基于CTCS2+ATO的市域铁路LTE移动通信业务承载解决方案研究

杨俐，辛怡，胡光祥，傅丹，刘立海

近年来，市域（郊）铁路凭借其大运量、快速化、公交化的特点，成为综合交通体系的重要组成部分。通信信号系统在市域铁路的运输指挥调度、列控系统车地安全信息传送、运营维护和应急指挥通信方面发挥着重要作用。由于CTCS2+ATO（简称“C2+ATO”）制式的信号系统具有良好的互联互通特性，在相当一部分市域铁路工程中得到应用。虽然C2+ATO业务承载有比较完整的技术规范，但其采用的移动通信系统是GSM-R制式，运营方式也是偏向国铁模式，与市域铁路要求的公交化运营有一定的差距；而且目前GSM-R系统主要用于高速铁路、城际铁路和既有干线（简称“国铁”），以及与国铁集团铁路有直接交路的地方铁路，适用于大范围的全程全网铁路，而地方独资的市域铁路若采用GSM-R系统，频率申请以及干扰协调有一定难度，且与国铁的运营维护管理体制存在较大差别；因此区域范围内的市域铁路移动通信系统更倾向于采用1.8 GHz的LTE（长期演进技术）系统。为此有必要根据此全新组合模式下车地无线通信业务需求，分析研究LTE集群调度通信实现方式、系统架构，以及实现调度命令、ATO信息、无线车次号校核信息传送等业务功能的解决方案。

1 通信方式

集群调度通信是各类专用移动通信的核心业务，对市域铁路也不例外。目前应用于铁路行业的LTE系统的集群调度通信系统实现方式主要有：移动一键通（Push-to-talk over cellular，PoC）方案、基于宽带集群通信（B-TrunC）标准方案和基于关键语音业务（Mission Critical Push To Talk，MCPTT）标准方案［1］。

PoC方案是一种基于会话初始协议（SIP）及IP化的传输手段，实现业务与承载分离，类似于微信语音群组方式实现集群调度语音通信。由于采用的是纯应用层的解决方案，其缺点非常明显，如无法通过无线网络实现精准呼叫控制、业务优先级保障、时延控制等，且集群通信采用单播方式，无法实现资源共享，因此不对该方案做深入分析。

B-TrunC方案是基于3GPP R9版本的LTE系统，针对物理层、数据链路层、网络层进行修改，在保证兼容LTE数据业务的基础上，增强了语音集群基本业务和辅助业务，以及多媒体集群调度等宽带集群业务功能；可提供多行业共网管理方案，满足城市无线政务公安、消防、医疗、城管、交通、环保等多行业部门共用网络的要求，各行业部门通过VPN（虚拟专用网络）或独立核心网进行独立的用户签约和业务管理，可共享无线接入网和频谱资源［2］；在宽带集群产业联盟的推动下，发布了基于LTE技术的宽带集群通信系统系列标准，并开展了大量的互联互通测试，在行业专用通信中得到大量应用；同时，在城市轨道交通行业制定了LTE-M序列规范，在城市轨道交通领域的大量实践，进一步验证了基于B-TrunC标准的LTE系统在满足行业调度通信及关键应用方面、标准规范方面和产业链方面的成熟度和完整度。

MCPTT是3GPP中引入针对公共安全领域的应用层框架，可以实现集群组呼、广播及优先级业务，符合铁路通信业务的安全可靠需求，同时支持关键语音、关键数据（MCData）以及关键视频（MCVedio）等业务，简称MCX方案。在国铁集团2015年起开展的450 MHz LTE-R相关标准研究中［3］，提出采用基于MCX架构实现LTE-R系统的调度通信功能，并通过开发专用接口实现与铁路既有有线调度通信系统的互通，以及功能号呼叫、基于位置寻址呼叫等与用户功能和基于位置相关的调度业务［4］。但此方案完成初步试验后，其序列标准已经停止研究，国铁集团现转向研究5G-R标准。

由此可见，基于MCX标准的LTE-R系统虽然已经开展初步试验以及与有线调度通信系统互通的测试，但相较于基于B-TrunC技术的LTE系统，应用功能和产品互联互通方面还有待深入研究，且其产业链及标准体系均不完备。现阶段更适合采用条件相对成熟的B-TrunC架构的LTE系统。

2 系统架构

基于B-TrunC标准的LTE市域铁路移动通信系统，由LTE核心网、无线接入系统、终端、集群调度服务器、LTE应用接口服务器、运营支撑系统等组成，系统架构见图1。

图1 系统架构

对于同时支持集群功能和数据功能的LTE核心网，包括演进的归属签约服务器（eHSS）、演进的移动性管理实体（eMME）、P-GW与S-GW合一（x-GW）、集群媒体功能体（TMF）和集群控制功能体（TCF）。无线接入网包括LTE基站（eNodeB）或基带单元（BBU）和远程射频单元（RRU）［5］。终端包括车载电台、车载数据终端（TAU）、固定台、手持终端、SIM卡等。运营支撑系统主要包括网络管理系统、接口监测系统等。业务系统包括CTC、TSRS、DMS、PIS和IMS等。

3 业务需求

对于时速160 km的市域铁路，参照同类型技术标准《城际铁路设计规范》（TB 10623—2014）的相关规定，信号系统采用C2+ATO制式，其移动通信系统应提供普通语音通信、调度通信、调度命令、无线车次号校核及C2+ATO等列控系统车地信息传送业务。

为适应市域铁路公交化运营，提升运营维护效率，以及改善旅客乘坐体验，C2+ATO系统也对运营需求进行了一定的改进，如增加列车“无人自动折返”功能，车地通信增加轨道交通传统的列车紧急文本下发、车载乘客信息系统（PIS）和车载视频监控实时传送等应用业务［6］。

目前，国内还没有基于B-TrunC标准的LTE承载信号C2+ATO系统的应用案例，在传统轨道交通中LTE系统承载基于通信的列车控制系统（CBTC）信号，没有涵盖C2+ATO制式市域铁路典型的调度命令信息、列车无线车次号校核信息、ATO信息等传送业务，因此有必要对基于C2+ATO系统的市域铁路LTE移动通信业务承载解决方案进行研究。

4 实现方案

4.1 ATO信息传送业务实现

目前，国铁ATO系统主要有2种方式实现站台门控制和运行计划处理：第1种是应用于珠三角城际的C2+ATO系统，该方式是在地面设置通信控制服务器（CCS）；第2种是在京沈客专试验成功的高速铁路ATO系统，该方式是在地面设置临时线速服务器（TSRS）。市域铁路通常采用第2种高速铁路ATO系统架构，在TSRS、CTC（调度集中系统）、TCC（列控中心）、GSM-R等地面设备上增加功能，车站股道增加精确定位应答器，车载设备增加ATO单元、通用分组无线业务（GPRS）电台及相关配套设备，并在ATP车载设备上增加列车开门防护及折返等功能。

市域铁路ATO列控区段车载设备与地面TSRS间传送自动驾驶信息，此信息传送对于通信系统来说是透明的，业务实现可以参考高速铁路GSM-R分组域承载ATO信息传送方式：信号系统地面TSRS设备与ATO车载设备之间新增车地GPRS通道，ATO车载设备通过Um接口接入GSM-R/GPRS网络，地面TSRS设备通过Gi接口与GSM-R/GPRS网络的GGSN（GPRS网关支持节点）设备连接，实现车载ATO设备与地面TSRS设备之间发送或反馈运行计划、列车运行状态、站间数据、站台门状态或开/关命令等信息［7］。

在GSM-R/GPRS模式下采用分组域Gi接口实现高速铁路ATO信息传送，可直接借鉴市域铁路LTE系统，TSRS系统作为应用业务通过SGi接口接入LTE网络，数据通信通过IP方式相互访问。基于LTE系统的市域铁路ATO信息传送见图2［8］。

图2 基于LTE系统的市域铁路ATO信息传送

为了使车载ATO/数据接入单元（TAU）和TSRS间建立通信，需要双方能找到对方IP地址。由于TSRS一般按线设置，因此可以预先固定分配各线TSRS的IP地址，ATO车载TAU的IP地址在开机登录网络时由网络分配。ATO车载设备通过地面应答器读入或司机人工输入所属TSRS的IP地址，ATO车载TAU向此IP地址发送信息，双方建立连接。跨TSRS时，同样是ATO车载TAU主动发送信息修改对应TSRS的IP地址。

4.2 调度命令及列车无线车次号校核信息传送业务实现

我国高速铁路通常采用GPRS子系统实现调度命令及列车无线车次号校核信息传送。GPRS子系统的核心设备是GRIS（GPRS接口服务器），它通过与信号侧设置的GSM-R通信接口服务器建立与CTC系统的通信，实现传输层和应用层通信协议转换、IP地址转换、数据存储转发、IP地址更新等功能［9］。

市域铁路LTE系统虽然采用分组技术，但与应用业务系统的接口相较其与GSM-R存在较大差异，其系统架构不支持CTC系统接入GRIS、DNS（域名系统）、RADIUS（远程拨入用户服务器）等设备，不具备传输层和应用层通信协议转换以及机车号与IP地址对应的功能，无法实现调度命令及车次号校核信息传送业务。

建议LTE系统采用铁路专用应用接口系统替代GRIS，实现CTC系统与市域铁路LTE系统无线网的双向数据交互及行车控制系统的车地通信。市域铁路LTE系统中应用接口系统车地通信架构及冗余设置方式见图3。

图3 市域铁路LTE系统中应用接口系统车地通信架构及冗余设置方式

4.3 自动折返下通信车载台同步换端业务实现

为实现市域铁路公交化、高密度的运营需求，追踪间隔时间通常要求3 min，C2+ATO系统也针对运营需求增加了“无人自动折返”功能，缩短折返时间。

目前在高速铁路领域中，采用CTCS制式线路的通信、信号系统均未实现自动折返功能，通信车载台通常是由司机人工激活车载台换端，换端过程中设备需要上电、自检、车次号注册、机车功能号注册等操作，时间需要2～3 min（考虑双司机，不含司机走行时间），严重影响市域铁路公交化运营的实现［10］。

为满足自动折返需求，车辆两端车载通信设备的自动激活换端有以下2种方案。

方案一。通信车载台间直接通过车辆总线或无线网络进行通信，A端收到司机注销操作时自动发送换端激活信息给B端，B端启动自检、注册等流程。该方案通信车载台换端需要利用专用车辆总线，由于信号系统为实现列车自动折返业务已经占用一部分列车总线资源，若通信也要占用车辆总线，会导致列车总线资源更为紧张。而且，通信车载台若采用无线通信方式换端，则需要保持两端无线设备时刻处于在线通信状态，这对调度通信模式和车载台的运用提出较大的改变，对整体系统架构影响较大。

方案二。通信车载台与信号车载设备新增通信接口，用于接收信号车载设备发送的换端、激活信息，通信车载台自动完成一端注销、一端注册的换端流程，信号车载设备通过车辆总线实现两端的车载设备间信息交互并交接控制权。该方案通过增加通信接口接收信号设备的换端信息，实现通信车载同步换端，并自动完成注册、注销及无线车次号校核等业务，从系统性和统一协调性来看更具优势。

综合分析以上2种方案，在实际应用中更推荐方案二，其主要场景流程、功能实现如下。

1）车辆两端的车载通信设备分别需要预留2路网络通道，用于与主备车载信号设备网络通信，获取车辆激活、车次号、公里标、启动停稳等信息。在车辆进行折返换端时，自动激活对应的通信车载台设备。

2）车辆激活端的通信车载设备自动进行列车无线车次号校核，发送启动停稳信息至地面LTE系统应用接口服务器，经LTE应用接口系统转发给CTC通信服务器。

3）CTC系统通过CTC通信接口服务器下发调度命令信息，包括调度命令和列车进路预告等，经LTE系统应用接口服务器转换车次号、机车号对应的网络地址信息后进行发送；对应的通信车载台设备接收该调度命令信息，自动确认并提示司机进行人工签收确认，通信车载台完成换端。

5 结论

1）综合考虑C2+ATO制式市域铁路运输组织模式、运营管理需求，以及智慧化业务的发展趋势，从互联互通特性、技术标准成熟度和产业链完备度等方面进行分析，推荐采用基于B-TrunC标准的LTE系统实现市域铁路集群调度通信业务，并提供移动通信业务综合承载。

2）利用应用接口系统及车载设备新增通信接口的方式，实现调度命令、无线车次号校核信息传送业务和列车自动折返同步换端信号系统信息交互业务。

3）为实现市域铁路网络化运营，基于B-TrunC标准的LTE系统还需进一步研究列车跨线运行时不同核心网漫游和集群调度功能的连续性，为后续市域铁路成网运营、保障行车安全、提高运输效率、提升维护水平等方面提供技术支撑。