兼容GSM-R和5G-R互聯互通的列控系統無線通信方案研究

王建敏

(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工程技術研究中心，北京 100070)

目 前， 基 于 GSM for Railways（GSM-R）的CTCS-3級列車運行控制系統，在速度300～350 km/h客運專線上得到廣泛應用。GSM-R作為鐵路專用全球移動通信系統，對我國鐵路事業的安全高效運營發揮了至關重要的作用。但是，GSM-R網絡采用電路交換方式，即使補充上通用分組無線服 務（General Packet Radio Service，GPRS）后，數據業務的承載能力仍然有限。隨著鐵路事業的不斷發展，GSM-R低速率、高時延的缺點已逐漸不能滿足鐵路日益增長的業務需求。

在下一代鐵路列控系統中，5G for Railways（5G-R）將替代現有的GSM-R作為車地通信系統。5G具有大帶寬、大連接、低時延等優勢，可實現人與物、物與物的泛在互聯，是支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施。

在5G-R承載CTCS-3級列控系統車地信息傳輸方面，列控業務對5G-R系統的技術指標需求、系統架構、接口需求、車地傳輸協議和安全保障機制等，與GSM-R系統均存在較大差異。本文從基于5G-R的車地無線通信方案出發，提出兼容GSM-R和5G-R互聯互通的列控系統無線通信傳輸方案，并對基于GSM-R和5G-R雙網融合的RBC移交場景進行了詳細描述。

1 無線通信在列控系統中的應用

CTCS-3級列控系統包含地面設備和車載設備，車載設備通過無線網絡與RBC進行消息雙向傳輸，包括注冊到網絡、建立通信會話、維持通信會話、終止通信會話、無線消息的發送和接收等應用場景。車載設備通過無線網絡向RBC報告列車位置，RBC通過無線網絡向車載設備發送行車許可等信息，車載設備根據行車許可監控列車運行，保證行車安全。

CTCS-3級列控系統車地通信原理如圖1所示。BTS、BSC、ISDN服務器為GSM-R網絡通信設備，BTS和BSC屬于基站子系統。BTS是基站收發信機，主要負責無線傳輸。BSC是與交換機相連的基站控制器，主要負責控制和管理。BTS在網絡的固定部分和無線部分之間提供中繼，移動用戶通過空中接口與BTS相連。BTS包括收發信機和天線，以及無線接口有關的信號處理電路等，也可以看作是一個復雜的無線解調器。ISDN服務器作為地面服務器的一部分，是GSM-R網絡傳輸的終端設備，為車地通信在普通電話線上提供數字信號轉送和接收功能，是GSM-R網絡側程控交換機和RBC服務器之間的接口設備。

車載設備發送的消息，通過有線傳輸到達車載電臺，車載電臺通過無線網絡發出車載消息，經過BTS、BSC、TRAU和移動交換中心，到達ISDN服務器，ISDN服務器將收到的車載消息通過有線傳輸方式發送給RBC。同理，需要發送給車載設備的RBC消息沿著相反方向通過相同路徑到達車載設備。

圖1 CTCS-3級列控系統車地通信原理圖Fig.1 Schematic diagram of CTCS-3 train-trackside communication

2 雙網融合車地安全通信系統結構

2.1 雙網融合分層結構

兼容GSM-R和5G-R互聯互通的車地安全通信分層結構如圖2所示，主要由應用層（包括車載應用和地面應用）、安全層、數據傳輸協議棧、GSM-R/5G-R網絡構成。

圖2 車地安全通信分層結構Fig.2 Layered structure of train-trackside safety communication

在CTCS-3級車載設備的啟動過程中，或從地面收到建立通信會話命令，或車載設備控車模式發生改變，或列車走出無線盲區等場景下，車載設備都會主動發起建立通信會話過程，在車載應用和地面應用之間建立通信連接，即應用層建立連接。

在車地通信會話已建立的情況下，如果從地面收到結束通信會話命令，或通信故障導致需要結束通信會話，或司機關閉駕駛臺等場景下，車載設備將發起結束通信會話過程，斷開車載應用與地面應用之間的通信連接，即應用層斷開連接。

由于車載應用與地面應用之間數據傳輸需要通過無線網絡傳輸，屬于開放網絡，數據容易被第三方獲取，造成安全隱患。安全層具有的加密和解密功能，對應用層數據進行加密或解密，保證車地數據的安全性，防止第三方獲取真實的車地應用數據。

數據傳輸協議棧負責為車地提供無線通信服務，包括建立車地通信、傳輸車地數據、斷開車地連接，同時保證車地數據傳輸的可靠性。數據傳輸協議棧內部又分為傳輸層、網絡層、數據鏈路層及電臺控制模塊。電臺控制模塊負責控制電臺注冊網絡，利用電臺進行撥號上網。

車載設備與地面設備建立和斷開連接的過程為：車載設備數據傳輸協議棧的各層協議與地面設備數據傳輸協議棧的各層協議建立連接。數據傳輸協議棧建立連接成功后，安全層建立連接，最后由車載應用和地面應用在應用層面建立連接。車地應用建立連接后，開始交互車地應用數據，在需要斷開時由車地應用發送斷開命令。

2.2 雙網融合傳輸結構

兼容GSM-R和5G-R互聯互通的車地安全通信傳輸結構如圖3所示。其中RTU（Radio Transmission Unit）是車載無線傳輸單元，通過2個RS-422接口分別與雙模電臺MT1和MT2連接。雙模電臺是指同時支持GSM-R和5G-R網絡的電臺，雙模電臺連接同時支持GSM-R和5G-R頻段的天線。

車載設備通過地面設備獲取網絡切換的命令，根據切換命令由RTU控制雙模電臺與地面RBC建立GSM-R或者5G-R網絡連接，雙模電臺內部的控制板根據RTU的控制命令決定使用GSM-R通道或者5G-R通道。

3 數據傳輸方式

3.1 5G-R網絡數據傳輸方式

5G-R模式下，車載設備與RBC的數據傳輸結構如圖4所示。其中連接管理是RTU的應用部分，負責整個協議棧的調度工作，以及GSM-R和5G-R的切換工作。

安全層保證車地數據的安全通信。ALE層負責管理不同的連接，并且支持在5G-R網絡下相鄰RBC切換時，同時與2個RBC連接。RTU內置輕量 IP協議棧（Light Weight IP，LWIP協議棧），包括傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP層）、網絡互連協議（Internet Protocol，IP層）和點對點協議（Point-to-Point Protocol，PPP層），支持TCP/IP協議，以及數據鏈路層的PPP協議。RTU 的物理層負責RS-422接口數據的接收和發送工作。

圖3 車地安全通信傳輸結構Fig.3 Transmission structure of train-trackside safety communication

圖4 5G-R網絡車地安全通信數據傳輸方式Fig.4 Data transmission mode of train-trackside safety communication of 5G-R network

地面RBC設備分為支持GSM-R網絡的RBC和支持5G-R網絡的RBC，其中支持GSM-R網絡的RBC采用的是現有方案，支持5G-R的RBC以有線的方式接入5G-R網絡，該RBC支持與車載設備同樣的對等協議。5G-R的無線網絡信號通過支持5G-R的基站轉為有線網絡信號，經過網關傳輸車地數據。

發起5G-R網絡連接的過程為：車載設備從地面設備收到呼叫命令，車載RTU通過預定的AT指令讓雙模電臺從命令模式轉為數據模式。雙模電臺轉入數據模式后，RTU發起PPP連接，PPP連接成功后雙模電臺成為數據透傳設備，并將從網絡側獲取的本地IP經PPP鏈路發給RTU。隨后雙模電臺將轉發RTU發出的TCP握手包，與對應IP的RBC建立TCP連接，后續建立安全層及應用層的連接。連接成功后，如果收到車載設備或者RBC應用的斷開請求，RTU執行斷開流程。

車載設備可同時支持GSM-R網絡與5G-R網絡，在GSM-R覆蓋線路，車載設備通過GSM-R網絡與接入GSM-R網絡的RBC建立連接，在5G-R覆蓋線路，車載設備通過5G-R網絡與接入5G-R網絡的RBC建立連接。

圖5 GSM-R網絡車地安全通信數據傳輸方式Fig.5 Data transmission mode of train-trackside safety communication of GSM-R network

3.2 GSM-R網絡數據傳輸方式

GSM-R模式下，車載設備與RBC的數據傳輸結構如圖5所示。主要結構與5G-R網絡相似，區別在于利用GSM-R網絡傳輸數據時，不使用ALE和LWIP，利用符合歐標Subset-037規范的協議進行數據傳輸，包括傳輸層（T層）、網絡層（N層）、數據鏈路層（DL層）和Modem模塊，地面RBC支持同樣的協議，通過對等協議實現車地數據的傳輸。

4 典型應用場景

4.1 5G-R線路的RBC移交

在5G-R線路上執行RBC移交時，RTU通過一個雙模電臺與移交RBC保持TCP連接，車載設備從地面設備獲取到接收RBC的IP地址，將呼叫信息發送給RTU，RTU控制另一個未連接的雙模電臺通過5G-R網絡與接收RBC建立TCP連接，與接收RBC建立連接后。列車越過RBC邊界后，車載設備斷開與移交RBC的連接。

4.2 5G-R線路的RBC向GSM-R線路的RBC移交

5G-R線路的RBC向GSM-R線路的RBC移交時，RTU通過一個雙模電臺與移交RBC保持TCP連接，車載設備從地面設備獲取到接收RBC的電話號碼，將呼叫信息發送給RTU，RTU控制另一個未連接的雙模電臺通過GSM-R網絡與接收RBC建立CSD連接。列車越過RBC邊界后，車載設備斷開與移交RBC的連接。

4.3 GSM-R線路的RBC向5G-R線路的RBC移交

GSM-R線路的RBC向5G-R線路的RBC移交時，RTU通過一個雙模電臺與移交RBC保持CSD連接，車載設備從地面應答器獲取到接收RBC的IP地址，將呼叫信息發送給RTU，RTU控制另一個未連接的雙模電臺通過5G-R網絡與接收RBC建立TCP連接。列車越過RBC邊界后，車載設備斷開與移交RBC的連接。

5 總結

本文提出列控系統可同時支持5G-R和GSM-R網絡的通信方案，實現雙網共存階段CTCS-3列控業務的雙網共同承載，為CTCS-3列控系統由GSM-R網絡向5G-R網絡的過渡提供了可行的解決方案。通過2個雙模電臺的設置，可以實現車載設備在任意兩種網絡的相鄰RBC之間的網絡切換，滿足5G-R網絡和GSM-R網絡承載C3列控業務的需求。

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