术的通信质量以及可行的传输距离。试验证明，即使在严重的多径效应和多普勒效应的情况下，TETRA技术最远的无线传输距离也长达4 km，远大于450 m的列车制动距离，证明了列车之间直接无线通信的可行性。虽然LTE技术不同于TETRA，LTE拥有更高的频率，这限制了其无线信号的传输距离，但是LTE拥有的诸多先进技术可克服路径损耗和衰弱的影响，提高传输的可靠性，使得LTE传输的距离即使在隧道中也可达1.2 km[11]。D2D通信技术承载于LTE技术之上，利用列车提供的较大发射功率可以实现500～1 000 m左右的传输距离。即使在恶劣无线环境下D2D单一链路通信无法满足通信距离要求，利用多跳网络和中继等技术依旧可以实现列车间长距离通信[12]。从以上讨论可知D2D通信可以满足车车通信的要求。

2 整体技术方案

D2D通信的建立有两种方式：基站辅助通信建立和设备自组织建立。设备自组织建立方式，不需要基站的参与，但需要更为复杂的信令交互和资源分配方式，需要考虑更多的运用场景与潜在问题，因此，在通信网络正常的情况下，基站辅助通信建立是一种更优的方式。本文考虑在通信网络正常、网络故障或者无线环境恶劣两种情况下列车之间D2D通信的建立与维持等内容。

2.1 基站与ATS辅助控制的列车D2D通信

通信巨头高通(Qualcomm)公司认为，对于D2D通信，可以从“设备发现”和“数据通信”两方面对其进行深入研究。将D2D通信应用于列车间通信，那么设备发现和数据通信就对应于列车识别和列车追踪过程。在CBTC系统中，列车位置与速度信息是精确可知的，基于这个特点提出了一种LTE基站和ATS(列车自动监控)辅助的列车识别方案。

基站辅助的列车D2D通信模型架构如图1所示。在通信的建立与维持过程中都需要eNodeB基站、ATS，以及ATS中的近邻功能ProSe服务器的参与。

图1 列车D2D通信模型

基站辅助控制的D2D通信建立过程如图2所示。在线路上的列车，周期性地将位置、速度、欲行状况、制动状况等信息发给ATS，可以实时了解所有列车的运行状况。当一列列车需要发现并识别周围的列车时，该请求列车将通过蜂窝网络向ATS中的ProSe服务器发送列车发现请求，ProSe服务器根据请求列车的位置以及其周围列车的位置，并综合考虑线路状况等信息，为请求列车计算出合适的通信列车和通信链路。近邻服务器将计算出的链路信息发送给eNodeB基站，由基站为拟建立通信的列车分配资源。通信列车依据分配资源建立通信，并向服务器发送通信建立的匹配报告。由于线路状态以及无线环境变化等原因，列车识别与通信建立过程并不一定都能成功，因此，若经过指定时间后列车判定识别过程失败，则向基站报告，而后经过一段时间后再发起新的请求。

在上述过程中，如果列车ProSe服务器判定列车所在的位置周围没有可以进行D2D通信的合适列车，则通知请求列车；请求列车收到相关信息后停止发送发现请求，并在一段时间后再重新发起请求。考虑到ATS以及ProSe服务器可能因为故障而做出错误的判断，发起列车识别的列车在收到服务器发出的无可行车车通信链路的报告后，进入周期性的列车自组织发现过程，以保障行车安全；同时，出于对ATS的信任，设备自组织列车识别过程的周期可以设置的较长，以降低列车通信设备和无线网络负担。在列车D2D通信建立后，如果两列通信列车处于前后位置且当前运行线路一致，则后面的列车可以发起追踪请求，进行持续的通信和精细的追踪。

在某些特殊的情况下，ATS可能会判定某两列列车有必要进行直接通信，则向这两列列车询问可否建立D2D通信，列车将回复可行信息或者回复不可行信息，如图2中虚线箭头所示。如果两列车都回复可行信息，则正常分配资源建立D2D通信；如果有列车回复不可行信息，则ATS会分析原因，并作出相应处理。如果出现列车没有回复任何信息的情况，ProSe服务器将重复有限次数发送询问信息；若该列车持续无回复，则ATS判断通信存在问题并向该车的周围列车发送该车位置信息并分配无线资源，用于周围列车进行自组织发现与通信过程，以防止事故的发生。

图2 基站辅助控制的D2D通信建立过程

2.2 列车自组织D2D通信

在正常情况下，由于受到基站和ATS中的ProSe服务器共同控制，列车之间的D2D通信的资源分配、流程控制、信令交互都能比较顺利地进行，但是如果通信网络或者ATS系统故障，此时D2D通信可能失去了ProSe服务器的控制，需要额外措施保障行车安全。在通信网络或者ATS系统出现故障的情况下，出于安全考虑，处于故障区域中的列车应启动应急措施，减速或者制动停车并切换为CM(超速防护下的人工驾驶模式)或者RM(限制人工驾驶模式)受人工控制。考虑到出现的故障可能是局部故障，为了兼顾全线的运行，同时还要兼顾故障时列车与现场的反应时间、运营效率以及运行安全，引入列车自组织列车识别与D2D通信方式。

列车自组织D2D通信，首要问题是列车发现过程中的资源池分配问题，在基站工作正常的情况下，可以考虑基站周期性地分配资源池用于列车识别。如果基站无法正常工作，可以使用一种为区域指定资源的方式进行资源池的分配，将资源池与线路上某个区域进行一对一绑定，并将对应关系表保存在每一列列车中；当列车进入某个区域并需要自组织的列车识别与通信时候，列车依据关系表选择对应的D2D通信的资源池。

分配资源池后，列车如果想要进行列车发现与通信就需要竞争资源池中的通信资源，竞争到资源后，列车广播其位置、速度等信息，并在必要时候建立列车通信链路。如果自组织的通信发生在某些大的站场中，就可能出现多列列车竞争同一个资源池的情况，此时可能出现冲突与拥塞的情况。为了减少冲突与拥塞，本文提出一种基于接入等级限制(ACB)机制和资源分组的车车通信资源分配方式。ACB机制最初主要用于LTE网络中用户设备接入控制过程中的拥塞控制。ACB机制将用户分为16个接入级别，级别0～9代表普通用户设备，级别11～15代表高优先级服务，w代表紧急。基站会对级别为0～9的用户广播一个阈值p和接入类别禁止时间。当某个设备请求和基站建立连接时，该设备首先将在本地随机产生一个在[0,1)范围内的随机值q。如果q≤p，则此设备被允许发送随机接入前导，从而开始建立RRC(无线资源控制)连接的过程；反之，如果q>p，那么该设备在某一段限定的时间内将不被允许和基站建立RRC连接，限定时间的长度与基站广播的接入级别时间相对应[13]。资源分组策略将资源分为紧急资源和普通资源两组，紧急资源用于紧急情况，普通资源则让列车进行竞争使用。

3GPP D2D标准化小组认为，用于设备发现的资源应利用蜂窝网络系统的上行链路资源，其将原网络系统的上行链路资源划分为相互正交的两个部分：一部分用于蜂窝用户，时域长度为Tc；另一部分(称为发现区域(DZ))用于D2D设备发现，时域长度为Td。假设每个通信周期包含N个DZ，每个DZ包含R对资源。资源以成对的方式配置用于发送信息与接收对方的回复信息。由于考虑的是网络出现故障或者无线环境质量较差的情况，因此，如果此时列车可能无法与基站进行正常通信，则可以提高DZ的时间占比，占用部分蜂窝用户资源以抬高车车通信的容量。

具体的列车自组织车车通信流程如3所示。其执行流程如下：

步骤1：车车通信开始前，所有要进行车车通信的列车进行初次优先级设置，将优先级都设置为低。

步骤2：在新的DZ到来的时候，各列列车判断自身是否是高优先级，如果是高优先级则直接竞争资源，否则产生一个[0,1)之间的q值。如果q值小于阈值p，则正常竞争资源池中的资源，否则，在一段时间内限制竞争资源，限制的时间由优先级确定，优先级越低则限制时间越长。阈值p由每个DZ中可用资源数与未成功发送数据的列车数量的比值计算得到。竞争资源竞争成功的列车利用竞争到的资源广播其列车ID、位置、速度等信息，同时接收其他列车发送的信息。竞争失败的列车的失败次数加一。为了让所有的列车尽可能地都发送信息，当失败计数超过一定数值时，提升该列车的优先级。

步骤3：列车扫描所有的紧急资源，查看紧急资源是否被占用。通常情况下多数列车都竞争普通资源，紧急资源只用于紧急情况，因此紧急资源通常比较空闲。如果紧急资源占用率大于某个事先确定的阈值，则说明周围的列车数量较多且分布复杂，大量列车处于危险状态。为了保证列车安全，进行制动处理，并继续后续的资源竞争步骤。

步骤4：列车处理接收到信息，识别周围的列车，判定自身是否处于危险状态，如果不处于危险状态，则判定周期是否结束；如果周期未结束，则判定本周期中本车是否已经发送过信息；如果发送过信息，列车则将失败计数清零并继续接收信息，否则计算列车的优先级并判断是否为高优先级。如果列车是高优先级，则在下一个DZ到来时直接竞争资源。接着判定是否正处在限制竞争时期，如果不处于限制竞争时期或者限制时间已经结束，则开始下一个DZ的流程。如果周期结束，则进入下一个周期。

图3 列车自组织车车通信流程

步骤5：如果列车处理接收到信息，发现自身因与其他列车距离过于接近等原因而处于危险状态，则采取措施应对危险；同时，如果自身已经竞争到资源，则利用资源向同处于危险中的列车发送警告信息；如果列车自身没有竞争到资源，则利用紧急资源发送警告信息。列车在紧急资源组中轮询寻找可用的紧急资源。处于危险状态的列车接收到警告信息后，立即利用对应资源回复警告信息并对警告信息作出应对处理；而后，处于危险中两列列车持续通信，直到危险状态解除。如果列车在通过轮询遍历了紧急资源组后没有获得可用的资源，则使用最高优先级在下一个DZ中竞争普通资源，尝试在紧急资源用完的情况下获取普通资源。

一列列车的优先级Prank计算公式如下：

式中：

n——对本列车存在威胁的列车数量；

vi——第i列存在威胁的列车的速度;

di——第i列存在威胁的列车与本列车的距离；

ki——根据第i列列车所处线路的位置以及运行方向而确定的系数；

C——列车发送失败后重传的次数；

kc——重传次数的系数。

系数kc、ki根据本车与现场的情况进行确定。在大多数情况下，将Prank的值限定在0～15之中，并视超出15的情况为紧急情况。这个公式综合考虑了列车速度、列车距离以及失败重传的次数。

2.3 仿真结果

针对上述提出的基于ACB机制的资源分配方法进行仿真，并将其与随机竞争的资源分配方式进行比较。假设列车的数量为100，可分配的资源数分别为20、40、60、80，则可分配资源数与竞争列车数量的初始比值r分别为0.2、0.4、0.6、0.8。同时，假设高优先级列车的占比为0.1，其他列车的优先级均匀分布在0～9之间，优先级为0～3的列车限制竞争时长为1个DZ，优先级为4～6的列车限制竞争的时长为2个DZ，优先级为7～9的列车限制竞争的时长为3个DZ。

仿真的结果如图4所示，其中不同的虚线为在不同r值下ACB机制的资源分配方法的仿真结果，实线为在不同r值下随机竞争的资源分配方式的仿真结果。从仿真结果中可以看出，在r值较小，即在可分配的资源偏少的情况下，ACB机制的资源分配方法的优势明显；而当r值变大时，ACB机制的资源分配方法的优势则逐渐减小。因此，对于可分配的资源较少的情况下，本文提出的基于ACB机制的资源分配方法能有效提高列车识别率，并减少多数列车识别所用时间。

图4 资源分配方式仿真对比

3 结语

本文分析并设计了基站辅助列车D2D通信建立过程以及列车自组织D2D通信过程，分别考虑在基站和ProSe服务器正常工作的情况下，以及在基站和ProSe服务器故障情况下列车D2D通信。针对列车自组织D2D通信，提出了一种基于ACB机制的资源分配方法，并将该方法与随机竞争的方法进行仿真比较，证明本文提出的方法能有效提高列车识别率，并减少多数列车识别所用的时间。就技术发展现状而言，将D2D通信应用于车车通信的研究还处于初级阶段，还有许多的问题有待解决，许多研究内容和成果还有待改进和深化。