謝和歡

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070）

目前，國內(nèi)高速鐵路列車主要采用GSM-R 通信系統(tǒng)實現(xiàn)車地間無線數(shù)據(jù)傳輸，車地數(shù)據(jù)交換最初僅基于傳統(tǒng)的電路域進行。2015 年，歐盟發(fā)布了歐洲列車控制系基線三版本ETCS B3R2，ECTS 無線數(shù)據(jù)傳輸在既有電路域交換的基礎上增加了通用無線分組業(yè)務（GPRS）方式。GPRS 是一種基于GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術，屬于GSM 網(wǎng)絡中的分組域，提供端到端的廣域無線IP 連接。國內(nèi)面向西部地區(qū)推出的新型列控系統(tǒng)車地通信也采用GPRS 網(wǎng)絡作為車地數(shù)據(jù)傳輸平臺。

隨著無線通信技術的進一步發(fā)展，低時延、高速率、網(wǎng)絡結構簡化成為移動通信系統(tǒng)的新目標，全IP 移動通信網(wǎng)絡成為必然，到了LTE 和5G 技術時代，只保留分組交換域進行數(shù)據(jù)傳輸，不再有單獨的電路交換域。當前鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)由2G 技術向5G 技術發(fā)展的目標已經(jīng)明確，原來的只支持電路域通信的車載通信設備由于本身的局限性已經(jīng)不能適應這種變化趨勢，需要增加對分組域通信的支持。因此迫切需要一種既能支持電路域通信又能支持分組域通信的車載通信設備，以適應高鐵車地通信需求的變化。

1 電路域與分組域通信概述

電路交換域（Circuit Switching Domain，CS）和分組交換域（Packet Switching Domain，PS）是針對無線通信系統(tǒng)核心網(wǎng)部分而言的，兩者的不同在于數(shù)據(jù)交換方式。兩種通信模式的差異如下。

1）電路域交換：通過在發(fā)送端和接收端之間建立一條被雙方獨占的電路連接，并保持到通信結束的一種交換方式，連接不能統(tǒng)計復用。

2）分組域交換：通過標有地址的分組進行路由選擇傳送數(shù)據(jù)，使信道僅在傳送分組期間被占用的一種交換方式。

分組交換采用存儲轉發(fā)傳輸方式，加速了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸、簡化存儲管理、減少出錯幾率，提高了數(shù)據(jù)交換效率。因此從提高整個網(wǎng)絡信道利用率的角度來看，分組交換優(yōu)于電路交換，尤其適合于終端間突發(fā)式的數(shù)據(jù)通信。

2 列控系統(tǒng)車地安全通信參考模型

列控系統(tǒng)車地通信網(wǎng)絡是基于開放式傳輸系統(tǒng)的安全通信系統(tǒng)，使用分層的參考模型結構。它從上到下包括應用層、安全層、無線通信層（由傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層構成）和物理層，如圖1 所示。模型中高一層使用下一層提供的服務傳輸數(shù)據(jù)。其中，應用層由車載應用程序和地面設備應用程序組成，負責生成和處理列控業(yè)務無線信息。安全層由安全功能模塊(Safe Functional Module，SFM)構成，提供安全連接的建立和釋放以及業(yè)務數(shù)據(jù)的安全傳輸服務。無線通信層由通信功能模塊(Communication Functional Module，CFM)構成，提供通信連接的建立和釋放服務以及透明可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸服務。

圖1 列控系統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡參考模型Fig.1 Reference model of train control system wireless communication network

3 車載無線通信系統(tǒng)

車載無線通信系統(tǒng)主要包括無線傳輸單元（RTU）和車載電臺（MT）。RTU 主要由通信功能模塊（負責無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧的處理）、對外接口模塊（負責和主機及電臺接口）以及電臺控制模塊（負責與電臺AT 指令交互和數(shù)據(jù)收發(fā)）構成。電臺負責附著并注冊到列控無線通信網(wǎng)絡，按照空口無線協(xié)議棧處理收發(fā)數(shù)據(jù)，為RTU 提供實際的數(shù)據(jù)傳輸服務。

為同時支持電路域和分組域數(shù)據(jù)傳輸，RTU 必須并行支持兩種通信制式的協(xié)議棧，如圖2 所示。CS 域中，車載和地面設備采用既有電路交換域協(xié)議棧管理車地通信連接，列控業(yè)務數(shù)據(jù)由X.224、T.70 以及 HDLC 協(xié)議進行端到端數(shù)據(jù)傳輸和校驗。PS 域中，車載和地面設備采用分組交換域協(xié)議棧管理車地通信連接，列控業(yè)務數(shù)據(jù)由TCP /IP 協(xié)議和PPP 協(xié)議進行端到端傳輸和校驗。

圖2 車載電路域和分組域無線通信協(xié)議棧Fig.2 Onboard Wireless communication protocol stack in CS domain and PS domain

4 車載電路域通信原理和過程

4.1 基本原理

在電路域通信中，車載要發(fā)送的應用數(shù)據(jù)首先通過安全層處理和封裝后形成安全層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（SaPDU），然后由傳輸層封裝處理后形成傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（TPDU），接著通過網(wǎng)絡層分包處理后形成網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU），最后封裝在HDLC 幀中被車載無線傳輸單元發(fā)往電臺，再由電臺經(jīng)過無線協(xié)議棧處理后發(fā)送到空口，經(jīng)過支持電路域的無線通信系統(tǒng)最后抵達目標地面設備。接收數(shù)據(jù)過程則是上述過程的反向解包過程。各協(xié)議數(shù)據(jù)單元之間的關系如圖3 所示。

圖3 車載電路域通信各協(xié)議數(shù)據(jù)單元關系Fig.3 Relation diagram of PDUs of onboard CS domain

4.2 安全通信鏈路建立過程

當車載主機需要和某個地面設備建立電路域安全通信連接時，應分別建立安全層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層和物理層的連接。每個上層連接的建立都應該建立在底層連接已完成的基礎上。

車載應用程序需要和某個地面設備通信時，首先向安全層請求與該設備建立安全連接。安全層會立即向RTU 請求建立傳輸層連接，各層間的連接請求及確認通過原語的交互進行，如圖4 所示。RTU 的通信功能模塊CFM 中的傳輸層收到該連接請求后要求建立網(wǎng)絡層連接。RTU 如果判斷目標地面設備工作在CS 模式，則首先會向電臺發(fā)出撥號指令，以完成物理層連接，隨后會通過和對端鏈路層的SABME 和UA 幀的交互完成鏈路層的建立，于是網(wǎng)絡層連接也隨即建立。然后傳輸層通過CR TPDU（攜帶AU1 SaPDU）和CC TPDU（攜帶AU2 SaPDU）的交互完成傳輸層的建立，如圖5 所示。傳輸層連接建立后，安全層通過繼續(xù)交互AU3 SaPDU 和AR SaPDU 完成安全連接的最終建立，并通知車載應用。至此，一條從車載到地面設備的電路域安全鏈路建立起來。

圖4 電路域安全層連接建立原語序列Fig.4 Security layer connection establishment primitive sequence in CS domain

圖5 電路域傳輸層往下連接建立原語序列Fig.5 Transport Layer and below connection establishment primitive sequence in CS domain

4.3 車地數(shù)據(jù)交換過程

車載和地面設備通信交互的是列控系統(tǒng)無線報文，被車載安全層封裝后的無線報文通過T-DATA.req 原語送到RTU 的傳輸層，再經(jīng)過網(wǎng)絡層分包和鏈路層封包后發(fā)往電臺并最終經(jīng)過無線通信網(wǎng)到達地面設備。而數(shù)據(jù)反向傳輸過程則是上述過程的逆過程，如圖6 所示。

圖6 電路域數(shù)據(jù)傳輸原語序列Fig.6 Data transmission primitive sequence in CS domain

4.4 安全通信鏈路拆除過程

在完成車地通信后，車載應用程序要求斷開安全連接，安全層隨即向RTU 請求斷開傳輸層連接。然后車載與地面設備的傳輸層通過交互斷開過程的協(xié)議數(shù)據(jù)單元完成傳輸層的斷開。接著傳輸層要求網(wǎng)絡層斷開并關閉自身。網(wǎng)絡層收到斷開請求后，首先要求斷開鏈路層。車載的鏈路層與地面設備鏈路層通過交互DISC 幀和UA 幀完成鏈路層斷開并通知網(wǎng)絡層。然后網(wǎng)絡層要求物理層斷開，隨即電臺被掛斷，至此，車地通信鏈路被完全拆除，如圖7 所示。

圖7 車載電路域通信鏈路拆除原語序列Fig.7 Communication link removal primitive sequence in onboard CS domain

5 車載分組域通信原理和過程

5.1 基本原理

在分組域通信中，車載要發(fā)送的應用數(shù)據(jù)首先通過安全層處理和封裝后，形成SaPDU，再由適配層（Adaptation Layer Entity，ALE)封裝處理后形成ALE 包（ALEPKT），最后通過TCP/IP 協(xié)議以及PPP 協(xié)議處理后發(fā)往電臺，電臺把數(shù)據(jù)經(jīng)過無線協(xié)議棧處理后發(fā)送到空口，經(jīng)過支持分組域的無線通信系統(tǒng)最后抵達目標地面設備。接收數(shù)據(jù)過程則是上述過程的反向解包過程。相比車載電路域通信，分組域通信協(xié)議棧中新增了ALE 層，其作用一是進行冗余管理，執(zhí)行TCP/IP 連接的建立、關閉和維護任務；二是在面向字節(jié)流的TCP 協(xié)議上傳送消息數(shù)據(jù)包。各協(xié)議數(shù)據(jù)單元之間的關系如圖8 所示。

圖8 車載分組域通信各協(xié)議數(shù)據(jù)單元關系Fig.8 Relation diagram of PDUs of onboard PS domain

5.2 安全通信鏈路建立過程

車載主機需要和某個地面設備建立分組域通信連接時，RTU 同樣會收到建立連接傳輸層請求的原語，RTU 如果判斷目標地面設備為PS 模式，而且電臺已經(jīng)為PS 通信做好準備（已附著在GPRS 或5G-R 網(wǎng)絡，PDP 上下文已激活等），會首先通過AT 指令命令電臺進入數(shù)據(jù)狀態(tài)。然后和電臺協(xié)商建立PPP 鏈接。PPP 鏈路建立后，電臺會給RTU分配IP 地址和DNS 地址。隨后，RTU 嘗試從地面DNS 服務器查詢目標地面設備的IP 地址，若能成功獲取到IP 地址，則開始發(fā)起和目標設備的TCP連接過程。連接建立后，車載安全層和地面設備安全層之間將進行安全協(xié)議數(shù)據(jù)單元的交互過程來完成安全通信鏈路的建立，如圖9 所示。

5.3 車地數(shù)據(jù)交換過程

車載主機要發(fā)往地面設備的無線報文首先被安全層封裝處理成DT SaPDU 送到RTU，由RTU 的ALE 層處理后封裝成DT ALEPKT 后，通過TCP/IP 連接經(jīng)由車載電臺發(fā)往地面設備。其中，IP 包送到電臺的過程需要PPP 協(xié)議的支持。車載接收無線報文的過程是上述過程的逆過程，如圖10 所示。

圖10 車載分組域通信數(shù)據(jù)傳輸原語序列Fig.10 Primitive sequence for data transmission in onboard PS domain

5.4 安全通信鏈路拆除過程

應用層會話結束后，車載應用程序請求安全層斷開連接，安全層則向RTU 請求斷開傳輸連接，并隨即斷開自身的連接。隨后，車載無線傳輸單元ALE 層將安全層斷開請求通過TCP 連接發(fā)送給地面設備，接著RTU 關閉與地面設備的TCP 連接，并釋放和電臺的PPP 連接。至此，車載和地面設備的安全通信鏈路得以完全拆除，如圖11 所示。

圖11 車載電路域通信鏈路拆除原語序列Fig.11 Communication link removal primitive sequence in onboard PS domain

6 車載無線傳輸單元基本設計

車載無線傳輸單元是一種嵌入式系統(tǒng)，為車載提供車地無線通信支持。硬件系統(tǒng)包括處理器、存儲器、I/O 接口、通信模塊等；軟件系統(tǒng)則包括操作系統(tǒng)、相應的硬件驅動、固件和必要的軟件運行環(huán)境、協(xié)議棧支持以及應用軟件，如圖12 所示。

圖12 車載無線傳輸單元軟件系統(tǒng)結構Fig.12 Software system structure diagram of RTU

6.1 操作系統(tǒng)選擇

無線傳輸單元通常采用嵌入式操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)負責系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協(xié)調并發(fā)活動，且必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。例如，中國鐵路通信信號股份有限公司（以下簡稱中國通號）的400T 車載采用μC/OS-II 系統(tǒng)，就是一種小型實時搶占式的多任務操作系統(tǒng)內(nèi)核，可以滿足較高的實時性要求。中國通號的深度自主化車載系統(tǒng)則采用了完全自主化的實時操作系統(tǒng)SylixOS， 它是一個嵌入式實開源操作系統(tǒng)，具有卓越的實時性和可靠性，可為車載應用提供豐富的功能。

6.2 TCP/IP協(xié)議棧支持

TCP/IP 協(xié)議是規(guī)范不同主機之間進行通信的一系列協(xié)議，其中涉及到數(shù)據(jù)的封裝、傳輸、尋址等一系列內(nèi)容，是事實上的網(wǎng)絡標準。它包括網(wǎng)絡層和傳輸層。其中，網(wǎng)絡層負責封裝處理數(shù)據(jù)包并運行必要的路由算法，以跨網(wǎng)絡邊界傳輸數(shù)據(jù)包；傳輸協(xié)議在主機之間提供通信會話。TCP 和UDP 協(xié)議在協(xié)議棧的傳輸層，而IP 協(xié)議則屬于協(xié)議棧的網(wǎng)絡層。

車載無線傳輸單元為嵌入式設備，由于資源受限，通常系統(tǒng)本身并不支持TCP/IP 協(xié)議棧，例如μC/OS-II 系統(tǒng)就不支持該協(xié)議棧。在電路域通信時，并不需要用到TCP/IP 協(xié)議棧，沒有影響。但在分組域通信時，TCP/IP 協(xié)議棧是必需的。車載無線傳輸單元中的TCP/IP 協(xié)議棧負責建立傳輸連接來為車載和地面設備提供端到端傳輸數(shù)據(jù)服務。所以在車載無線傳輸單元添加對TCP/IP 協(xié)議棧的支持是讓其具備分組域通信能力的關鍵之一。

6.3 PPP協(xié)議支持

車載要接入分組域網(wǎng)絡，具備分組域通信能力，除了增加TCP/IP 協(xié)議棧支持外，還必須在車載無線傳輸單元中新增對PPP 協(xié)議的支持，這是讓其具備分組域通信能力的另一個關鍵技術。PPP 協(xié)議是應用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，支持在各種物理類型的點到點串行線路上傳輸網(wǎng)絡層協(xié)議報文。撥號入網(wǎng)普遍采用PPP 協(xié)議。PPP 協(xié)議主要包括鏈路控制協(xié)議（Link Control Protocol，LCP）和網(wǎng)絡控制協(xié)議（Network Control Protocol，NCP）。其中，LCP是PPP 協(xié)議的一個子集，用來配置和測試數(shù)據(jù)通信鏈路，協(xié)商PPP 協(xié)議的一些配置參數(shù)選項，以適應各種復雜多變的網(wǎng)絡環(huán)境；NCP 則包括一族網(wǎng)絡控制協(xié)議，其中提供給TCP/IP 網(wǎng)絡使用的是IPCP 網(wǎng)絡控制協(xié)議。NCP 參數(shù)配置協(xié)商的主要目的是獲得通信雙方的網(wǎng)絡層地址，就車載無線傳輸單元而言是讓其獲得IP 地址。為最大限度地降低無線傳輸單元對于特定操作系統(tǒng)的依賴性，提高系統(tǒng)靈活性，可以在無線傳輸單元中建立獨立于特定操作系統(tǒng)的PPP協(xié)議棧。

6.4 和車載主機通信接口設計

車載主機與車載無線傳輸單元通過串行總線協(xié)議通信，連接協(xié)議（LinkProtocol，LP）位于串行總線協(xié)議之上，為內(nèi)部安全通信協(xié)議，采用特定的幀結構設計。此外，LP 協(xié)議還設計了各種定時器，用于主機和車載無線傳輸單元的通信同步、生命信號監(jiān)控等，為車載主機應用提供一個安全通信接口。LP 為各車載廠家私有協(xié)議，不再詳述。

6.5 和電臺接口設計

車載無線傳輸單元與電臺之間的物理接口遵循既有的IGSM-R接口標準，波特率可根據(jù)需要設置，8位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗。所需的信號線如表1 所示。

表1 接口串行通信信號線定義Tab.1 Def inition of interface serial communication signal lines

在電臺處于命令狀態(tài)時，車載無線傳輸單元與電臺之間通過AT 指令交互來控制電臺的行為。在電臺撥號成功進入數(shù)據(jù)狀態(tài)后，車載無線傳輸單元與電臺之間直接通過數(shù)據(jù)交互以進行車地數(shù)據(jù)傳輸。

6.6 電臺分組域通信準備

根據(jù)列控無線通信系統(tǒng)制式的不同，既支持電路域又支持分組域通信的車載無線通信系統(tǒng)應采用對應制式的電臺。就GPRS 通信而言，電臺又分為3 類：A 類電臺具有同時提供GPRS 分組交換和GSM 電路交換承載業(yè)務的能力。B 類電臺可以同時附著在GSM 網(wǎng)絡和 GPRS 網(wǎng)絡，但不能同時使用電路交換業(yè)務和分組交換業(yè)務，只能選用其中一個。C 類電臺要么附著在GSM 網(wǎng)絡，要么附著在 GPRS 網(wǎng)絡，并且只能通過人工的方式進行切換，沒有辦法同時進行兩種操作。為同時支持既有GSM-R 通信和GPRS 通信，車載無線通信系統(tǒng)應采用A 類或B 類電臺。到了5G-R 時代，則應該采用可并行支持GSM-R 通信和5G-R 通信的雙模電臺。

如果車載電臺注冊的GSM-R 小區(qū)支持GPRS通信，或注冊在5G-R 小區(qū)，車載無線傳輸單元應選擇至少一個電臺執(zhí)行GPRS 或5G-R 附著過程和PDP 上下文激活過程，為分組域通信做好準備。

6.7 電路域、分組域選擇算法

車載的通信設計采用設備分層通信的原則。車載主機負責應用層和安全層通信，RTU 則負責實際的電路域和分組域通信。車載主機只需知道要與之通信的地面設備的類型和ID，并不關心通信對象具體的通信模式，RTU 自主管理采用何種通信方式與目標地面設備建立通信連接，以交互信息。

RTU 收到車載主機請求建立通信連接的原語后，先從請求連接的原語中獲取車載主機想要連接的地面設備類型和ID，然后查詢自身存儲的地面設備信息表，以期判斷目標地面設備是工作在CS 還是PS 模式。RTU 會根據(jù)查詢結果采取不同的應對措施，并啟動相應的處理流程，存在以下3 種情形。

1）根據(jù)既有地面設備信息表不能判斷目標地面設備的通信模式，而車載電臺已經(jīng)準備好PS 通信，RTU 則會開始和電臺協(xié)商建立PPP 鏈路。鏈路建立后，電臺會給RTU 分配IP 地址并告知域名系統(tǒng)DNS 的地址。然后RTU 嘗試從地面DNS 查詢目標地面設備的IP 地址。如果能查詢到IP 地址，則更新設備信息表，以記錄該目標地面設備為PS 傳輸模式，并開始和目標地面設備建立TCP/IP 連接，TCP 連接成功后，進入分組交換域傳輸模式，通過分組域來傳輸車地數(shù)據(jù)。如果車載電臺未準備好PS通信或者PPP 鏈路無法建立或者DNS 回復該地面設備為CS 傳輸模式或DNS 查詢出現(xiàn)錯誤，都將認為目標地面設備處于CS 通信模式。RTU 會通過撥號來發(fā)起電路域通信連接過程，連接成功后進入電路交換域傳輸模式，使用電路域來傳輸車地數(shù)據(jù)。若不成功，則向ATP 主機報告此次連接失敗。

2）根據(jù)既有信息表確定目標地面設備為PS 傳輸模式，且車載電臺也準備好PS 通信，則RTU 開始和電臺協(xié)商建立PPP 鏈路，嘗試從地面DNS 查詢目標地面設備的IP 地址。如果能查到IP 地址，則開始和目標地面設備建立TCP/IP 連接，TCP 連接成功后進入分組交換域傳輸模式。如果上述任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，則直接向ATP 主機報告此次連接失敗，不會嘗試建立CS 通信。

3）根據(jù)既有信息表確定目標地面設備為CS傳輸模式，RTU 一方面會通過使用一個電臺撥號來發(fā)起電路域通信連接過程，連接成功后進入電路交換域傳輸模式。若連接失敗則直接向ATP 主機報告，等待主機的進一步處理。另一方面RTU 則會嘗試查詢目標地面設備的傳輸模式，先檢查另一個電臺是否處于準備好PS 通信狀態(tài)，如果已經(jīng)準備好則仍然會和電臺協(xié)商建立PPP 連接，并嘗試從DNS 查詢目標地面設備的IP 地址，如果能夠查詢到，則會更新設備信息表并記錄該目標地面設備為PS 傳輸模式；如果不能查詢到，則重置和電臺的PPP 連接。上述任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會立即結束查詢操作。

7 結束語

電路域通信和分組域通信是兩種重要的列控系統(tǒng)車地通信技術，而同時支持這兩種通信技術的車載無線傳輸單元是新一代車載系統(tǒng)的重要組成部分，為車載系統(tǒng)能適應不同制式無線通信網(wǎng)絡提供了基礎保證。按照本文所述方法研發(fā)的車載無線傳輸單元已經(jīng)應用在中國通號的400T 車載、適用于西部的新型車載、符合基線3 ETCS 標準的歐洲五國車載以及基于國產(chǎn)芯片的深度自主化車載系統(tǒng)中。設備運行穩(wěn)定可靠，既能滿足車載電路域通信的要求又能滿足車載分組域通信要求，既可以適應既有的GSM-R、GPRS 通信，也可以適應即將到來的5G-R 通信。