基于MVB總線的CTCS-1無線傳輸單元與主控單元的通信方法

孫二敬，吳培棟，張振興

（1．北京全路通信信號研究設(shè)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(shù)研究中心，北京 100070）

1 概述

在實際鐵路運營中，當某條高速客專線的某個站或區(qū)間較短線路存在故障時，高速動車組若可通過普速線繞過故障段，可盡量地減少單點故障對全路運營秩序的影響。為使裝備CTCS-3/2級列控系統(tǒng)的高速動車組能夠從高速客專線轉(zhuǎn)到既有線運行，實現(xiàn)CTCS-2級列控系統(tǒng)的設(shè)備與CTCS-0系統(tǒng)的設(shè)備互聯(lián)互通，提出了CTCS-1級列控系統(tǒng)總體方案。在該方案中，進路數(shù)據(jù)通過400 MHz無線通信從地面設(shè)備廣播發(fā)送至車載設(shè)備，車載設(shè)備通過地面應(yīng)答器完成列車定位，并據(jù)此篩選和使用對應(yīng)的進路數(shù)據(jù)使用。

2 CTCS-1無線傳輸單元的應(yīng)用

為盡可能減少對普速鐵路既有設(shè)備的改造，降低改造成本，CTCS-1級列控系統(tǒng)總體設(shè)計方案采用了地面設(shè)備到車載設(shè)備的單向廣播的無線傳輸方式，地面設(shè)備向無線覆蓋范圍內(nèi)的所有車發(fā)送所有可能的進路數(shù)據(jù)，由車載設(shè)備根據(jù)自己經(jīng)過的地面應(yīng)答器去選擇對應(yīng)的進路數(shù)據(jù)。

CTCS-1級列控系統(tǒng)總體設(shè)計方案中，車載設(shè)備主控單元通過CTCS-1無線傳輸單元接收進路數(shù)據(jù)。由于CTCS-1無線傳輸單元接收到進路數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量很大，無法在較短時間通過MVB總線將所有進路數(shù)據(jù)傳送到主控單元，不滿足數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求，從兩者的交互效率考慮，主控單元僅需要本列車當前進路上的進路數(shù)據(jù)，而不是所有進路數(shù)據(jù)，即對于主控單元來說，類似于CTCS-2等級下通過地面應(yīng)答器組接收進路數(shù)據(jù)。

基于上述需求，CTCS-1無線傳輸單元至少應(yīng)具備以下功能：1）通過400 MHz無線網(wǎng)絡(luò)接收地面設(shè)備發(fā)送的進路數(shù)據(jù)并進行存儲；2）挑選主控單元需要的進路數(shù)據(jù)，將有效的進路數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單元。

3 總體方案

如圖 1所示，CTCS-1無線傳輸單元通過無線接口接收并存儲地面設(shè)備廣播的進路數(shù)據(jù)。根據(jù)主控單元發(fā)送的命令信息，從廣播的進路數(shù)據(jù)中篩選主控單元所需的進路數(shù)據(jù)，并將同一條報文數(shù)據(jù)分割，通過多個MVB端口并行發(fā)送至主控單元。主控單元接收到經(jīng)過篩選的進路數(shù)據(jù)后，據(jù)此進行控車邏輯計算。

圖1 總體方案Fig.1 Overall scheme

3.1 MVB端口定義

端口1至少包含的字段及定義如表 1所示。

表 1 端口1字段定義Tab.1 Field definitions of port 1

端口2至少包含的字段及定義如表 2所示。

表 2 端口2字段定義Tab.2 Field definitions of port 2

端口3～6至少包含的字段及定義如表 3所示。

表 3 端口3～6字段定義Tab.3 Field definitions of port 3-6

3.2 交互過程

CTCS-1無線傳輸單元任務(wù)執(zhí)行周期為T1，即每隔T1讀一次端口1，每隔T1可寫一次端口2～5；主控單元任務(wù)執(zhí)行周期為T2，即每隔T2讀一次端口2～5，每隔T2可寫一次端口1；T1＜T2，即為快的發(fā)送方和慢的接收方，為保證主控單元不會漏讀端口2～5的數(shù)據(jù)，規(guī)定CTCS-1無線傳輸單元更新端口2～5的時間至少應(yīng)為T3，其中T3=m×T1〉T2（m為C1無線傳輸單元任務(wù)周期數(shù))。

基于以上的端口分配，雙方交互工作過程如圖 2所示。

圖2 雙方交互工作過程Fig.2 Working process of mutual interaction

1）CTCS-1無線傳輸單元接收并存儲來自于無線廣播的進路數(shù)據(jù)，存儲形式如表 4所示。

表 4 C1無線傳輸單元進路數(shù)據(jù)存儲形式Tab.4 Route data storage format of C1 radio transmission unit

其中，LRBG表示最近相關(guān)應(yīng)答器組。在CTCS-1級列控系統(tǒng)中，軌旁安裝的每一組應(yīng)答器均可以作為LRBG，進路數(shù)據(jù)即基于此LRBG進行線路數(shù)據(jù)的描述。每個LRBG編號對應(yīng)的進路數(shù)據(jù)均為符合《CTCS-3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則》V2.0規(guī)定的報文結(jié)構(gòu)，每個LRBG編號對應(yīng)的進路數(shù)據(jù)為1～8個長度，為830 bit的報文。

2）列車經(jīng)過某個LRBG時，主控單元通過命令端口將LRBG編號發(fā)送至CTCS-1無線傳輸單元。

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3）CTCS-1無線傳輸單元接收到LRBG編號后，據(jù)此從已存儲的進路數(shù)據(jù)中查找并取出該LRBG編號對應(yīng)的進路數(shù)據(jù)，并每隔T1時間將該進路數(shù)據(jù)的每個830 bit報文按以上MVB端口定義分割填入各個數(shù)據(jù)端口的發(fā)送緩存區(qū)隊列。

每個數(shù)據(jù)端口的發(fā)送緩存區(qū)隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理類似，以端口2為例說明。

如圖 3所示，CTCS-1無線傳輸單元軟件中為每個數(shù)據(jù)端口維護一個發(fā)送緩存區(qū)隊列，該隊列為環(huán)形隊列。隊列長度為N，每個隊列單元存放ID1、ID2和30 bit的報文（端口3～6為200 bit的報文）。設(shè)置3個指針，發(fā)送數(shù)據(jù)指針、寫端口指針和ACK指針，3個指針的作用如下。

圖3 MVB端口發(fā)送緩沖區(qū)隊列Fig.3 MVB port sending buffer queue

1）發(fā)送數(shù)據(jù)指針指向隊尾可用的單元，當有報文需要發(fā)送時，寫入該單元，然后指針移。當發(fā)送數(shù)據(jù)指針+1=ACK指針時，表示隊列滿，無可用單元。

2）寫端口指針指向需寫入MVB端口的單元，CTCS-1無線傳輸單元每隔T3時間從該單元讀出數(shù)據(jù)更新端口2～6。

3）當寫端口指針=發(fā)送數(shù)據(jù)指針時，表示無新數(shù)據(jù)需要寫入端口。

4）ACK指針指向待接收確認的單元，當從端口1讀到待接收確認單元的確認數(shù)據(jù)時，指針后移。當ACK指針=發(fā)送數(shù)據(jù)指針時，表示無數(shù)據(jù)需要接收確認。

5）主控單元監(jiān)測到端口2的ID1字段更新后，將端口數(shù)據(jù)讀出存入對應(yīng)端口的接收緩沖區(qū)隊列，該緩存區(qū)隊列長度與發(fā)送緩存區(qū)隊列長度相同，均為N。

6）主控單元從端口2～6的接收緩存搜索包含期望報文流水號的數(shù)據(jù)，當在端口2～6均可搜索到時，從接收緩沖區(qū)取出，將DATA字段拼成一個完整的830 bit長度的報文。并通過端口1更新ACK2字段值等于ID1。

7）CTCS-1無線傳輸單元檢測到端口1的ACK2字段值為ID1時，認為主控單元已收到發(fā)送流水號為ID1的進路數(shù)據(jù)，后移ACK指針。

3.3 超時重發(fā)

此通信方法支持超時重發(fā)機制。由于端口1～6的更新周期均為固定時間，為防止在固定時間內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收失敗，在CTCS-1無線傳輸單元設(shè)置超時重發(fā)機制，超時容忍時間記為T4。如圖 4所示，假若CTCS-1無線傳輸單元發(fā)送ID1后，開啟計時器，若經(jīng)過T4時間后仍未收到ACK1，CTCS-1無線傳輸單元將重發(fā)ID1，同時重新開啟計時器，超時時間仍為T4，直至收到ACK1。

圖4 超時重發(fā)示意Fig.4 Schematic diagram of timeout retransmission

4 結(jié)語

綜上所述，CTCS-1無線傳輸單元與主控單元以此種通信方法交互，在滿足系統(tǒng)需求的前提下，還具備下述優(yōu)點。

1）主控單元將LRBG編號發(fā)送至CTCS-1無線傳輸單元，CTCS-1無線傳輸單元據(jù)此對進路數(shù)據(jù)進行篩選，并發(fā)送對應(yīng)線路數(shù)據(jù)報文至主控單元，大幅度地減少主控單元與CTCS-1無線傳輸單元之間通信的帶寬成本。

2）CTCS-1無線傳輸單元傳輸830 bit進路數(shù)據(jù)時，將此數(shù)據(jù)分割成5份并分配至5個數(shù)據(jù)端口，并行發(fā)送至主控單元。主控單元通過對報文流水號檢查，將5個MVB端口數(shù)據(jù)重新拼接為完整報文，提高傳輸效率的同時，也避免了報文拼接錯誤的可能。

3）由于交互雙方設(shè)置了收發(fā)緩存，CTCS-1無線傳輸單元可以在收到主控單元的接收確認前，持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了由于主控單元因未收到某個端口或某幾個端口數(shù)據(jù)而造成報文不能“拼齊”導致數(shù)據(jù)丟失的情況。