基于GSM-R和5G-R的CTCS-3级列控系统无线通信协议设计及差异性分析

莫志松，王 猛，赵志鹏

(1.中国国家铁路集团有限公司工电部,北京 100844; 2.北京华铁信息技术有限公司,北京 100081;3.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

引言

CTCS-3级列控系统(简称“C3列控系统”)是保障高速铁路动车组安全可靠运行的关键核心技术[1]。C3列控系统使用车地无线通信协议,通过GSM-R网络提供的无线通道,实现车载ATP和地面RBC之间的信息传输[2]。由于GSM-R网络提供的电路域交换数据业务带宽窄、通信容量小、传输速率低,相应设计的车地无线通信协议在传输容量、传输速率等方面也受到限制[3]。随着高速铁路的不断发展,现有的GSM-R网络及其车地无线通信协议越发难以满足C3列控系统及下一代列控系统承载大容量数据业务的需求[4-5]。

5G-R网络作为替代GSM-R网络的下一代铁路移动通信系统,具有宽带宽、高速率、低时延的优势[6-9]。5G-R网络提供分组域交换数据业务,采用端到端的IP地址通信。因此,GSM-R网络下的车地无线通信协议在5G-R网络下已不再适用,需要设计一种基于5G-R网络的车地无线通信协议,从而在列控系统中充分发挥5G-R网络的优势。

本文基于C3列控系统在GSM-R网络下的无线通信协议设计经验,对5G-R网络下的无线通信协议进行设计,并对两种网络下无线通信协议的差异性进行分析和研究。

1 GSM-R网络下的无线通信协议综述

1.1 无线通信系统总体结构

GSM-R网络下的车地无线通信系统由车载ATP设备、GSM-R网络和地面RBC设备三大部分组成,其中GSM-R网络提供透明传输通道,车载ATP设备和地面RBC设备使用通用的无线通信协议,实现消息的安全可靠传输[10]。系统总体结构如图1所示。

图1 GSM-R网下的车地无线通信系统总体结构

车载ATP设备的无线通信协议功能由车载安全计算机、无线传输单元、移动终端设备共同完成,地面RBC设备的无线通信协议功能由RBC安全计算机、无线通信服务器及其附属终端设备共同完成。

1.2 无线通信协议分层概况

C3列控系统的无线通信协议采用OSI(开放式系统互联)参考模型,自顶向下划分为应用层、安全层、传输层、网络层、数据链路层和物理层6部分,其中SFM(安全功能模块)包含安全层,CFM(通信功能模块)包含传输层、网络层和数据链路层[11-12]。一般而言,车载ATP侧的安全计算机承担应用层功能,无线传输单元承担SFM和CFM功能;地面RBC侧的安全计算机承担应用层和SFM功能,无线通信服务器承担CFM功能。无线通信协议分层结构如图2所示。

图2 GSM-R网络下的车地无线通信协议分层结构

应用层按照车地无线报文定义和运用原则,生成和使用无线消息,实现车地数据的顶层交互。应用层通过采用时间戳、超时、源和目标标识符、反馈报文等一系列防护措施,以保障消息真实、完整、实时和有序。

安全层采用国际通用的3DES加密算法生成64比特的消息验证码,防止信息篡改,保障信息安全。安全层通过采取信源认证、端到端认证、安全连接管理、信息加密解密等措施,保障信息传输安全。

传输层采用ITU-T X.224开放传输协议,为车地无线通信提供端到端的可靠透明双向传输。

网络层采用ITU-T T.70协议,配合传输层,实现信息的分割和重组。

数据链路层采用ISO/IEC 7776规定的HDLC协议,实现链路的建立、维持和释放。

物理层采用支持GSM-R制式的终端设备,与GSM-R网络建立通信信道,实现无线消息比特流的调制和解调。

1.3 无线通信协议分割重组概况

受限于GSM-R网络的带宽和容量,为满足传输实时性的要求,C3列控系统按照最大40字节进行端到端的信息传输,因此,信息在无线通信协议各层之间传输时,需进行分割和重组。

应用信息≤114字节时,分割重组示例如图3所示。

图3 应用信息≤114字节的分割重组示例

应用信息≤114字节时,传输层的最大字节长度不超过128字节,只需网络层按最大34字节进行分割重组。

应用信息>114字节时,分割重组示例如图4所示。

图4 应用信息>114字节的分割重组示例

应用信息>114字节时,传输层的最大字节长度将超过128字节,传输层需按最大128字节进行分割重组,网络层按最大34字节进行分割重组。

2 5G-R网络下的无线通信协议设计

在设计5G-R网络下的无线通信协议时,一方面要充分利用5G-R网络的优势,提高无线通信协议的数据传输容量和传输速率;另一方面要吸收GSM-R网络下无线通信协议多年的运用经验,取长补短,使5G-R网络下的无线通信协议设计更加合理可靠。

2.1 无线通信系统总体结构设计

为实现C3列控系统的平滑过渡,避免重大软硬件改造带来的不可控因素,由GSM-R网络演进到5G-R网络后,车地无线通信系统总体结构设计保持不变,但为适配5G-R网络,车载ATP设备和地面RBC设备需对与无线通信协议相关的软硬件部分进行改造和升级[13-14]。

2.2 无线通信协议分层设计

由于C3列控系统的应用层和安全层不受网络演进的影响,在5G-R网络下的车地无线通信协议中应用层和安全层保持不变。由于5G-R网络下车地端到端之间使用IP地址通信,因此车地无线通信协议主要对CFM各层的协议进行重新设计。5G-R网络下的无线通信协议分层结构如图5所示。

图5 5G-R网络下的车地无线通信协议分层结构

从图5中可以看出,与GSM-R网络下的车地无线通信协议相比,5G-R网络下CFM部分在传输层之上增加了一个适配层。适配层之下的其他各层与GSM-R网络下对应的各层协议相同,但各层协议的功能和实现方式不再相同。

适配层是为了克服在传输过程中信息包长度不固定,信息包类型无法识别的问题而专门设计,主要用于对信息包进行分界,便于信息包的正确识别,防止粘包,并提供一定的完整性校验服务。

适配层信息的类型参照GSM-R网络下传输层X.224协议使用的部分TPDU(传输协议数据单元)类型,包含4种类型,如表1所示。

表1 适配层信息包类型

传输层和网络层采用成熟运用的TCP/IP协议,其中TCP协议提供面向连接的、可靠的、基于字节流的通信服务,IP协议提供源地址到目的地址的信息传输,并进行信息的分割和重组。车载ATP作为客户端,地面RBC作为服务端,由车载主动与地面建立和维持可靠的TCP传输。

数据链路层采用拨号上网的PPP协议,用于在客户端和服务端之间提供点对点的数据传输服务[15-16]。PPP协议是一系列协议族的统称,是HDLC协议的发展和扩充。PPP协议主要使用3种类型的协议。

(1)链路控制协议(LCP):用于链路参数配置选项的协商,处理不同类型的控制帧,负责链路状态的建立、维持和终止。

(2)网络控制协议(NCP):用于网络层IP协议的参数协商,动态获取通信双方的IP地址。

(3)IP控制协议(IPCP):用于IP报文的HDLC格式封装,通过串口实现与终端设备之间的上层数据交互。

物理层采用支持5G-R制式的终端设备,与5G-R网络建立通信信道,实现信息比特流的调制和解调。

2.3 无线通信协议分割重组设计

在5G-R网络下,无线通信协议承载的信息容量增加,设计的无线通信协议无需进行复杂的分割和重组。5G-R网络下的车地信息分割重组设计如图6所示。

图6 车地信息分割重组示例

从图6可以看出,由于无线通信协议每层可传输的信息长度增加,特别是数据链路层的信息域字段最大长度支持1 500字节,能够实现C3列控系统车地无线消息的一次性传输。

适配层在信息域前增加10字节的帧头,并提供16比特的FCS(帧校验序列)字段,用于信息包的完整性校验。适配层帧头信息如图7所示。

图7 适配层帧头信息

版本、应用类型和N/R标识为缺省值,信息包长度为包括除自身在内的帧头和信息域的所有字段,序号为发送适配层信息包的计数。

传输层和网络层遵循现有的TCP/IP协议,其中传输层的TCP协议帧头字段为20字节;网络层使用IPv4协议,帧头字段为20字节。

数据链路层的地址和控制字段为缺省值,由协议域区分PPP协议的类型,并提供16比特的FCS字段,用于信息包的完整性校验。

3 差异性分析

GSM-R和5G-R网络下无线通信协议的差异性主要体现在CFM部分。CFM部分的功能主要是在开放的传输系统中提供可靠的传输服务,两种网络下的无线通信协议存在较大差异。

3.1协议各层功能差异分析

5G-R网络下无线通信协议的适配层和传输层用于模拟和替代GSM-R网络下传输层X.224协议的功能。因此,5G-R网络下的适配层和传输层等价于GSM-R网络下的传输层。

两种网络下无线通信协议CFM部分各层的主要功能差异如表2所示。

表2 协议各层功能差异

从表2中可以看出,除网络层功能基本相同外,传输层和数据链路层主要功能差异较大。GSM-R网络下的可靠性主要由传输层和数据链路层保障,5G-R网络下的可靠性主要由传输层保障,数据链路层仅提供信息正确性校验的有限保障措施。

3.2 协议传输可靠性差异分析

虽然两种网络下无线通信协议均提供可靠的传输服务,但在实现方式、实现精细程度等方面不尽相同,导致协议最终的可靠性强度存在较大差异[17-21]。

在传输层网络建立和释放机制方面,GSM-R网络下使用1次握手建立连接、1次挥手释放连接的方式。5G-R网络下使用3次握手建立连接、4次挥手释放连接的方式,其中3次握手是为建立可靠的传输通道,4次挥手是为保证连接释放前链路上的数据可靠到达,避免丢失。

在确认机制方面,GSM-R网络下的无线通信协议提供面向报文的传输服务,对报文中的序号进行确认,5G-R网络下的无线通信协议提供面向字节流的传输服务,对字节流的长度进行确认,因此两者的确认机制不同。GSM-R网络下由传输层和数据链路层对报文的序号进行确认,保障按序接收,防止乱序。5G-R网络下由传输层通过确认号对发送的字节流长度进行连续确认。

在流量控制方面,GSM-R网络下数据链路层通过本端检测到接收缓冲区满时,向对端发送忙状态,令对端停止发送;本端可继续接收数据时,向对端发送不忙状态,令对端恢复发送。5G-R网络下传输层通过采用滑动窗口机制,动态调整对端发送数据的速率,防止本端接收缓冲区满。即使本端接收缓冲区满,对端也会通过启动定时器,向本端发送探询报文,在本端可继续接收数据时,对端恢复发送,防止死锁。GSM-R网络下采用一开一关的简单控制方式,5G-R网络下综合采用预防机制和开关机制,流量控制更为精细。

在拥塞控制方面,GSM-R网络下数据链路层在本端检测到数据丢失时,直接启动重传,对端将丢失的数据按序一次性发送到本端。5G-R网络下传输层使用慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复等方式,根据网络拥塞程度自动调节数据发送周期,减少网络拥塞,实现数据重传。GSM-R网络下的拥塞控制方式,可能引起更大的网络拥塞,重传的数据仍会出现丢失的情况,造成重传数据时间过长,影响传输效率。5G-R网络下的拥塞控制可有效降低丢失数据的情况。

在超时重传方面,GSM-R网络下传输层不使用重传功能,只在数据链路层使用,超时时间采用固定定时器。5G-R网络下传输层的超时时间采用一种自适应算法,基于报文发送与确认的往返时间,配合加权平权计算,得到一个随网络状态自动调整的时间,实现非固定周期的超时重传,减少不必要的重传引起的网络资源占用。

在校验方式方面,GSM-R网络下只在数据链路层使用16比特的FCS校验。5G-R网络下适配层对帧头使用16比特的FCS校验,传输层使用16比特的校验和(CheckSum)校验,网络层对帧头使用16比特的校验和校验,数据链路层使用16比特的FCS校验。虽然5G-R网络下传输层和数据链路层提供的16比特校验和方式强度不高,但通过协议逐层校验的方式,数据校验结果的可靠性得到极大提高。

两种网络下协议传输可靠性措施强弱对比情况如表3所示。

表3 协议可靠性措施强弱对比

因此,相比于GSM-R网络,5G-R网络下的无线通信协议可靠性措施更多样化,控制更精细化,协议传输的可靠性更高。

3.3 协议传输效率差异分析

GSM-R网络下数据链路层信息域长度最大仅为34字节,其中协议各层帧头等附加信息长度为16字节。若应用信息≯18字节(例如车到地的消息确认信息长度仅为14字节),无需数据分割,数据链路层只需一次收发。若应用信息>18字节,需进行数据分割,数据链路层需进行多次收发。按照应用信息长度最大500字节,需分割为17包数据,考虑发送周期,数据链路层收发耗时将大大增加。在网络拥塞造成数据丢失时,将引起更多的网络资源消耗,严重影响传输效率,无线通信超时几率增加。

5G-R网络下无线通信协议数据链路层信息域长度最大1500字节,数据收发无需分割重组。但由于信息域内协议各层帧头等附加信息长度为59字节,在相同传输速率下,应用信息数据量小时,传输效率不占优势,但应用信息数据量大时,传输效率将明显增加。即使因网络拥塞造成数据丢失,也只需一次重传即可实现数据补发,减少了网络资源开销。因此,在相同传输速率下,5G-R下的无线通信协议优势不能充分发挥,需提高终端设备的数据传输速率,才能充分发挥协议的优势。

4 结语

随着5G网络发展日趋成熟,基站铺设日益增加,为铁路移动通信系统由GSM-R网络演进到5G-R网络提供了良好的先决条件。从总体结构、协议分层和协议分割重组等方面对C3列控系统在5G-R网络下的无线通信协议进行设计,从协议功能、传输可靠性、传输速率等方面对无线通信协议在两种网络下的差异性进行比对分析。相比GSM-R网络下的车地无线通信协议,5G-R网络下的车地无线通信协议功能更加丰富,传输可靠性更高,传输速率更快,可充分利用和发挥5G-R网络的优势。

后续将对C3列控系统车地无线通信存在的通信超时问题,以及车载电台注网问题进行持续研究,以期在5G-R网络下向C3列控系统提供更加完善的车地无线通信解决方案。