支持電路域與分組域的車載通信技術研究

謝和歡

（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，國內高速鐵路列車主要采用GSM-R 通信系統實現車地間無線數據傳輸，車地數據交換最初僅基于傳統的電路域進行。2015 年，歐盟發布了歐洲列車控制系基線三版本ETCS B3R2，ECTS 無線數據傳輸在既有電路域交換的基礎上增加了通用無線分組業務（GPRS）方式。GPRS 是一種基于GSM 系統的無線分組交換技術，屬于GSM 網絡中的分組域，提供端到端的廣域無線IP 連接。國內面向西部地區推出的新型列控系統車地通信也采用GPRS 網絡作為車地數據傳輸平臺。

隨著無線通信技術的進一步發展，低時延、高速率、網絡結構簡化成為移動通信系統的新目標，全IP 移動通信網絡成為必然，到了LTE 和5G 技術時代，只保留分組交換域進行數據傳輸，不再有單獨的電路交換域。當前鐵路數字移動通信系統由2G 技術向5G 技術發展的目標已經明確，原來的只支持電路域通信的車載通信設備由于本身的局限性已經不能適應這種變化趨勢，需要增加對分組域通信的支持。因此迫切需要一種既能支持電路域通信又能支持分組域通信的車載通信設備，以適應高鐵車地通信需求的變化。

1 電路域與分組域通信概述

電路交換域（Circuit Switching Domain，CS）和分組交換域（Packet Switching Domain，PS）是針對無線通信系統核心網部分而言的，兩者的不同在于數據交換方式。兩種通信模式的差異如下。

1）電路域交換：通過在發送端和接收端之間建立一條被雙方獨占的電路連接，并保持到通信結束的一種交換方式，連接不能統計復用。

2）分組域交換：通過標有地址的分組進行路由選擇傳送數據，使信道僅在傳送分組期間被占用的一種交換方式。

分組交換采用存儲轉發傳輸方式，加速了數據在網絡中的傳輸、簡化存儲管理、減少出錯幾率，提高了數據交換效率。因此從提高整個網絡信道利用率的角度來看，分組交換優于電路交換，尤其適合于終端間突發式的數據通信。

2 列控系統車地安全通信參考模型

列控系統車地通信網絡是基于開放式傳輸系統的安全通信系統，使用分層的參考模型結構。它從上到下包括應用層、安全層、無線通信層（由傳輸層、網絡層、鏈路層構成）和物理層，如圖1 所示。模型中高一層使用下一層提供的服務傳輸數據。其中，應用層由車載應用程序和地面設備應用程序組成，負責生成和處理列控業務無線信息。安全層由安全功能模塊(Safe Functional Module，SFM)構成，提供安全連接的建立和釋放以及業務數據的安全傳輸服務。無線通信層由通信功能模塊(Communication Functional Module，CFM)構成，提供通信連接的建立和釋放服務以及透明可靠的無線數據傳輸服務。

圖1 列控系統無線通信網絡參考模型Fig.1 Reference model of train control system wireless communication network

3 車載無線通信系統

車載無線通信系統主要包括無線傳輸單元（RTU）和車載電臺（MT）。RTU 主要由通信功能模塊（負責無線數據傳輸協議棧的處理）、對外接口模塊（負責和主機及電臺接口）以及電臺控制模塊（負責與電臺AT 指令交互和數據收發）構成。電臺負責附著并注冊到列控無線通信網絡，按照空口無線協議棧處理收發數據，為RTU 提供實際的數據傳輸服務。

為同時支持電路域和分組域數據傳輸，RTU 必須并行支持兩種通信制式的協議棧，如圖2 所示。CS 域中，車載和地面設備采用既有電路交換域協議棧管理車地通信連接，列控業務數據由X.224、T.70 以及 HDLC 協議進行端到端數據傳輸和校驗。PS 域中，車載和地面設備采用分組交換域協議棧管理車地通信連接，列控業務數據由TCP /IP 協議和PPP 協議進行端到端傳輸和校驗。

圖2 車載電路域和分組域無線通信協議棧Fig.2 Onboard Wireless communication protocol stack in CS domain and PS domain

4 車載電路域通信原理和過程

4.1 基本原理

在電路域通信中，車載要發送的應用數據首先通過安全層處理和封裝后形成安全層協議數據單元（SaPDU），然后由傳輸層封裝處理后形成傳輸層協議數據單元（TPDU），接著通過網絡層分包處理后形成網絡層協議數據單元（NPDU），最后封裝在HDLC 幀中被車載無線傳輸單元發往電臺，再由電臺經過無線協議棧處理后發送到空口，經過支持電路域的無線通信系統最后抵達目標地面設備。接收數據過程則是上述過程的反向解包過程。各協議數據單元之間的關系如圖3 所示。

圖3 車載電路域通信各協議數據單元關系Fig.3 Relation diagram of PDUs of onboard CS domain

4.2 安全通信鏈路建立過程

當車載主機需要和某個地面設備建立電路域安全通信連接時，應分別建立安全層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層的連接。每個上層連接的建立都應該建立在底層連接已完成的基礎上。

車載應用程序需要和某個地面設備通信時，首先向安全層請求與該設備建立安全連接。安全層會立即向RTU 請求建立傳輸層連接，各層間的連接請求及確認通過原語的交互進行，如圖4 所示。RTU 的通信功能模塊CFM 中的傳輸層收到該連接請求后要求建立網絡層連接。RTU 如果判斷目標地面設備工作在CS 模式，則首先會向電臺發出撥號指令，以完成物理層連接，隨后會通過和對端鏈路層的SABME 和UA 幀的交互完成鏈路層的建立，于是網絡層連接也隨即建立。然后傳輸層通過CR TPDU（攜帶AU1 SaPDU）和CC TPDU（攜帶AU2 SaPDU）的交互完成傳輸層的建立，如圖5 所示。傳輸層連接建立后，安全層通過繼續交互AU3 SaPDU 和AR SaPDU 完成安全連接的最終建立，并通知車載應用。至此，一條從車載到地面設備的電路域安全鏈路建立起來。

圖4 電路域安全層連接建立原語序列Fig.4 Security layer connection establishment primitive sequence in CS domain

圖5 電路域傳輸層往下連接建立原語序列Fig.5 Transport Layer and below connection establishment primitive sequence in CS domain

4.3 車地數據交換過程

車載和地面設備通信交互的是列控系統無線報文，被車載安全層封裝后的無線報文通過T-DATA.req 原語送到RTU 的傳輸層，再經過網絡層分包和鏈路層封包后發往電臺并最終經過無線通信網到達地面設備。而數據反向傳輸過程則是上述過程的逆過程，如圖6 所示。

圖6 電路域數據傳輸原語序列Fig.6 Data transmission primitive sequence in CS domain

4.4 安全通信鏈路拆除過程

在完成車地通信后，車載應用程序要求斷開安全連接，安全層隨即向RTU 請求斷開傳輸層連接。然后車載與地面設備的傳輸層通過交互斷開過程的協議數據單元完成傳輸層的斷開。接著傳輸層要求網絡層斷開并關閉自身。網絡層收到斷開請求后，首先要求斷開鏈路層。車載的鏈路層與地面設備鏈路層通過交互DISC 幀和UA 幀完成鏈路層斷開并通知網絡層。然后網絡層要求物理層斷開，隨即電臺被掛斷，至此，車地通信鏈路被完全拆除，如圖7 所示。

圖7 車載電路域通信鏈路拆除原語序列Fig.7 Communication link removal primitive sequence in onboard CS domain

5 車載分組域通信原理和過程

5.1 基本原理

在分組域通信中，車載要發送的應用數據首先通過安全層處理和封裝后，形成SaPDU，再由適配層（Adaptation Layer Entity，ALE)封裝處理后形成ALE 包（ALEPKT），最后通過TCP/IP 協議以及PPP 協議處理后發往電臺，電臺把數據經過無線協議棧處理后發送到空口，經過支持分組域的無線通信系統最后抵達目標地面設備。接收數據過程則是上述過程的反向解包過程。相比車載電路域通信，分組域通信協議棧中新增了ALE 層，其作用一是進行冗余管理，執行TCP/IP 連接的建立、關閉和維護任務；二是在面向字節流的TCP 協議上傳送消息數據包。各協議數據單元之間的關系如圖8 所示。

圖8 車載分組域通信各協議數據單元關系Fig.8 Relation diagram of PDUs of onboard PS domain

5.2 安全通信鏈路建立過程

車載主機需要和某個地面設備建立分組域通信連接時，RTU 同樣會收到建立連接傳輸層請求的原語，RTU 如果判斷目標地面設備為PS 模式，而且電臺已經為PS 通信做好準備（已附著在GPRS 或5G-R 網絡，PDP 上下文已激活等），會首先通過AT 指令命令電臺進入數據狀態。然后和電臺協商建立PPP 鏈接。PPP 鏈路建立后，電臺會給RTU分配IP 地址和DNS 地址。隨后，RTU 嘗試從地面DNS 服務器查詢目標地面設備的IP 地址，若能成功獲取到IP 地址，則開始發起和目標設備的TCP連接過程。連接建立后，車載安全層和地面設備安全層之間將進行安全協議數據單元的交互過程來完成安全通信鏈路的建立，如圖9 所示。

5.3 車地數據交換過程

車載主機要發往地面設備的無線報文首先被安全層封裝處理成DT SaPDU 送到RTU，由RTU 的ALE 層處理后封裝成DT ALEPKT 后，通過TCP/IP 連接經由車載電臺發往地面設備。其中，IP 包送到電臺的過程需要PPP 協議的支持。車載接收無線報文的過程是上述過程的逆過程，如圖10 所示。

圖10 車載分組域通信數據傳輸原語序列Fig.10 Primitive sequence for data transmission in onboard PS domain

5.4 安全通信鏈路拆除過程

應用層會話結束后，車載應用程序請求安全層斷開連接，安全層則向RTU 請求斷開傳輸連接，并隨即斷開自身的連接。隨后，車載無線傳輸單元ALE 層將安全層斷開請求通過TCP 連接發送給地面設備，接著RTU 關閉與地面設備的TCP 連接，并釋放和電臺的PPP 連接。至此，車載和地面設備的安全通信鏈路得以完全拆除，如圖11 所示。

圖11 車載電路域通信鏈路拆除原語序列Fig.11 Communication link removal primitive sequence in onboard PS domain

6 車載無線傳輸單元基本設計

車載無線傳輸單元是一種嵌入式系統，為車載提供車地無線通信支持。硬件系統包括處理器、存儲器、I/O 接口、通信模塊等；軟件系統則包括操作系統、相應的硬件驅動、固件和必要的軟件運行環境、協議棧支持以及應用軟件，如圖12 所示。

圖12 車載無線傳輸單元軟件系統結構Fig.12 Software system structure diagram of RTU

6.1 操作系統選擇

無線傳輸單元通常采用嵌入式操作系統，操作系統負責系統的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協調并發活動，且必須體現其所在系統的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。例如，中國鐵路通信信號股份有限公司（以下簡稱中國通號）的400T 車載采用μC/OS-II 系統，就是一種小型實時搶占式的多任務操作系統內核，可以滿足較高的實時性要求。中國通號的深度自主化車載系統則采用了完全自主化的實時操作系統SylixOS， 它是一個嵌入式實開源操作系統，具有卓越的實時性和可靠性，可為車載應用提供豐富的功能。

6.2 TCP/IP協議棧支持

TCP/IP 協議是規范不同主機之間進行通信的一系列協議，其中涉及到數據的封裝、傳輸、尋址等一系列內容，是事實上的網絡標準。它包括網絡層和傳輸層。其中，網絡層負責封裝處理數據包并運行必要的路由算法，以跨網絡邊界傳輸數據包；傳輸協議在主機之間提供通信會話。TCP 和UDP 協議在協議棧的傳輸層，而IP 協議則屬于協議棧的網絡層。

車載無線傳輸單元為嵌入式設備，由于資源受限，通常系統本身并不支持TCP/IP 協議棧，例如μC/OS-II 系統就不支持該協議棧。在電路域通信時，并不需要用到TCP/IP 協議棧，沒有影響。但在分組域通信時，TCP/IP 協議棧是必需的。車載無線傳輸單元中的TCP/IP 協議棧負責建立傳輸連接來為車載和地面設備提供端到端傳輸數據服務。所以在車載無線傳輸單元添加對TCP/IP 協議棧的支持是讓其具備分組域通信能力的關鍵之一。

6.3 PPP協議支持

車載要接入分組域網絡，具備分組域通信能力，除了增加TCP/IP 協議棧支持外，還必須在車載無線傳輸單元中新增對PPP 協議的支持，這是讓其具備分組域通信能力的另一個關鍵技術。PPP 協議是應用最廣泛的數據鏈路層協議，支持在各種物理類型的點到點串行線路上傳輸網絡層協議報文。撥號入網普遍采用PPP 協議。PPP 協議主要包括鏈路控制協議（Link Control Protocol，LCP）和網絡控制協議（Network Control Protocol，NCP）。其中，LCP是PPP 協議的一個子集，用來配置和測試數據通信鏈路，協商PPP 協議的一些配置參數選項，以適應各種復雜多變的網絡環境；NCP 則包括一族網絡控制協議，其中提供給TCP/IP 網絡使用的是IPCP 網絡控制協議。NCP 參數配置協商的主要目的是獲得通信雙方的網絡層地址，就車載無線傳輸單元而言是讓其獲得IP 地址。為最大限度地降低無線傳輸單元對于特定操作系統的依賴性，提高系統靈活性，可以在無線傳輸單元中建立獨立于特定操作系統的PPP協議棧。

6.4 和車載主機通信接口設計

車載主機與車載無線傳輸單元通過串行總線協議通信，連接協議（LinkProtocol，LP）位于串行總線協議之上，為內部安全通信協議，采用特定的幀結構設計。此外，LP 協議還設計了各種定時器，用于主機和車載無線傳輸單元的通信同步、生命信號監控等，為車載主機應用提供一個安全通信接口。LP 為各車載廠家私有協議，不再詳述。

6.5 和電臺接口設計

車載無線傳輸單元與電臺之間的物理接口遵循既有的IGSM-R接口標準，波特率可根據需要設置，8位數據位，1 位停止位，無奇偶校驗。所需的信號線如表1 所示。

表1 接口串行通信信號線定義Tab.1 Def inition of interface serial communication signal lines

在電臺處于命令狀態時，車載無線傳輸單元與電臺之間通過AT 指令交互來控制電臺的行為。在電臺撥號成功進入數據狀態后，車載無線傳輸單元與電臺之間直接通過數據交互以進行車地數據傳輸。

6.6 電臺分組域通信準備

根據列控無線通信系統制式的不同，既支持電路域又支持分組域通信的車載無線通信系統應采用對應制式的電臺。就GPRS 通信而言，電臺又分為3 類：A 類電臺具有同時提供GPRS 分組交換和GSM 電路交換承載業務的能力。B 類電臺可以同時附著在GSM 網絡和 GPRS 網絡，但不能同時使用電路交換業務和分組交換業務，只能選用其中一個。C 類電臺要么附著在GSM 網絡，要么附著在 GPRS 網絡，并且只能通過人工的方式進行切換，沒有辦法同時進行兩種操作。為同時支持既有GSM-R 通信和GPRS 通信，車載無線通信系統應采用A 類或B 類電臺。到了5G-R 時代，則應該采用可并行支持GSM-R 通信和5G-R 通信的雙模電臺。

如果車載電臺注冊的GSM-R 小區支持GPRS通信，或注冊在5G-R 小區，車載無線傳輸單元應選擇至少一個電臺執行GPRS 或5G-R 附著過程和PDP 上下文激活過程，為分組域通信做好準備。

6.7 電路域、分組域選擇算法

車載的通信設計采用設備分層通信的原則。車載主機負責應用層和安全層通信，RTU 則負責實際的電路域和分組域通信。車載主機只需知道要與之通信的地面設備的類型和ID，并不關心通信對象具體的通信模式，RTU 自主管理采用何種通信方式與目標地面設備建立通信連接，以交互信息。

RTU 收到車載主機請求建立通信連接的原語后，先從請求連接的原語中獲取車載主機想要連接的地面設備類型和ID，然后查詢自身存儲的地面設備信息表，以期判斷目標地面設備是工作在CS 還是PS 模式。RTU 會根據查詢結果采取不同的應對措施，并啟動相應的處理流程，存在以下3 種情形。

1）根據既有地面設備信息表不能判斷目標地面設備的通信模式，而車載電臺已經準備好PS 通信，RTU 則會開始和電臺協商建立PPP 鏈路。鏈路建立后，電臺會給RTU 分配IP 地址并告知域名系統DNS 的地址。然后RTU 嘗試從地面DNS 查詢目標地面設備的IP 地址。如果能查詢到IP 地址，則更新設備信息表，以記錄該目標地面設備為PS 傳輸模式，并開始和目標地面設備建立TCP/IP 連接，TCP 連接成功后，進入分組交換域傳輸模式，通過分組域來傳輸車地數據。如果車載電臺未準備好PS通信或者PPP 鏈路無法建立或者DNS 回復該地面設備為CS 傳輸模式或DNS 查詢出現錯誤，都將認為目標地面設備處于CS 通信模式。RTU 會通過撥號來發起電路域通信連接過程，連接成功后進入電路交換域傳輸模式，使用電路域來傳輸車地數據。若不成功，則向ATP 主機報告此次連接失敗。

2）根據既有信息表確定目標地面設備為PS 傳輸模式，且車載電臺也準備好PS 通信，則RTU 開始和電臺協商建立PPP 鏈路，嘗試從地面DNS 查詢目標地面設備的IP 地址。如果能查到IP 地址，則開始和目標地面設備建立TCP/IP 連接，TCP 連接成功后進入分組交換域傳輸模式。如果上述任一環節出現錯誤，則直接向ATP 主機報告此次連接失敗，不會嘗試建立CS 通信。

3）根據既有信息表確定目標地面設備為CS傳輸模式，RTU 一方面會通過使用一個電臺撥號來發起電路域通信連接過程，連接成功后進入電路交換域傳輸模式。若連接失敗則直接向ATP 主機報告，等待主機的進一步處理。另一方面RTU 則會嘗試查詢目標地面設備的傳輸模式，先檢查另一個電臺是否處于準備好PS 通信狀態，如果已經準備好則仍然會和電臺協商建立PPP 連接，并嘗試從DNS 查詢目標地面設備的IP 地址，如果能夠查詢到，則會更新設備信息表并記錄該目標地面設備為PS 傳輸模式；如果不能查詢到，則重置和電臺的PPP 連接。上述任一環節出現問題，都會立即結束查詢操作。

7 結束語

電路域通信和分組域通信是兩種重要的列控系統車地通信技術，而同時支持這兩種通信技術的車載無線傳輸單元是新一代車載系統的重要組成部分，為車載系統能適應不同制式無線通信網絡提供了基礎保證。按照本文所述方法研發的車載無線傳輸單元已經應用在中國通號的400T 車載、適用于西部的新型車載、符合基線3 ETCS 標準的歐洲五國車載以及基于國產芯片的深度自主化車載系統中。設備運行穩定可靠，既能滿足車載電路域通信的要求又能滿足車載分組域通信要求，既可以適應既有的GSM-R、GPRS 通信，也可以適應即將到來的5G-R 通信。