鐵路毫米波差異化接入ICT融合信息傳輸平臺的研究

朱 巖 戚建淮 周 杰 崔 宸 杜玲禧

(1.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100000；2.深圳市永達電子信息股份有限公司，廣東 深圳 518055)

1 引言

隨著5G技術[1,2]的發展，各行各業間的交互逐漸增多，推動著技術間的交流和融合。自上世紀末開始，信息技術（Information Technology,IT）與通信技術（Communication Technology,CT）也朝著相互融合的方向發展，由此出現了一種新的技術發展方向——信息與通信技術（Information and Communications technology,ICT）融合[3,4]。ICT融合作為一個涵蓋性的術語，其包含了所有通信設備以及相關的各種服務和應用軟件。眾多學者對ICT技術進行了研究，夏新宇等[5]對配網通信網ICT測試平臺進行了設計與探討；蘇悅娟等人[6]對汽車ICT信息服務平臺進行分析，構建了一個汽車后時代ICT信息服務平臺；林滸等[7]分析了傳統通信系統的不足，并設計出一種新的基于軟總線的ICT融合通信服務體系結構；吳志明等[8]提出一種新型的電信運營商ICT服務技術架構，并闡述了架構可實現的應用服務場景。雖然ICT技術的應用十分廣泛，然而當前并沒有應用此技術于鐵路信息傳輸的詳細設計。

本文計劃設計一種應用于鐵路信息傳輸的ICT融合的信息傳輸平臺[9,10]，以期該平臺能切實解決鐵路實時通信、數據存儲、信息共享等問題，滿足不同場景下列車無線通信需求。

2 平臺設計

目前適用于鐵路的各個應用平臺間相互獨立，沒有形成統一的標準，使得各平臺間的交互存在困難[11]。當前的鐵路信息系統難以實現信息共享，無法對信息進行及時變更和調整，造成信息報告延遲。為了切實解決現有車地無線通信技術的傳輸帶寬瓶頸、后臺算力不足、無法及時對數據進行實時分析與處理等問題。我們利用Python語言設計了一個能實現鐵路毫米波差異化接入的ICT融合信息傳輸平臺，該平臺分別由操作層、云端層、通信支持層和終端執行層組成，具體的架構如圖1所示。

圖1 基于毫米波的ICT融合信息傳輸平臺架構圖

（1）操作層主要包含前端控制平臺，設計了三類接口：云接口(cloud_interfaces())、通信接口(com_interfaces())、終端接口(client_interfaces())，三類接口分別對應云端層、通信支持層、終端執行層。操作層的功能類具體實現如下：

class Operate:#定義操作層的功能類

def cloud_interfaces()#定義云接口實現函數

def com_interfaces()#定義通信接口實現函數

def client_interfaces()#定義終端接口實現函數

（2）云端層作為平臺的核心層，包含通信系統、智能引擎、列車車載大數據等模塊。其中，通信系統包含的web ser-vice和web socket端口主要用來和操作層連接。車載大數據模塊承載著列車各類大數據，包含各類實時/非實時、安全/非安全的車地傳輸數據，如：調度命令數據、乘務管理信息數據、列控動態檢測數據、故障記錄/歷史統計數據等。搭載的智能引擎模塊搭載的先進IT、CT技術能選擇最優算法為數據分配計算資源進行處理。云端層的功能類具體實現如下：

class Cloud:#定義云端層的功能類

def Communication()#定義通信系統實現函數

def Intelligent_engine()#定義智能引擎實現函數

def IB_data_analysis()#定義列車車載大數據實現函數

（3）通信支持層利用軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN)高速交換機簡化網絡管理、部署和操作，保障了數據交換過程的信息安全。網絡功能虛擬(Network Functions Virtualization,NFV)技術為網絡提供更好的伸縮性和自動化能力，進一步使得基礎設施利用率得到有效提升。利用大規模天線陣技術增加毫米波通信的覆蓋范圍。通過Q波段、V波段、E波段毫米波，為實現多種無線方式選擇與差異化接入提供支持。通信支持層的功能類具體實現如下：

class Com_help:#定義通信支持類

def NFV()#定義網絡功能虛擬化實現函數

def SDN()#定義軟件自定義實現函數

def HDLC()#定義高級數據鏈路控制實現函數

（4）終端執行層主要包含物理終端模塊和CRH2仿真模塊。其中，物理終端包含列車行駛、調度、數據存儲、數據分析、大算力支持的各類硬件。列車作為最終的交互目標，利用多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus,MVB)實現車輛內部的設備信息傳輸與控制；絞線式列車總線(Wire Train Bus,WTB)實現各車輛間的通信。通信層的功能類具體實現如下：

class terminal_execution:#定義終端執行類

def PT_Access_Control()#定義物理終端接入控制實現函數

def CHR2()#定義CHR2仿真實現函數

該平臺的四層架構，解決了傳統鐵路信息系統功能單一，各平臺間難以交互的問題，理論上能實現多場景下的差異化無線接入的需求。

3 平臺實現

該平臺能實現差異化無線傳輸、智慧調度、實時通信、可靠傳輸等功能，本節內容對毫米波差異化接入具體方式進行闡述。首先判斷操作用戶類型，根據（遠程、當地、站點）三種不同的用戶類型分別采取如下三種方式進行調度。具體調度過程如下：

#遠程調度過程實現

if connect_fs==“yc”:

OP=Operate()#將操作層類實例化

OP.cloud_interfaces()#初始化操作層與云端層通信接口

CL=Cloud()#將云端層的功能類實例化

CL.Communication()#建立操作層與云端通信聯系

Cum=Com_help()#將通信支持類實例化

Cum.NFV()#將網絡功能虛擬化

Cum.SDN()#將虛擬化的網絡進行控制

Cum.HDLC()#選擇最優的鏈路建立通信

CC=terminal_execution()#將終端執行類實例化

CC.PT_Access_Control()#對終端進行物理控制

#當地鐵路局調度過程實現

elif connect_fs==“bd”：

OP=Operate()#將操作層類實例化

OP.cloud_interfaces()#初始化操作層與云端層通信接口

Cum=Com_help()#將通信支持類實例化

Cum.NFV()#將網絡功能虛擬化

Cum.SDN()#將虛擬化的網絡進行控制

Cum.HDLC()#選擇最優的鏈路建立通信

CC=terminal_execution()#將終端執行類實例化

CC.PT_Access_Control()#對終端進行物理控制

#站點調度過程實現

else：

OP=Operate()#將操作層類實例化

OP.terminal_execution()#初始化操作層與云端層通信接口

CC=terminal_execution()#將終端執行類實例化

CC.PT_Access_Control()#對終端進行物理控制

4 平臺功能

基于ICT融合技術，將通信、安全、數據存儲等技術結合起來，共同組成了ICT融合的信息傳輸平臺，每層具有如下功能：

（1）操作層能根據不同場景（遠程/本地/站點）選擇不同的接口對列車進行遠程調度指揮，以此實現差異化無線接入功能。具體地，a.其他異地鐵路局可以通過遠程操控，從操作層的前端控制平臺，利用web service和web socket，經云接口通過操作層——云端層——通信支持層——終端執行層對列車進行調度以及數據的傳輸、處理；b.當地鐵路局可以選擇上述方式，也可以利用通信接口通過操作層——通信支持層——終端執行層對列車進行調度與數據傳輸；c.具體到站點可以利用終端接口直接通過操作層——終端執行層進行調度與數據傳輸。操作層除了可以發布調度命令，還能從云端/終端/各站點獲取和處理數據。

（2）云端層能對大量數據進行存儲，并實現諸如調度優化、算法加速、任務規劃、數據分析等功能。計算過程基于MapReduce思想，首先將計算任務智能劃分成多個子任務，然后對同類子任務進行堆疊，再將不同類型的堆疊結果進行匯總，最終得到總計算結果。基于此，智能引擎通過分布式并行處理提高了算力，節省了計算資源，加快了計算速度。

（3）通信支持層利用不同波段的毫米波，為差異化無線接入提供了支撐。具體地，車站利用Q波段接入后方指揮中心，并將公網作為毫米波擴容頻段。列車搭載V波段與E波段毫米波設備，在運行過程中進行混合通信。V波段進行調度指令等安全數據的傳輸，E波段進行大量非安全數據的傳輸，保障列車在高速行駛情況下的高可靠性、高連通率、高傳輸質量地通信，進一步實現實時監測、實時預警，以及列車車載大數據監測功能。

（4）終端執行層使得列車可以執行來自各級用戶（遠程/本地/站點）的調度命令，同時實現差異化的數據上傳方式。具體地，a.將實時數據通過通信支持層上行發送到云端；b.將實時數據通過通信支持層發送到本地，本地再通過公網上傳至云端；c.將大量非實時數據發送至停靠車站，車站再利用公網將數據上傳到云端。終端搭載仿真模塊，使用者能利用ADAMS、Rail等仿真軟件，通過參數設置對CHR2型高速動車組進行建模仿真，方便高效。

本文設計的ICT融合的信息傳輸平臺，解決了傳統鐵路信息系統功能單一、各平臺間難以交互的問題，理論上實現了多場景下的差異化無線接入、列車調度、信息傳輸與融合以及數據分析等功能。

5 測試

對于該平臺的實現，關鍵在于車地大容量通信的可行性，測試組按表1參數設定開展了一系列測試，本章以成都和石家莊的測試結果為例進行闡述。

表1 車地無線通信參數表

（1）成都測試組采用60km/h（最高限速）運行速率進行測試，測試的技術指標如表2所示。

表2 不同距離下的通信速率

由于現場有大量的車輛在行駛，對測試的結果產生很大的影響，但測試過程中的數據結果表明其峰值能夠超過7.0Gbps。

（2）石家莊測試組進行的車地實驗測試結果如圖2所示。

圖2 石家莊機務段測試

測試過程的數據結果表明車地大容量通信的均值傳輸速率超過了5Gbps，峰值速率超過7.0Gbps。

綜上，平臺采用的基于適應移動的特殊幀結構、自適應調制/解調，高效可靠的LDPC編碼、縫隙天線等技術集成的E波段毫米波通信設備構建車地大容量轉儲物理通道，支持作用距離超過2000米的通信距離，支持超過60km/h秒級快速接入，實現無線寬帶接入在正線峰值超過5Gbps的通信速率，在貨場峰值速率超過2.0Gbps，實現移動下的大容量毫米波通信傳輸。因此，本文鐵路毫米波差異化接入ICT融合信息傳輸平臺架構設計是合理可行的，未來的研究方向將在實際使用過程中對平臺架構進行進一步優化，使得架構更加完備，功能更加穩定可靠。

6 結語

本文提出了一種鐵路毫米波差異化接入ICT融合信息傳輸平臺，首先對平臺的四層架構進行了設計；接著對平臺各層可實現的功能，如：多場景多方式的差異化無線傳輸、智慧調度、實時通信、可靠傳輸等進行了詳細闡述；最后對平臺實現的關鍵點車地大容量通信開展了測試，驗證了平臺的可行性。該平臺能達成各層級、各模塊間的互聯互通；實現列車多場景多方式的差異化無線傳輸、智慧調度、實時通信、可靠傳輸等功能；促進鐵路5G信息傳輸平臺的結構以及功能優化，并進一步推動ICT融合技術的發展。