基于CTCS－3級列控系統(tǒng)ISDN服務(wù)器的嵌入式設(shè)計

吳 宇 李 堅

綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) （ISDN）可以提供語音、數(shù) 據(jù)和視頻等多項面向連接業(yè)務(wù)。CTCS－3級列控系統(tǒng)無線閉塞中心 （RBC）利用ISDN服務(wù)器實現(xiàn)與MSC的通信，采用PRI接口，其集群速率為30B＋D （2Mb／s）數(shù)字接口。即每個2Mb／s接口包含30個B通路和1個D通路，B信道用于傳送數(shù)據(jù)和語音信息，信令規(guī)程采用HDLC信令；D信道用于傳送信號和控制信息，信令規(guī)程采用DSS1信令方式。RBC與ISDN之間通過局域網(wǎng)交換機(jī)VLAN互聯(lián)，采用TCP／IP通信，ISDN服務(wù)器在CTCS－3級列控系統(tǒng)中連接如圖1所示。

圖1 ISDN服務(wù)器在CTCS－3級列控系統(tǒng)中連接示意圖

目前，鐵路CTCS－3級列控系統(tǒng)中應(yīng)用的ISDN服務(wù)器，普遍采用通用處理服務(wù)器集成ISDN板卡的方式實現(xiàn)，其核心芯片均由國外廠商提供，且內(nèi)部平臺實現(xiàn)不公開，接口私有、不透明。從系統(tǒng)安全性上考慮，需要一種基于通用式平臺國產(chǎn)化的ISDN服務(wù)器。介紹一種新型基于嵌入式LINUX系統(tǒng)ISDN服務(wù)器，可以有效提升既有CTCS－3級列控系統(tǒng)ISDN服務(wù)器穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

總體架構(gòu)分為驅(qū)動程序、ISDN協(xié)議棧、通用ISDN接口 （CAPI）、應(yīng)用接口程序和系統(tǒng)管理等五部分，分別由二個級別實現(xiàn)，其中，驅(qū)動程序、ISDN協(xié)議棧在LINUX操作系統(tǒng)內(nèi)核級實現(xiàn)；其余部分在操作系統(tǒng)用戶級實現(xiàn)。ISDN服務(wù)器軟件平臺總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 ISDN服務(wù)器軟件平臺總體架構(gòu)

各部分的主要功能：驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備文件驅(qū)動管理和接口驅(qū)動管理；ISDN協(xié)議棧是對標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議功能的實現(xiàn)；CAPI實現(xiàn)國際通用ISDN應(yīng)用編程接口協(xié)議，該協(xié)議使呼叫控制協(xié)議與底層硬件平臺無關(guān)，應(yīng)用接口程序可以訪問幾乎所有類型ISDN底層硬件；應(yīng)用接口程序?qū)崿F(xiàn)ATP與RBC之間CTCS－3級列控業(yè)務(wù)呼叫發(fā)起、接受、掛斷和拒絕等應(yīng)用功能；系統(tǒng)管理實現(xiàn)對ISDN的設(shè)備管理功能。

1．驅(qū)動程序。LINUX嵌入式操作系統(tǒng)通過驅(qū)動程序控制硬件設(shè)備工作，實現(xiàn)硬件底層PCI（外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）、E1（30路脈碼調(diào)制PCM）和設(shè)備文件系統(tǒng)管理。驅(qū)動程序工作在系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)，操作系統(tǒng)加載時自動完成驅(qū)動程序加載工作。

2．ISDN協(xié)議棧由D通路信令平臺和B通路用戶平臺二部分組成。D通路信令平臺物理層技術(shù)規(guī)范采用ETS 300 011協(xié)議，鏈路層技術(shù)規(guī)范采用ETS300 125協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)規(guī)范采用ETS 300 102協(xié)議。B通路用戶平臺物理層采用V．110協(xié)議。ISDN協(xié)議棧如圖3所示。

圖3 ISDN協(xié)議棧

3．CAPI向應(yīng)用接口程序發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)ISDN接口通用消息，簡化了不同操作系統(tǒng)間用戶空間上差異。通過CAPI接口橋接，D通路信令平臺信令業(yè)務(wù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交互，B通路用戶平臺數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)物理層和鏈路層的數(shù)據(jù)交互。CAPI可屏蔽不同底層硬件帶來數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異，使應(yīng)用接口程序開發(fā)者能夠快速實現(xiàn)一定范圍內(nèi)各類數(shù)據(jù)交換過程。既有RBC開發(fā)是基于CAPI實現(xiàn)的，所以在移植過程中為了保持風(fēng)格一致，ISDN系統(tǒng)也需對CAPI進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)與RBC系統(tǒng)之間對接。

4．應(yīng)用接口程序?qū)崿F(xiàn)RBC與ATP之間電路交換數(shù)據(jù) （CSD）2．4，4．8，9．6kb／s的呼叫過程，提供基于GSM－R的電路交換承載業(yè)務(wù)的通信功能。RBC與ISDN應(yīng)用接口程序之間采用以太網(wǎng)連接，通過TCP／UDP方式收發(fā)指令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。RBC通過應(yīng)用接口程序?qū)崿F(xiàn)CSD呼叫D通路信令建立、連接、拒絕、釋放等信令過程，在B通路時隙上實現(xiàn)列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程。

5．系統(tǒng)管理。ISDN服務(wù)器發(fā)生故障時易導(dǎo)致CTCS－3級列控系統(tǒng)降級運行。系統(tǒng)管理根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部運行狀態(tài)自動診斷設(shè)備工作狀況，向用戶發(fā)送故障告警提示，提供輸入輸出記錄查詢，輔助CTCS－3級列控系統(tǒng)降級分析。

2 功能設(shè)計

基于LINUX嵌入式架構(gòu)的ISDN系統(tǒng)功能模塊設(shè)計如圖4所示。

ISDN協(xié)議棧基于LINUX內(nèi)核態(tài)模式下開發(fā)，這樣實現(xiàn)協(xié)議棧的優(yōu)點是效率高、速度快、運行穩(wěn)定，模塊可動態(tài)加載和卸載，用戶管理方便。ISDN協(xié)議棧包含D通路物理層協(xié)議棧模塊、D通路鏈路層協(xié)議棧模塊、D通路網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧模塊、B通路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率適配模塊和狀態(tài)及管理模塊。驅(qū)動程序由PCI驅(qū)動模塊、E1驅(qū)動模塊和設(shè)備文件管理模塊組成。CAPI由設(shè)備文件模塊、分發(fā)調(diào)度模塊和庫函數(shù)模塊組成。系統(tǒng)管理由網(wǎng)管界面模塊、文件記錄模塊、異常故障診斷模塊和用戶配置模塊組成。各模塊功能如下。

1．PCI驅(qū)動模塊。該模塊實現(xiàn)硬件電路PCI總線管理，控制嵌入式平臺輸入輸出。為使PCI接口正常使用，采用使能PCI驅(qū)動程序。

2．E1驅(qū)動模塊。為配合E1接口芯片使用E1驅(qū)動模塊。該模塊能夠靈活地配置E1寄存器和相關(guān)電氣特性。作為主引導(dǎo)模塊，在加載該模塊的同時觸發(fā)其他模塊加載。

3．設(shè)備文件系統(tǒng)模塊。該模塊作為ISDN設(shè)備文件驅(qū)動的管理接口，向操作系統(tǒng)提供基于字符設(shè)備文件操作符，操作系統(tǒng)使用該模塊對ISDN驅(qū)動設(shè)備完成管理、維護(hù)和狀態(tài)查詢等操作。

4．D通路物理層協(xié)議棧模塊。該模塊實現(xiàn)對一次群基本速率接口PRI的功能特性和接口規(guī)程的封裝，以及物理信道的激活／去激活。

5．D通路鏈路層協(xié)議棧模塊。該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層點到點規(guī)程狀態(tài)轉(zhuǎn)移，封裝層對層通信單元和端對端幀結(jié)構(gòu)。

6．D通路網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧模塊。該模塊實現(xiàn)電路交換的呼叫控制流程，定義信令消息一般格式和信息單元編碼，封裝層與層通信單元。

7．B通路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率適配模塊。該模塊實現(xiàn)CSD數(shù)據(jù)編碼格式與RBC列控業(yè)務(wù)安全數(shù)據(jù)編碼格式之間轉(zhuǎn)換。

8．狀態(tài)機(jī)管理模塊。該模塊對ISDN協(xié)議棧模塊對象統(tǒng)一管理，實現(xiàn)各協(xié)議層內(nèi)部狀態(tài)管理和狀態(tài)轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)協(xié)議棧新建／卸載、注冊／注銷協(xié)議層、新建／刪除實體，E1時隙信道進(jìn)行分配和釋放。

9．CAPI設(shè)備文件模塊。該模塊是CAPI系統(tǒng)用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的接口模塊，實現(xiàn)CAPI讀寫、I／O控制、設(shè)備打開關(guān)閉以及設(shè)備輪詢的操作。

10．CAPI分發(fā)調(diào)度核心模塊。該模塊為ISDN應(yīng)用程序接口與ISDN協(xié)議棧之間的分發(fā)調(diào)度層。ISDN協(xié)議棧必須注冊ISDN設(shè)備到CAPI分發(fā)調(diào)度核心模塊，表示協(xié)議棧準(zhǔn)備好為應(yīng)用接口程序提供服務(wù)。應(yīng)用接口程序也會注冊到CAPI分發(fā)調(diào)度核心模塊，表明請求與對應(yīng)的ISDN設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)。CAPI分發(fā)調(diào)度核心模塊會將應(yīng)用程序的注冊信息綁定到一個可以使用ISDN的物理設(shè)備，實現(xiàn)應(yīng)用接口程序和ISDN協(xié)議棧之間雙向信息交互。

11．CAPI庫函數(shù)模塊。該模塊實現(xiàn)CAPI交換消息的內(nèi)存管理和CAPI標(biāo)準(zhǔn)消息接口函數(shù)。

12．異常故障信息處理模塊。該模塊能夠根據(jù)設(shè)備返回的異常狀態(tài)值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范向用戶提供異常原因解釋。

3 系統(tǒng)流程

3．1 系統(tǒng)總體啟動流程

系統(tǒng)啟動首先加載內(nèi)核協(xié)議棧，配置合理化系統(tǒng)參數(shù)，啟動用戶接口程序。如協(xié)議棧啟動成功，E1鏈路物理層通信正常，ISDN開啟呼叫監(jiān)聽功能，等待ATP發(fā)起呼叫接入信令后調(diào)用CAPI實現(xiàn)RBC與MSC之間CSD鏈路建立過程。如協(xié)議棧啟動失敗，返回人機(jī)界面，重新進(jìn)行系統(tǒng)配置和協(xié)議棧加載。流程見圖5。

3．2 ISDN系統(tǒng)內(nèi)部呼叫建立和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸流程

CTCS－3級列控系統(tǒng)ATP與RBC車－地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸分為2個階段：①車載ATP發(fā)起主叫呼叫控制，與RBC建立呼叫連接，創(chuàng)建業(yè)務(wù)信道；②車－地雙方在已申請的B通路時隙收發(fā)CTCS－3級列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在這2個階段，ISDN服務(wù)器實現(xiàn)車－地設(shè)備對等層之間信令控制、協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)、速率匹配和業(yè)務(wù)透傳功能。ISDN內(nèi)部呼叫建立流程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)總體啟動流程

圖6 ISDN系統(tǒng)內(nèi)部呼叫建立流程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸流程

首先，由ATP發(fā)出呼叫開始請求信令SET UP到ISDN應(yīng)用接口程序模塊，翻譯為CON NECT＿REQ的標(biāo)準(zhǔn)CAPI消息，經(jīng)CAPI模塊轉(zhuǎn)換為SETUP交給ISDN設(shè)備D通路協(xié)議棧處理；協(xié)議棧按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議回復(fù)SETUP ACK給CAPI協(xié)議棧，經(jīng)CAPI協(xié)議棧發(fā)送給MSC；成功后ATP發(fā)送CONNECT信令建立連接，應(yīng)用接口程序封裝為CAPI標(biāo)準(zhǔn)消息CONNECT＿ACTIVE＿IND，經(jīng)CAPI模塊后還原為CONNECT消息轉(zhuǎn)發(fā)ISDN協(xié)議棧處理；成功后ISDN協(xié)議棧向ATP回復(fù)CONNECT＿ACK。上述流程完成后即建立PRI鏈路D通路連接，并指配數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)B通路時隙。

呼叫建立后，ATP在已指配完成B通路時隙上發(fā)送SABME消息，通過CAPI轉(zhuǎn)換為CONNECT＿B3＿REQ傳輸?shù)絀SDN設(shè)備B通路鏈路層協(xié)議棧處理；成功后回復(fù)UA消息到ATP。此時建立PRI鏈路B通路連接，ATP和RBC之間可以實現(xiàn)CTCS－3級列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)協(xié)議格式由RBC設(shè)備實現(xiàn)，ISDN僅作為透傳通道。

3．3 ISDN系統(tǒng)內(nèi)部呼叫清除流程

CTCS－3級列控系統(tǒng)車載ATP發(fā)起呼叫掛斷時，ISDN內(nèi)部呼叫清除流程如圖7所示。

呼叫清除過程與呼叫建立過程相反，首先B通路通過發(fā)送DISC消息斷開連接，如果對方回復(fù)UA確認(rèn)，則B通路拆鏈完成。其次完成D通路拆鏈過程，由ATP發(fā)出的呼叫清除DISCONNECT信令，按照CAPI協(xié)議翻譯為DISCONNECT＿REQ，經(jīng)CAPI模塊轉(zhuǎn)換為DISCONNEC信令交給ISDN設(shè)備D通路協(xié)議棧Layer3／Layer2／Layer1處理。ISDN協(xié)議棧根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議回復(fù)RELEASE信令給CAPI協(xié)議棧，經(jīng)CAPI協(xié)議棧轉(zhuǎn)發(fā) MSC。成功后ATP發(fā)送RELEASE COMP確認(rèn)D通路鏈路拆除，實現(xiàn)模塊間呼叫清除流程。

圖7 模ISDN系統(tǒng)內(nèi)部呼叫清除流程

4 結(jié)束語

基于CTCS－3級列控系統(tǒng)的嵌入式ISDN服務(wù)器完全自主國產(chǎn)化設(shè)計，能夠無縫匹配既有RBC系統(tǒng)運用，相對傳統(tǒng)ISDN服務(wù)器來說具有強大故障診斷能力，可以準(zhǔn)確掌握設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)對ISDN卡與MSC之間的2Mb／s線纜在ISDN端斷開、ISDN卡初始化無法識別、ISDN服務(wù)器與RBC通信中斷等異常情況自我診斷，強化CTCS－3級列控系統(tǒng)降級分析能力。

［1］ 中華人民共和國郵電部．YDN 034．1－1997．ISDN用戶－網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范No．1物理層技術(shù)規(guī)范［S］．1997．

［2］ 中華人民共和國郵電部．YDN 034．1－1997．ISDN用戶－網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范 No．2數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范［S］．1997．

［3］ 中華人民共和國郵電部．YDN 034．1－1997．ISDN 用戶－網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范第3部分：第三層基本呼叫控制技術(shù)規(guī)范［S］．1997．

［4］ 王國光，唐世軍，孟令韜．CCS系統(tǒng)中ISDN服務(wù)器的實現(xiàn)［J］．鐵道通信信號 ．2014（4）：81．

［5］ 郭媛忠．CTCS－3級列車運行控制系統(tǒng)無線超時故障分析［J］．鐵道通信信號 ．2014（7）：73．