列车控制无线通信电路域与分组域分配方法分析与设计

刘振玉，宋 岩，屈永正

（湖南中车时代通信信号有限公司 北京分公司，北京 100079）

0 引言

基于通信的列车控制系统是铁路信号领域的发展方向。一方面，我国列车运行控制系统(China train control system, CTCS )[1]和欧洲列车运行控制系统（European train control system, ETCS）长期以来均基于铁路用国际无线通信标准（global system for mobile communications-railway，GSM-R）的电路域（circuit switch, CS）进行列车控制车地通信；另一方面，城市轨道交通的列车控制通信[2-3]制式均基于分组域（packet switch, PS），大致有无线局域网（wireless local area network, WLAN）和长期演进(long term evolution, LTE)网络两种。尽管WLAN 或LTE 的带宽更高，通信容量和跨区切换都比CS 域通信有优势，但是基于稳定性、车地实际容量需求（6 s 交互一次）以及向前兼容的要求，铁路列车控制通信一直没有将CS 域演进至PS 域。然而，随着无线通信技术向着3G，4G，5G 甚至6G 的迭代演进以及更多车地通信业务客观需求的不断呈现，列车控制无线通信技术对PS 域的支持势在必行。

在2016 年正式发布的ETCS 体系规范的基线 3（3.6.0）版本[4-7]中，Subset037: Euro Radio FIS[8]终于引入了车地PS 域通信的概念。与此同时，国内CTSC列控系统等级1（CTCS-1）标准的制定，也将无线PS域通信作为CTCS-1 列车控制车地通信的优选方式。作为高安全性、高可靠性的列车控制系统，其版本管理中“向前兼容”理念非常重要，也符合互联互通的基本思想。对列车控制无线通信而言，Subset037 描述了一套向前兼容CS 域且更倾向于PS 域进行实际通信的车载设备协调方法，但是对于如何在PS 域和CS 域之间进行分配和切换，没有进行详细定义和约束。本文在陈述列车控制PS 域通信重要意义的基础上，对车载和地面列车控制设备无线通信的CS 域和PS 域分配方法进行分析，在明确分配原则的基础上，提出一种融合CS 域和PS 域的列车控制车地无线通信分配方法，并描述其软件实现方法和关键逻辑。

1 列车控制无线PS 域通信的必要性

传统的CS 域列控无线通信实际上是由基于2G标准的全球移动通信系统（global system for mobile communications, GSM）电路域来承载业务。随着移动通信技术的发展，列车控制无线通信也需要通过增加对于PS 域通信的支持，来实现技术演进与革新。

1.1 向后兼容的需要

列车控制系统无线通信标准源于GSM-R 标准，是在20 世纪90 年代移动通信从一代模拟通信向二代数字通信过渡期间基于GSM 标准而制定的。GSM 属于二代移动通信技术，作为CS 域通信的代表，相比于同时代的码分多址（code division multiple access, CDMA)技术，其在世界范围内获得了广泛的应用，至今仍旧是很多地区语音数字移动通信主力制式。在GSM 基础上发展的2.5 代通用无线分组业务（general packet radio service，GPRS）数据通信，其实已属于PS 域通信；其后的2.75代增强型数据速率GSM 演进（enhanced data rate for GSM evolution, EDGE）、3G 通信、4G LTE 通信以及5G 通信，都是基于PS 域通信，在不断向前兼容的基础上，实现通信延迟降低和频谱效率提高（高速度、高容量，即高带宽）的目标[9]。

图1 商用移动通信的发展Fig. 1 Development of commercial mobile communication

虽然列车控制无线通信不必追随商用移动通信的演进步伐，但是从传统CS 域过渡到到兼容PS 域，在无线网络互联网协议（Internet protocol， IP）化的趋势下，显得很有必要且更为紧迫。移动通信标准的制定者一开始就将兼容性作为重要指标设计考虑。一旦铁路信号设备实现了PS 域通信的接口，那么无论是3G, 4G, 5G 还是下一代移动通信，都可以无损地向后兼容。

1.2 更高带宽的需要

铁路信号控制系统车地通信交互带宽需求是综合闭塞原理和应用场景来考虑的。地铁CBTC 系统，其移动闭塞和90 s 追踪所需要的通信带宽大大增加，所以在一开始就选用了更高带宽、基于固定IP 的WLAN或LTE 通信，这样不仅可以满足列车控制系统的需要，还可以利用冗余带宽提供日志记录、司乘通信及旅客上网等服务。大铁路的E23 和C3 系统基于准移动闭塞和5 min 追踪间隔的带宽要求，GSM-R 电路域通信便可以满足。一旦大铁路通信由CS 域扩展到PS 域，那么自然也可以通过提高车地交互频度来发展移动闭塞、减小追踪间隔或是完成日志实时向地面回传；或者仅仅作为一个不影响电路域通信的PS 域选项来构建一个全新的列车控制系统等级，正如CTCS-1 级列车控制系统将PS 域定义为唯一的通信制式，通过利用既有的有线G 网PS 域通信资源来实现无线车地通信。

1.3 多业务拓展的需要

根据欧标B3R2 发布的一揽子标准，基于车地无线通信的PS 域业务，可以扩展出一套车载IP 通信资源，用于将未被ETCS 应用的通信资源提供给车载其他应用进行IP 通信。一个实际的例子就是在线密钥管理（key management, KM）通信。传统的密钥管理中心（key management center, KMC）只能通过离线方式更新或管理信号设备的密钥；有了PS 域的IP 通信，车载设备便可以通过空闲的移动终端（mobile terminal, MT）来呼叫KMC，从而执行密钥的更新、删除、修改等任务，大大提高了密钥管理的效率，节省了人力和物力。

欧标的上述IP 通信资源管理接口是作为通用接口设计的，当然可以不局限于在线KM 通信，还可以扩展为车地的列车自动驾驶（automatic train operation, ATO）设备通信、车地语音应急通信等。

1.4 降低成本的需要

长期以来，铁路信号领域车地通信一直沿用了GSM-R 标准的CS 通信，其很多设备是通信厂商在20 多年前开发的、成熟的产品；随着商用移动通信的演进，这些设备面临生产线被淘汰、零部件备件不足、供货短缺的困境，所以其单品价格一直居高不下，且后期维护成本也很高。以地面无线闭塞中心(radio block center，RBC）设备所需要的综合业务数字网（integrated services digital network，ISDN）通信卡为例，每套RBC设备需要采购4 块通信卡，单块ISDN 通信卡最多可接收30 辆车的无线呼叫，其外购成本占硬件成本的一半以上；若采用PS 域通信，即便不插入ISDN 卡，单个无线通信单元至少也可以支持120 辆车的无线呼叫。由此可见，一旦车载设备全面支持PS 域功能升级，RBC的研发和生产成本将大大降低。同样，车载列车自动防护（automatic train protection, ATP）设备所采购的MT单元，在CS 域通信下只能同时呼叫一个RBC，这样至少需部署2 台MT 才能实现RBC 的正常移交；一旦地面设备全面支持PS 域功能升级，ATP 只需要部署一套MT 即可通过PS 域通信同时呼叫2 个不同的RBC，从而顺利完成移交。

综上所述，在2G 通信的基础上，通过分配方法来兼容PS 域通信扩展是列车控制无线通信发展的必然要求和趋势。鉴于此，本文将针对地面和车载列车控制设备，分别描述其在CS 域和PS 域通信切换和分配方法，并提出其软件实现的关键逻辑。

2 地面列车控制设备的分配方法及实现

地面列车控制设备通常作为无线通信的被叫端（车载列车控制设备作为主叫端），其应用接口分配方法相对简单，主要是同时在CS 和PS 通信模块接收不同类型的通信主叫信号，记录不同连接和会话ID 以及CS/PS 模式的匹配关系；在需要回复对应连接时，通过上述匹配关系，索引到正确的会话ID 和CS/PS 模式，然后对应回复给CS 域或PS 域通信模块。图2 为地面列车控制设备CS/PS 分配方法示意。

图2 地面列车控制设备CS/PS 分配方法Fig. 2 CS/PS allocation method of track-side device

下面按照逻辑步骤，详细描述地面设备的被叫端分配方法：

（1）完成被叫端的以太网通信IP 配置和其他网络准备；

（2）被叫端同时在CS 和PS 通信模块接收不同类型的通信主叫，记录不同连接和会话ID 以及CS/PS 模式的匹配关系；

（3）被叫端需要发送数据回复对应连接或者进行连接管理时，通过上述匹配关系索引到正确的会话ID和CS/PS 模式；

（4）被叫端将数据和连接管理指令对应发给索引到的CS 或PS 通信模块的不同会话ID。

由此可见，在地面列车控制设备的无线通信单元中，分配方法仅仅作为CS 和PS 通信功能模块的一个上层协调管理模块，即便是在CS 或者PS 模式单独存在的情况下，分配方法作为一个独立的软件模块也可以继续使用，其自适应功能不会带来额外的管理和配置成本。

3 车载列车控制设备分配方法及实现

车载列车控制设备作为主叫端，其分配方法不仅需要同时考虑应用接口和资源管理接口的需要，还要在以PS通信作为更优主叫选项的同时，向前兼容CS通信模式。

3.1 车载分配原则

以外接2 个MT 设备（MT 设备的电气接口为流控RS422 接口）为例，车载设备主叫端分配原则如下：

（1）分配方法轮询2 个MT 并尽可能建立PS 模式通信，如果PS 模式通信建立成功，则不再轮询，同时获得MT 对应PS 通信的本地IP 地址。

（2）主叫端在需要发起主叫通信时，分配方法首先根据其被叫设备(RBC 设备)支持的CS/PS 通信类型，选择用CS 模式还是PS 模式发起主叫；被叫设备对于CS/PS 通信的支持一般只需要查询一次，所以可以采用存取运行时文件的方式记录在设备中。如果被叫设备同时支持两种通信制式，则优先选用PS 方式（图3）。如果两个MT 都没能建立PS 通信，那将只用CS 模式发起主叫。特别是，当被叫设备均支持PS 通信且至少有一个MT 建立PS 通信并获取本地IP 地址时，可以实现单个MT 情况下两个RBC 设备非中断通信式平稳移交。

图3 车载列车控制设备CS/PS 分配方法Fig. 3 Allocation method of onboard device

（3）对于分配给CS 或PS 不同通信模块的主叫会话连接，主叫端需要记录不同连接和会话ID 以及CS或PS 模式的匹配关系。

（4）在主叫端随后需要回复对应连接或者进行连接管理时，通过上述匹配关系索引到正确的会话ID 和CS 或PS 模式。

（5）主叫端将回复和连接管理指令对应发给索引到的CS 或PS 通信模块的不同会话ID。

（6）主叫端可在PS 通信基础上通过资源管理接口扩展其他IP 车地通信。

3.2 主叫IP 和ID 管理

为了解决商用移动通信终端设备从CS 域向PS域演进的兼容问题，第三代合作伙伴计划组织（3rd generation partnership project，3GPP）扩充了移动设备终端的AT（attention）指令集，用以支持本地无线网络IP 化查询以及被叫设备PS 域状态的查询。

针对第3.1 节“车载设备主叫端分配原则”第2 条，Subset037 中的附录I 给出了主叫IP 和ID 管理功能的建议性（非强制）实现流程（图4），其适用于车载主叫连接发起、运行时文件中没有记录被叫RBC 对CS/PS通信支持的情况。此外，还存在主叫连接发起、通过运行时文件查询到被叫RBC 支持PS 通信的情况，以及主叫连接发起、通过运行时文件查询到被叫RBC 仅支持CS 通信的情况。

图4 主叫IP 和ID 管理功能的流程示例Fig. 4 Process example of IP and ID management by calling side

软件实现时，可将图4 所示的多重状态机跳转简化为“PS 服务建立”和“被叫方模式/地址查询”两个步骤，从而在确保尽量少改动CS 通信模块软件的原则下，利用独立开发的新分配功能模块和PS 通信模块，通过标准化接口将三者合并组装，最终可实现新版欧标Subset037 的全部通信功能模块(communication functional module, CFM)功能。

3.3 PS 域的业务拓展

由于PS 域的功能拓展性和带宽都远胜过电路域的，基于接入点名称（access point name，APN）技术，车载欧洲安全计算机（European vital computer，EVC）可在PS 域通信基础上通过资源管理接口扩展其他IP 车地通信。在目前的应用场景下，不同的APN 至少包括ETCS, KM 和ATO。通过统一的资源管理接口，车载列车控制设备可以任意拓展支持在线KM 及基于车地通信的ATO 控车等功能（图5）。

图5 主叫分配方法的PS 域业务拓展Fig. 5 Packet domain expansion based on calling allocation method

4 实现与应用

对于上文所述的列车控制设备分配方法，在软件开发初期，以统一的软件模块对地面分配功能和车载分配功能进行一体化开发与维护，并采用C 语言进行逻辑开发，从而完成嵌入式设备烧写、功能验证和合格性测试等任务。

目前，包含了本文所设计的分配方法的037CFM 软件库已经通过了地面RBC 和车载ATP 产品的安全认证及欧标TSI(technical specification for interoperability)认证。值得注意的是，根据列控安全通信标准EN50519：2010[10]的要求，车地无线网络开放传输系统的通信威胁防护全部由Subset037 的安全功能模块(safety functional module, SFM)层及其应用层承担，CFM 只能为通信层功能软件使用。

5 结语

本文提出了一种融合CS 域和PS 域的列车控制车地无线通信分配方法，其技术优势主要有：（1）在向前兼容CS 域通信基础上，支持2.5G，3G，4G，5G 乃至全部PS 域通信方式；（2）主叫端（车载ATP 端）可管理包括但不限于两个MT 终端，且尽可能采用PS 域通信方式发起主叫，特别是可实现单MT 情况下和两个被叫设备非中断通信式平稳移交，实现降本增效；（3）被叫端（RBC 端）通过对PS 域通信的支持，可以减少对ISDN 通信卡的依赖，从而大大降低设备成本；

（4）主叫端（车载ATP 端）可在PS 域通信基础上扩展KM 和ATO 域通信，从而支持在线KM 功能以及基于车地通信的ATO 功能。该方法可用于包括但不限于CTCS 及ETCS 列车控制系统中，在不需要向前兼容电路域通信的通信系统中，其也会给系统通信带宽拓宽、成本降低及用途扩展带来明显优势。实际上，在不需要向前兼容CS 域、无法支持或部分支持PS 功能的通信系统中，本文所描述的分配方法作为软件方法也可以继续使用，且其自适应功能不会带来额外的管理和配置成本。