基于GPRS的智能高铁自动驾驶技术应用研究

王军栋

（北京中铁建电气化设计研究院有限公司，北京 100043）

1 概述

智能高铁是中国未来高铁建设的发展方向，也是当今世界各国高铁行业的主要发展趋势。智能化高铁是中国高铁进一步保障出行安全、提升高铁速度、降低运输成本的一大创新选择。

根据中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）发布的ATO 技术规范定义，高速铁路ATO 列车业务管理系统是在能够实现CTCS-2（简称C2）级和CTCS-3（简称C3）级列控的功能外，增设ATO 单元模块在车载设备上，从而实现列车运行控制以及自动驾驶，使用基于GPRS 通信模块来实现车-地之间自动驾驶的行车业务数据模块间所进行的信息数据交互[1]。车站的自动售票发车、区间的自动调度运行、车门的自动开门/关闭(防护)、车门/站台门的联动控制系统等这几个主要部分模块都是国内高速铁路ATO 列车业务智能管理监控系统模块中的一些重要系统功能[2]。

2 ATO实现方式

2.1 ATO运用方式

C3+ATO 模式列控系统是在C3 列控基础上，车载设备增加ATO 单元、GPRS 通信模块及相关配套设备实现自动驾驶控制[3]。如图1 所示，地面在临时限速服务器（TSRS）、调度集中系统（CTC）和列控中心（TCC）等设备上增加相应功能。自动驾驶ATO 业务数据使用GSM-R 网络的通用分组无线业务（GPRS）分组域通道，原C3 列控业务数据仍使用GSM-R 网络的电路域通道。

图1 地铁施工临时通信处理系统示意Fig.1 Schematic diagram of temporary communication processing system for metro construction

2.2 GSM-R系统组成

GSM-R 网络由基站子系统（BSS）、网络交换子系统（NSS）和移动台（MS）构成。GPRS 的引入使现有网络架构得以扩展，因为两种类型的应用，电路交换（CS）和分组交换（PS），都通过GSM-R/GPRS 网络运行。

BSS 由很多基站收发信台（BTS）构成，这些BTS 能够实现移动台与网络之间的无线连接[4]。BTS 设定了移动台与网络之间的所有功能，包括信道编码、交织、加密以及突发。此外，还包括GMSK 及8-PSK 调制及解调。BTS 由基站控制器（BSC）控制，包括在专用连接中对BTS 和MS 测量结果的计算，以及切换和功率控制。BSS 中的第3 个网元是TRAU，提供语音压缩，将传真、语音、数据信息转化为TRAU 帧[5]。

为实现GSM PS 模式，通过数据包控制单元（PCU）增强BSS，可以将其作为BSS 的一部分安装在网络中的不同位置。PCU 的功能是管理GPRS无线资源，而BSC 负责管理电路交换无线资源。TRAU 和BTS 之间使用16 kbit/s 信道，并且该信道速率用于较低的GPRS 编码方案（信道编码）。为了利用GPRS（即（CS-3/ CS-4））获得更高的带宽，在Abis 上需要更大的带宽（>16 kbit/s）。如上所述，PCU 帧通过BSC 透明地转发到BTS，以进行进一步处理。BSC 和PCU 在Abis 和空中接口（Um）上共享时隙和资源。BSC 和PCU 需要进行协调，以防止BSC 和PCU 分配彼此已经占用的时隙。

NSS 有一个或多个归属位置寄存器（HLR），包括鉴权中心（AuC），MSC 包涵很多媒体网关及MSS[6]。拜访位置寄存器（VLR）大多数时候与MSC/MSS 连接。部分NSS 用于GSM 分组模式，比如签约信息的获取及与MSC/MSS 移动性管理。

PS 模式分组核心网（PaCo）是CS 模式NSS的对应网络，由服务GPRS 支持节点（SGSN）和网关GPRS 支持节点（GGSN）功能组成。PaCo 网络内部的服务GPRS 支持节点（SGSN）接管GSM 中MSS/MSC 和VLR 所执行的功能。除了这些功能之外，SGSN 还必须执行GPRS 特定的其他任务。

GGSN 本质上是GPRS 网络与外部分组数据网络之间的接口。

2.3 GPRS协议栈

GPRS 需要新的协议用于MS 和BSS 以及分组域核心网接口处。协议栈由用户平面及控制平面组成，如图2 所示，在用户平面协议栈中没有MSC/MSS+MGW。

图2 GRPS协议栈Fig.2 GRPS protocol stack

在所有GPRS 支持节点和SGSN 和GGSN 之间，用户数据报协议（UDP）或传输控制协议（TCP）显示在GPRS 隧道协议（GTP）下。GTP用于在GSM、UMTS 和LTE 中传输GPRS，并且由单独的协议GTP-C、GTP-U 和GTP 组成。

SNDCP 向更高层提供服务，包括复用、分段和封装，即将IP 帧转换为子网格式。另外，SNDCP 执行多个PDP 上下文PDU 传输，并确保在满足QoS 要求的情况下及时将网络协议数据单元传输到LLC 层。

LLC 传送协议数据单元（PDU）、移动管理（GMM）、会话管理（SM）、IP 分组及短消息（SMS）。在SNDCP 层中，PDU 进行预先处理，并通过LLC 进行传送。MS 及SGSN 之间的LLC 传送参数通过交换标识帧（XID）来进行交换。

BSSGP 用于提供在PCU（BSS）和SGSN 之间交换用户数据所需无线相关的QoS 和路由信息。这样的用户数据是透明的，并且BSSGP 不为用户数据提供前向纠错。

无线资源分配机制属于协议栈的RLC/MAC层，由无线链路控制（RLC）和媒体访问控制（MAC）两个单独的协议组成。

2.4 ATO运用情况

在功能方面，通过1 年多以来的ATO 运用情况来看，ATO 相关设备在通信方面的处理功能正常。车载ATO 设备和地面TSRS 服务器之间均能正常建立TCP 连接，并维持正常的ATO 业务信令的交互。车载ATO 设备在TSRS 服务器交权区可以正常进行交权，正常结束当前呼叫，执行PDP 去激活操作；然后进行PDP 激活操作，获取新的IP 地址；再根据从应答器接收的新TSRS服务器IP 地址，与新TSRS 服务器建立TCP 连接[7]。

从性能指标方面来看，通过对空中传输的TCP数据包的时延统计，单向平均时延和95%信息包的时延均小于ATO 规范规定的标准（如某月的统计结果为单向平均时延0.42 s，95%时延0.66 s）。

从ATO 运用情况可以看出，国铁集团通过前期充分的理论研究和实验室验证，制定的高速铁路ATO 方案和各项参数设置是合理的。

2.5 GPRS对列控业务的意义

通过对某高铁ATO 业务的运用信息跟踪，充分说明使用分组域GPRS 网络承载列控类业务是可行的，是对原C3 列控系统使用的电路域通道的有效补充。

GSM-R 网络无线信道资源少，语音呼叫业务的带宽利用率低，列车控制系统使用传统的电路交换数据模式，GSM-R 网络承载列控业务的压力较大，尤其在车流密集的枢纽区域，很可能出现无线电资源不足的情况[8]。使用分组交换模式传输列控系统数据，可以将多路会话复用到一个无线电资源，按需分配传输资源，提高带宽利用率，有效解决GSM-R 网络下无线电资源紧张的问题。进一步研究列车控制系统在GSM-R 网络下实现GPRS 传输，对解决GSM-R 网络当前面临的问题有重要意义[9]。

3 ATO业务优化方法

3.1 GPRS参数

高速铁路ATO 系统与GSM-R 网络接口暂行技术条件中，提出的GPRS 数据传输延迟标准是1级，指标如表1 所示。

表1 GPRS网络数据传输延迟指标Tab.1 GPRS network data transmission delay indexes

此外定义了GPRS 网络参数，如表2 所示。

表2 GPRS网络参数配置要求Tab.2 GPRS network parameter configuration requirements

3.2 BSC资源利用

用来调节GSM-R 与GPRS 网络间资源利用的参数如下。

FPDCH：该信道参数表中已设定出包含在每个小区范围内所有可用的静态信道PDCH 频道资源的资源个数。增大到此静态信道参数值时，虽然可能是用比较经济有效的方法保证该小区GPRS 网络的服务量的业务质量，但它也同样意味着可能导致或相应地会减少该小区覆盖范围内GSM-R 信道能够使用到的信道资源[10]。目前的小区GPRS 业务量都以相对较小的话音数据量为主，对拥塞的时间也较为敏感，而用户需求对其所得到数据的时隙间隔和个数却不太那么的敏感。如果将手机设置默认成已经安装上这样的一个静态PDCH，那么，数据发生拥塞时，仅仅影响到数据吞吐量大小和运营商对其用户需求的感知度。

PILTIMER：动态PDCH 处于空闲状态时，将被放入空闲列表，当时钟值超过该值之后，才由分组交换域返回电路交换域。根据这个理论分析，PILTIMER 值越大，空闲的动态PDCH 等待的时间就越长，这样可以减少动态PDCH 重新分配次数，减少接入时的时延。

TBF_LIMIT：有TBF_UL_LIMIT 和TBF_DL_LIMIT。当该小区系统的任何一个系统中平均的每个PDCH 所能承载的TBF 数超过门限值时，TBF数将被重新分配到新承载的PSET。在国内当前大多数已建成开始正式使用高铁的线路设备段上，由于其在国内现阶段作为用户端接入所需的可传输的数据量通常还都较小，对高速网络数据传输要求的速度却又通常并不太高，可建议酌情地将线路此段的参数值设置稍高。

3.3 重选参数

GPRS 小区的重选设置过程中一般仅使用C1准则和C2 准则，因此当用户在进行选择或者修改其中的任何电路参数时，需要先认真去考虑它将要对整个电路域所产生的影响[11]。

路由覆盖区范围(RA)：若一个系统RA 的路由覆盖区范围变化过小，则其通常会在短期内大大加重整个过程中发生的网络信令流量的损失程度；但反之，则通常也会导致其整个系统寻呼网中的信令链路负荷变得较重。可以认为必须通过综合的统计分析网络系统处理，才能正常运行。因此对一些既有铁路和其他已逐步实现全覆盖化的新建高铁线路，可以设置成只包含一个路由区的一个位置区。

TEMPORARY_OFFSET 和PENALTY_TIME：一般采用线状网络覆盖线路的部署设计方式。已基本成功部署实现的高铁线路目前大都仍采用单层网络的覆盖，每个线路服务所覆盖的小区仅相邻的2个线路服务覆盖服务小区，因此对这两个参数都没有影响，这说明他们都对国内目前可以实现的城际高铁线路正常运营能力无其他直接影响。

CELL_RESELECT_OFFSET：小区的重选偏置，此参数值通常用于平衡移动网络环境中用户的移动业务量。若用户设置了本小区此参数值比远邻小区大时，则能使其移动互联网终端用户更顺利的选择进入本小区，反之亦然。而对于国内已成功实现电气化的部分高铁线路所采用到的单层网络结构，此值设置为相同值较为适合[12]。

3.4 ATO交互恢复问题

虽然某高铁ATO 业务运行情况总体良好，但是在1 年多的运用过程中也确实出现过车载ATO单元与地面TSRS 服务器交互中断后，长时间无法恢复通信的异常情况。通过设备日志和分组域接口监测数据的分析，发现既有车载GPRS 通信模块的问题，也有核心网设备的问题。

目前ATO 单元仅有单独一个GPRS 通信模块，如果该模块发生问题，没有其他通信模块可以替代使用。这个问题可以通过增加备用通信模块的方式解决，形成类似C3 系统的双模块交替呼叫冗余保护方式。

此外，也存在GPRS 通信模块与核心网信令失配，或软件出现问题时，单靠重新PDP 激活，或模块软复位也无法恢复通信的情况。可以通过实现通信模块的下电硬复位解决，并增加类似CIR 设备活动性检测的处理方式。

4 结束语

国内首条使用C3+ATO 模式高速铁路线路的成功运营，首创了自动驾驶ATO 业务数据使用GSM-R 网络的GPRS 分组域通道，C3 列控业务数据使用GSM-R 网络的电路域通道的无线传输方案。通过对在线运行1 年多以来的监测数据进行分析，可见高速铁路ATO 业务在功能和性能方面满足国铁集团制定的规范要求，对原C3 业务也没有任何影响，证明了使用分组域GPRS 网络承载列控类业务的可行性。另一方面，可以在BSC 资源利用、小区重选和ATO 设备保护功能等方面继续进行研究，增强GPRS 分组域通道的可用性，进一步保证ATO业务的正常运行。