列控系统车-地无线通信协议测试研究

展 鑫，孙 颖

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京中关村轨道交通产业发展有限公司，北京 100070）

根据EN 50159标准对安全相关系统参考模型的描述，列控系统车-地无线通信系统是一种基于开放式网络的安全通信系统。目前车-地无线通信协议主要采用基于铁路数字移动通信系统（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）网络的电路交换方式，欧标Subset-037协议V3.2.0版本发布后，增加了GSM-R分组无线服务(General Packet Radio Service，GPRS)。在下一代铁路列控系统中，车-地通信数据较之前更为丰富多样，数据传输的安全性和可靠性要求更高，延时要求更低，5G-R（5G for Railways）将替代现有的GSM-R作为车-地通信系统。为验证车-地无线通信接口间传输信息的正确性和一致性，确保无线通信的安全可靠，本文针对车-地无线通信系统协议内容和测试方法展开研究，提出一种车-地无线通信协议测试方法，并采用该方法对车-地无线通信系统协议进行测试。

1 车-地通信系统

高速铁路通信系统根据高速铁路运输和信息化的需求设置，在物理层、链路层、网络层提供综合业务的接入、交换和传输服务。高速铁路的通信系统是铁路通信网的一部分，与既有铁路通信网互联互通。

GSM-R是在GSM公众移动通信系统平台上增加铁路运输专用调度通信功能，专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。

目前高速铁路车-地通信系统就是基于GSM-R的列车运行控制系统，通过GSM-R无线通信实现车-地之间的连续、双向信息传输，实现基于无线通信的列车运行控制。

2 车-地无线通信协议

欧标Subset-037协议约束车-地无线通信系统，将车-地无线通信系统划分为安全相关的安全功能模块(Safe Functional Module，SFM)和非安全相关的通信功能模块(Communication Functional Module，CFM)两部分。车-地无线安全通信协议分层结构如图1所示。

图1 车-地无线安全通信协议分层结构Fig.1 Hierarchical structure of secure track-train radio communication protocol

2.1 SFM协议栈

SFM协议栈提供安全服务，确保进/出安全功能模块的数据流传输完整性和数据真实性，报告安全层中发生的错误并从下层传输错误指示。在SFM协议栈中，安全实体与对等安全服务实体通过一个或多个安全服务原语(SaSAP)与其用户进行通信。对等安全实体支持通过安全协议数据单元(SaPDU)进行安全连接交换。这些协议交换使用传输层的服务(TS)，通过一个传输服务接入点(TSAP)进行连接，即安全实体扮演用户的角色，SaPDU的交换为逻辑视图。正常服务原语传输正常数据，HP原语传输HP数据。SFM协议栈主要实现车-地建立安全连接期间的安全数据传输，保证车-地交互数据的完整性和真实性。

2.2 CFM协议栈

CFM协议栈提供通信服务，目前主要基于GSM-R网络的电路交换或基于GSM-R分组无线服务来承载通信业务。

CFM协议栈的核心功能层包含传输层、网络层、数据链路层及物理适配层。传输层承载CFM数据传输，将应用数据拆包/组包，通过优先级功能、寻址功能、数据的分割重组功能，以及基于同一个网络连接的多路复用功能等，实现传输连接的建立。网络层主要是对来自上层的数据进行分割，并对来自下层的数据进行重组。网络层支持上层在同一网络层上的多路复用，从而实现D信道和B信道的协调以及对传输层信息包TPDU的拆包组包处理。数据链路层遵循HDLC标准，可通过分帧发送实现包括对等双方数据链路连接的建立、维护、释放，具备数据传输、链路重置、链路连接重传、查询、CRC校验等功能。CFM协议栈的物理适配层根据底层挂载设备不同，分为车载和地面两种物理层控制模块。在车载侧，CFM通过ModemHandler与MT进行通信交互。在地面RBC侧，CFM通过Capi接口与ISDN网卡进行通信交互。

在CFM协议栈中，如果一个CFM用户实体(例如车载ATP安全层实体)想要建立一个与其他CFM用户实体的连接，则应提供寻址被呼叫的CFM用户(例如ETCS_ID类型和ETCS_ID)和应用类型的信息，地址信息将被映射为CFM建立连接所要求的格式和结构。主叫TS用户实体从应用层获得被叫传输地址(ETCS_ID类型和ETCS_ID)。地址信息由安全层传至CFM。CFM协议栈地址信息映射如图2所示。

图2 CFM协议栈地址信息映射Fig.2 Mapping of address information of CFM protocol stack

3 车-地无线通信协议测试方法

为了实现对车-地无线通信SFM协议栈和CFM协议栈的测试，首先针对协议栈特征，假设对包含n个对等层的待测协议栈A进行测试。具体方法是利用待测协议栈A的拷贝或仿真建立与待测协议栈A通信的仿真协议栈B，利用仿真协议栈B与待测协议栈A进行对等层数据交互，测试相同对等层逻辑是否正确，从而实现完整测试。此外，未测试待测协议栈A各层对应用数据的处理逻辑，还需要考虑从待测协议栈A最高对等层的数据注入，协议栈测试原理如图3所示。

图3 协议栈测试原理Fig.3 Testing principles of protocol stack

上述为理想情况，而车-地无线通信SFM协议栈和CFM协议栈是依托于具体设备运行的，实际测试过程可能需要从设备提供的接口进行数据的注入。以车-地无线通信系统中的车载侧为例，SFM协议栈依托于车载ATP主控板，CFM协议栈依托于RCC板，电台MT通过无线接入GSM-R网络与地面设备通信。主控板、RCC板通过机笼的SBP总线通信，RCC和电台MT通过IGSM-R定义的接口通信。RCC根据IGSM-R接口协议与电台通信。因此需要引入该接口对应的协议栈C以及协议栈C的仿真协议栈D来辅助数据注入。作为仿真协议栈B和D，支持拆解至用户关注的对等层来与待测协议栈进行数据交互，该过程示意如图4所示。

图4 多协议栈测试原理Fig.4 Testing principle of multiple protocol stacks

根据以上分析，以测试过程中RCC板的CFM协议栈为待测协议栈A，主控板SFM协议栈为其相关协议栈C，则对待测协议栈A、相关协议栈C设计对应的仿真协议栈B和D，车载RCC板CFM协议栈测试原理如图5所示。由于CFM协议栈有基于GSM-R网络的电路域CS和基于GSM-R分组无线服务的分组域PS两种工作模式，对应的物理层AT指令有所区别。另外，在PS模式下在传输层（TCP/IP）之上引入冗余适配层（ALE）进行与安全层功能及接口间的适配，实现安全层使用X.214规定的标准原语来访问模拟的ISO传输服务，并负责TCP连接建立、通道监控及安全信息包与TCP流转换等功能。

图5 车载RCC板CFM协议栈测试原理Fig.5 Testing principles of CFM protocol stack of onboard RCC board

主控板侧仿真最高对等层为传输层（TCP），该层输入数据和反馈数据为Subset 037规定的T原语数据，主控板侧仿真透传该数据。电台侧仿真最高对等层为物理层，该层输入数据和反馈数据为数据链路层数据，电台侧仿真根据AT指令控制与RCC建立连接，并进行数据交互。

4 车地设备无线通信协议测试实现

4.1 测试环境

为了模拟车载CFM协议栈主控板向待测RCC注入数据，接收校验RCC反馈至主控板的数据，搭建的测试环境是将主控板侧仿真作为服务端，待测设备作为客户端。待测设备启动后，与测试环境主控板侧仿真建立连接，主控板侧仿真根据脚本模拟主控板侧与RCC进行数据交互。同样，为了模拟双电台向待测RCC注入数据，接收校验RCC反馈至电台的数据，测试环境通过两路RS-422串口与待测设备RCC接口板连接，可与待测RCC交互AT指令、电路域数据、分组域数据。车载CFM协议栈测试环境及其连接示意如图6所示。

图6 车载CFM协议栈测试环境连接示意Fig.6 Connections of test environment of CFM protocol stack of onboard equipment

4.2 测试过程

对车-地无线通信协议栈功能进行验证的测试属于黑盒测试，测试过程包括测试用例的设计、测试脚本的设计、测试执行与结果验证等步骤。测试简要过程如图7所示。

图7 测试过程示意Fig.7 Test process

黑盒测试常用等价类划分法、边界值分析法、错误推测法、因果图法等基本方法来设计测试用例。以车载CFM协议栈为例，测试用例设计内容包含主控板侧仿真最高对等层传输层(TCP)和双电台侧仿真AT指令数据内容。

测试脚本通常由“任务”和“状态”组成。任务是一组有序状态的集合，一个脚本可以包含多个任务。状态是控制测试逻辑的基本单元，通过不同状态之间的有条件跳转控制与待测设备的信息交互流程。状态由动作和迁移构成，其中动作表示当前状态需要进行的操作，迁移表示跳转至目标状态所需的条件。

测试脚本将细化测试用例转换为数据内容，包括数据的编号、本数据发送或被接收到的时间、数据所在协议栈层次、协议数据单元的类型、具体数据单元的子类型、数据传输方向和本消息对应的电台名称等，同时增加校验标记，在该字段取值为check时，即该行数据的下一信息帧在收到该行数据后才会发送。另外测试脚本应能实现时间调整，表示当前行数据发送后处理下一行数据的延时。

主控板侧脚本框架主要关注案例中协议数据单元类型字段为“Safety”的数据行，根据此数据生成脚本的任务组、任务、状态、动作、迁移元素以及相关属性取值。电台侧脚本框架主要关注案例中协议数据单元类型字段为“DL”的数据行，根据此数据生成脚本的任务组、任务、状态、动作、迁移元素以及相关属性取值。

当主控板侧和电台侧脚本编制完成后，依赖协议栈仿真执行测试脚本，根据生成的测试日志及记录判定测试结果。

4.3 测试实例

以查询允许网络功能为实例：CFM协议栈在处理允许网络查询结果时，查询到2个允许网络，仅上报本次查询到的2个允许网络。

ATP主控板侧模拟发送查询网络请求,验证车载RCC板CFM协议栈发送查询允许网络“AT＋COPS＝？”的指令。主控板侧脚本编制实例如图8所示。

图8 主控板侧脚本Fig.8 Script at the main control board side

MT模拟回复AT指令“+COPS”，验证车载RCC板上报2个允许网络RAILWAY-CMCC-46020;RAILWAY UNICOM-UNICOM2-46001。MT侧脚本编制实例如图9所示。

图9 电台侧脚本Fig.9 Script at the radio side

测试执行后，查看测试日志和报告，结果如图10所示。CFM协议栈在处理允许网络查询结果时查询到2个允许网络，仅上报本次查询到的2个允许网络46020和46001，与预期一致，测试通过。

图10 测试结果输出Fig.10 Output of test results

由此可见，通过上述方案进行测试环境构建、测试案例及脚本编制以及测试执行，可以实现对SFM协议栈和CFM协议栈各层级之间数据注入。同时可以实现对电路域或分组域两种工作模式的测试，最终实现对车-地无线通信协议的验证。

5 结论与展望

本文阐述了车-地无线通信系统协议的内容，对车载CFM协议栈测试原理及简要的测试过程进行论证，已应用于欧洲5国的ETCS-400T车载CFM协议栈的测试实践中，对后续车-地无线通信系统协议测试具有指导意义。该测试方法和过程也同样适用于地面RBC侧CFM协议栈，即针对ISDN服务器的车-地通信交互。对未来的5G-R车-地通信系统，本文未进行讨论，这部分内容将作为日后进一步的研究方向，并在实际应用中不断积累和完善。