基于CTCS-3TCS-3列控系統的ISDN系統研究

羅 鑫（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

綜合業務數字網（ISDN），俗稱“一線通”。ISDN有窄帶和寬帶兩種。窄帶ISDN有基本速率（BR I，2B+D，144 kbit/s）和一次群速率（PRI，30B+D，2 M bit/s）兩種接口。其中B信道一般用來傳輸話音、數據和圖像，D信道用來傳輸信令或分組信息。GSM移動電話系統也可基于ISDN傳輸數據。

目前，我國高速鐵路廣泛采用的CTCS-3列控系統中，無線閉塞中心（RBC）和車載設備之間通過GSM-R網絡傳輸應用數據，而RBC和GSM-R網絡之間的連接正是采用ISDN PRI接口，其中D通道用來傳輸信令，信令規程采用DSS1信令方式；B通道用來傳輸列控應用數據，采用透傳方式。由于列控數據傳輸對安全性和可靠性的特殊要求，ISDN在CTCS-3列控系統中具有十分重要的作用。目前已經開通的武廣、京滬、滬寧、滬杭等高鐵線路中，主要采用在通用處理服務器集成自帶協議棧的ISDN板卡作為ISDN主機，出現ISDN通信的問題時不易分析故障和原因，同時系統不便于向嵌入式平臺移植，為了保證列控數據的可靠傳輸和向嵌入式平臺移植的需求，有必要自主實現基于C TCS-3列控系統的ISDN系統。

2 系統結構

ISDN單元在整體系統網絡中如圖1所示。ISDN板卡通過E1接口與GSM-R網絡的M SC直接相連，采用的是PR I接口，系統同時支持多個E1接口，每個E1支持1個D通道和30個B通道，實現與A TP的數據通信； ISDN板卡與RBU單元通過網口連接，實現相互的數據傳輸。

羅鑫，男，碩士畢業于北京交通大學，工程師。主要研究方向包括GSM-R網絡協議、GSM-R網優、ISDN研究。曾參與CTCS-3接口監測系統研發、GSM-R網絡優化測試與分析系統和機房環境動力監控系統等設備的研發工作、DS6-60 ISDN子系統設備研發工作。

3 系統實現

ISDN系統軟件可以按照功能要求劃分為3部分。

1）內核空間下ISDN內核模塊驅動：實現D通道和B通道相關信令和數據協議、物理設備驅動。

2）Linux操作系統包含的CAPI系統調用和為用戶提供的LibCAPI庫函數：利用標準通用ISDN接口，實現的功能是內核空間到用戶空間轉發，提供了一個與硬件和驅動均無關的使用ISDN通信服務的標準接口。

3）用戶應用程序：呼叫發起和接收、拒絕，數據業務發起和接收。

本方案采用如下的協議構架：協議棧和驅動部分放在內核態；應用程序和設備管理程序以及CAPI接口放在用戶態。協議棧和驅動模塊都采用動態加載模式，這樣就能動態實現TE/NT模式切換。

ISDN通信單元原則上既可以做主叫用戶，又可以做被叫用戶，即ISDN通信單元可以呼叫A TP M T模塊，也可以由M T模塊呼叫ISDN單元。ISDN通信單元用戶號碼是由MSC分配，采用ISDN網絡編號方案,如圖2所示。

PC I硬件設備驅動程序模塊實現ISDN硬件設備與Linux操作系統的適配，建立ISDN接口芯片和CPU的通信。

DEV ICE模塊實現ISDN硬件設備在用戶態的open、read、w rite、ioctl等標準接口，用戶態的設備管理程序通過這些標準接口的操作來對ISDN硬件設備進行實時管理、查詢和控制ISDN通信單元工作狀態，上報故障和告警信息。

STACK模塊實現各層消息之間的分發過程，各層之間消息調度都要通過STA CK進行處理，從而決定消息流下一階段所屬處理協議層。

應用程序呼叫控制程序實現與車載對等層（M T）之間的信令控制，信道申請。當申請合適的B通道后，通過V.110協議解析發送到RBC進行處理。

3.1 信令和數據協議棧模塊

信令和數據協議棧模塊主要完成B通道和D通道協議處理、狀態機處理和原語解析功能。信令部分物理層遵循I.431一次群速率用戶接入物理層規范，數據鏈路層（LAPD）遵循ITU-TQ.921 H D LC規范、網絡層遵循Q.931規范。數據協議棧主要給上層應用提供CAPI接口編碼，便于上層調用。

1）對于D通道數據鏈路層，其功能是解釋從物理層收到的數據流，為相鄰兩個設備間提供可靠的通信連接，數據單位為幀。D通道數據鏈路層由Q.921協議定義，在鏈路建立過程中，ISDN作為一個終端端點（TE），其實現過程如下。

a．TE和網絡交換準備接受幀（RR），等待初始化一個連接；

b．TE發送一個未編號的信息（U I）幀，其中業務接入點標識（SAPI）的值為63（管理協議、查詢網絡），終端終點標識（TEI） 的值為127（建立廣播鏈路）；

c．網絡分配一個可使用TEI（范圍為64～126 ）；

d．TE 發送一個 SABME 幀，其 SAPI 值為0（呼叫控制），TEI 值為網絡分配的值；

e．網絡發出未編號響應（U A）幀，SAPI=0，TEI 值為分配值；

f．至此數據鏈路層建立連接成功。

2）對于D通道網絡層，其功能規定了通過用戶—網絡接口傳遞、用于電路方式連接控制的消息，規定了每個消息的結構，定義了每個消息在呼叫控制過程中的功能。D通道網絡層由Q.931協議定義，在Q.931協議中，每個消息由以下幾部分組成：協議鑒別語、呼叫參考、消息類型、其他信息單元。其中前3個信息單元是每個消息所必需的，而其他信息單元對每個消息來說是特定的。

下面是一個關于呼叫設置步驟的流程。

a．呼叫方發送一個建立呼叫信息（SETU P）給交換機；

b．如果SETUP通過，交換機發送一個CALL PROCEEDING信息給呼叫方，并發送一個SETUP信息給接收方；

c．接收方收到SETU P。如果該信息正常，它就振鈴電話并發送一個A LERT ING信息給交換機；

d．交換機轉發該ALERTING信息給呼叫方；

e．當接收方應答呼叫后，就發送一個CONNECT信息給交換機；

f．交換機轉發該CONNECT信息給呼叫方；

g．呼叫方發送一個CONNECT響應信息給交換機；

h．交換機轉發該CONN ECT響應信息給接收方；

i．呼叫方發送CONNECT A CK信息到交換機；

j．交換機轉發該信息到接收方；

k．鏈接建立成功。

整個D通道的建立過程如圖3所示。

3）對于B通道，應用層數據在B通道的傳輸是采取透傳的方式，ISDN的信道都是采用64 k b it/s方式，但是通過CSD傳輸的應用層數據在CTCS-3系統中通常采用的是2.4、4.8、9.6 k b it/s的方式，需要使用v.110協議對兩者之間進行適配，適配過程如圖4所示。

在v.110協議中，B通道數據適配過程分為兩個步驟。

RA 1模塊把用戶數據轉化為2 k×8 k b it/s的中間速率的數據幀；

RA 2模塊把2 k×8 k b it/s的中間速率的數據幀轉化為64 kbit/s的ISDN數據幀。

3.2 ISDN應用程序接口CAPI

CA PI是應用程序訪問ISDN設備的一種常用方式，它使應用程序能夠以直觀的方式和標準化的軟件接口（不受不同ISDN硬件設備的限制）來使用ISDN設備。CAPI應用程序和CAPI之間的通信是通過消息隊列來實現的，CA PI有一個消息隊列，每個注冊的應用程序有一個消息隊列，兩者之間的消息是通過消息隊列交換來實現的。而在數據傳輸模式下，消息只作為信令的作用，數據本身的傳輸是通過應用程序和CAPI的共享內存來實現的，消息隊列采用先進先出的方式。應用程序發送數據給ISDN控制器，是先通過發送消息給CAPI，然后通過CAPI發送給ISDN控制器；應用程序從ISDN控制器接收數據，ISDN控制器先把消息寫到CAPI的消息隊列，然后通過CAPI的消息隊列傳輸給相應的應用程序，如圖5所示。

KERNEL CAPI是CAPI應用程序和CAPI硬件設備之間聯系的一個中間層。CA PI硬件設備和CAPI應用程序都是在KERNEL CAPI中注冊，由KERNEL CAPI把CAPI應用程序匹配到相應的硬件設備上，KERNEL CAPI還管理CAPI消息，控制它在應用程序和硬件設備中互相傳輸。

對于下行消息的處理：下行消息為CA PI應用程序發送消息到對端的數據流。首先應用程序調用標準的CA PI消息定義，通過L IB CAPI系統調用發送到操作系統消息隊列，K ERNEL CAPI把消息從消息隊列中取出，判斷消息應當發送到所屬的ISDN，利用KERNEL CAPI與ISDN CAPI DRIVER的標準接口發送到內核ISDN部分。ISDN CAPI DRIVER接受下行消息判斷是否正確，并且通過LISTEN/PLCI/NCCI狀態轉移后，將CAPI消息轉化為下三層協議的消息。下三層消息經過STACK模塊發送到Layer3/Layer2/Layer1協議棧處理，最后通過PCI硬件設備驅動發送出去。

對于上行消息的處理：上行消息為車載發送到ISDN處理的數據流。首先系統PC I硬件設備驅動接收來自對端的數據流，發送到Lay er3/Lay er2/Lay er1協議棧處理。如果該數據需要發送給應用程序，則通過ISDN CAPI DR IVER進行狀態判斷和CAPI消息封裝。經過封裝的CAPI消息通過KERNEL CAPI過渡后，通過系統調用發送到用戶層面供應用程序讀取。

3.3 應用接口模塊

為了使協議棧和硬件底層驅動正常工作，需要應用接口模塊創建用戶實體和實例，即用戶調用程序，實現對等層之間用戶的應答和確認。

用戶軟件包括兩類：一是CAPI用戶控制程序，二是ISDN設備管理程序。

1）CAPI用戶應用程序

基于CA PI接口的用戶應用程序，實現初始化和處理往外撥打呼叫、指示和處理呼叫的接聽、處理呼叫的掛斷、實現呼叫掛起和等待、接收和發送應用層數據、實現呼叫相關數據的本地存儲。

2）ISDN設備管理程序

實現對ISDN設備自身工作狀態的查詢和控制，實時上報故障和告警信息，并且將相應的故障和告警信息保存至本地存儲設備。

4 系統測試及結果

在實驗室對ISDN系統的功能進行了測試，測試環境如下：具有GSM-R網絡的實驗室、ISDN系統一套（通過2 M電纜連接到M SC，并分配號碼90000001），測試手機一部（用于語音呼叫）、QoS測試系統呼叫（用于數據呼叫）。

測試一：使用測試手機語音呼叫90000001，電話接通，主叫號碼14980199032，被叫號碼90000001。D通道和B通道都建立成功，D通道信令時隙是channel16，B通道數據時隙是channel3。

測試二：通過Qo S系統進行CSD數據環回測試，即呼叫建立后，QoS系統的M T模塊給ISDN系統發送數據包，ISDN系統將收到的數據包發回給MT模塊。

如圖6所示，測試系統以9.6 kbit/s的速度建立CSD連接，進行數據環回測試。數據包共30 By te，為程序產生的隨機數，測試過程中總共發送數據包2018個，環回出現錯誤包2個，測試過程中鏈路連接穩定，沒有斷開。從測試結果分析，ISDN系統能夠承載CSD數據透傳。

5 結論

本文研究了一種基于CTCS-3列控系統的ISDN系統的實現方法，并在實驗室對該系統進行了測試和論證，證明了該系統的可行性。下面，將進一步研究ISDN系統的設備管理和信道冗余備份等功能，繼續完善ISDN系統，使之能夠穩定可靠的傳輸CTCS-3列控系統數據。

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