基于CTCS2+ATO的市域鐵路LTE移動通信業務承載解決方案研究

楊俐，辛怡，胡光祥，傅丹，劉立海

近年來，市域（郊）鐵路憑借其大運量、快速化、公交化的特點，成為綜合交通體系的重要組成部分。通信信號系統在市域鐵路的運輸指揮調度、列控系統車地安全信息傳送、運營維護和應急指揮通信方面發揮著重要作用。由于CTCS2+ATO（簡稱“C2+ATO”）制式的信號系統具有良好的互聯互通特性，在相當一部分市域鐵路工程中得到應用。雖然C2+ATO業務承載有比較完整的技術規范，但其采用的移動通信系統是GSM-R制式，運營方式也是偏向國鐵模式，與市域鐵路要求的公交化運營有一定的差距；而且目前GSM-R系統主要用于高速鐵路、城際鐵路和既有干線（簡稱“國鐵”），以及與國鐵集團鐵路有直接交路的地方鐵路，適用于大范圍的全程全網鐵路，而地方獨資的市域鐵路若采用GSM-R系統，頻率申請以及干擾協調有一定難度，且與國鐵的運營維護管理體制存在較大差別；因此區域范圍內的市域鐵路移動通信系統更傾向于采用1.8 GHz的LTE（長期演進技術）系統。為此有必要根據此全新組合模式下車地無線通信業務需求，分析研究LTE集群調度通信實現方式、系統架構，以及實現調度命令、ATO信息、無線車次號校核信息傳送等業務功能的解決方案。

1 通信方式

集群調度通信是各類專用移動通信的核心業務，對市域鐵路也不例外。目前應用于鐵路行業的LTE系統的集群調度通信系統實現方式主要有：移動一鍵通（Push-to-talk over cellular，PoC）方案、基于寬帶集群通信（B-TrunC）標準方案和基于關鍵語音業務（Mission Critical Push To Talk，MCPTT）標準方案［1］。

PoC方案是一種基于會話初始協議（SIP）及IP化的傳輸手段，實現業務與承載分離，類似于微信語音群組方式實現集群調度語音通信。由于采用的是純應用層的解決方案，其缺點非常明顯，如無法通過無線網絡實現精準呼叫控制、業務優先級保障、時延控制等，且集群通信采用單播方式，無法實現資源共享，因此不對該方案做深入分析。

B-TrunC方案是基于3GPP R9版本的LTE系統，針對物理層、數據鏈路層、網絡層進行修改，在保證兼容LTE數據業務的基礎上，增強了語音集群基本業務和輔助業務，以及多媒體集群調度等寬帶集群業務功能；可提供多行業共網管理方案，滿足城市無線政務公安、消防、醫療、城管、交通、環保等多行業部門共用網絡的要求，各行業部門通過VPN（虛擬專用網絡）或獨立核心網進行獨立的用戶簽約和業務管理，可共享無線接入網和頻譜資源［2］；在寬帶集群產業聯盟的推動下，發布了基于LTE技術的寬帶集群通信系統系列標準，并開展了大量的互聯互通測試，在行業專用通信中得到大量應用；同時，在城市軌道交通行業制定了LTE-M序列規范，在城市軌道交通領域的大量實踐，進一步驗證了基于B-TrunC標準的LTE系統在滿足行業調度通信及關鍵應用方面、標準規范方面和產業鏈方面的成熟度和完整度。

MCPTT是3GPP中引入針對公共安全領域的應用層框架，可以實現集群組呼、廣播及優先級業務，符合鐵路通信業務的安全可靠需求，同時支持關鍵語音、關鍵數據（MCData）以及關鍵視頻（MCVedio）等業務，簡稱MCX方案。在國鐵集團2015年起開展的450 MHz LTE-R相關標準研究中［3］，提出采用基于MCX架構實現LTE-R系統的調度通信功能，并通過開發專用接口實現與鐵路既有有線調度通信系統的互通，以及功能號呼叫、基于位置尋址呼叫等與用戶功能和基于位置相關的調度業務［4］。但此方案完成初步試驗后，其序列標準已經停止研究，國鐵集團現轉向研究5G-R標準。

由此可見，基于MCX標準的LTE-R系統雖然已經開展初步試驗以及與有線調度通信系統互通的測試，但相較于基于B-TrunC技術的LTE系統，應用功能和產品互聯互通方面還有待深入研究，且其產業鏈及標準體系均不完備?，F階段更適合采用條件相對成熟的B-TrunC架構的LTE系統。

2 系統架構

基于B-TrunC標準的LTE市域鐵路移動通信系統，由LTE核心網、無線接入系統、終端、集群調度服務器、LTE應用接口服務器、運營支撐系統等組成，系統架構見圖1。

圖1 系統架構

對于同時支持集群功能和數據功能的LTE核心網，包括演進的歸屬簽約服務器（eHSS）、演進的移動性管理實體（eMME）、P-GW與S-GW合一（x-GW）、集群媒體功能體（TMF）和集群控制功能體（TCF）。無線接入網包括LTE基站（eNodeB）或基帶單元（BBU）和遠程射頻單元（RRU）［5］。終端包括車載電臺、車載數據終端（TAU）、固定臺、手持終端、SIM卡等。運營支撐系統主要包括網絡管理系統、接口監測系統等。業務系統包括CTC、TSRS、DMS、PIS和IMS等。

3 業務需求

對于時速160 km的市域鐵路，參照同類型技術標準《城際鐵路設計規范》（TB 10623—2014）的相關規定，信號系統采用C2+ATO制式，其移動通信系統應提供普通語音通信、調度通信、調度命令、無線車次號校核及C2+ATO等列控系統車地信息傳送業務。

為適應市域鐵路公交化運營，提升運營維護效率，以及改善旅客乘坐體驗，C2+ATO系統也對運營需求進行了一定的改進，如增加列車“無人自動折返”功能，車地通信增加軌道交通傳統的列車緊急文本下發、車載乘客信息系統（PIS）和車載視頻監控實時傳送等應用業務［6］。

目前，國內還沒有基于B-TrunC標準的LTE承載信號C2+ATO系統的應用案例，在傳統軌道交通中LTE系統承載基于通信的列車控制系統（CBTC）信號，沒有涵蓋C2+ATO制式市域鐵路典型的調度命令信息、列車無線車次號校核信息、ATO信息等傳送業務，因此有必要對基于C2+ATO系統的市域鐵路LTE移動通信業務承載解決方案進行研究。

4 實現方案

4.1 ATO信息傳送業務實現

目前，國鐵ATO系統主要有2種方式實現站臺門控制和運行計劃處理：第1種是應用于珠三角城際的C2+ATO系統，該方式是在地面設置通信控制服務器（CCS）；第2種是在京沈客專試驗成功的高速鐵路ATO系統，該方式是在地面設置臨時線速服務器（TSRS）。市域鐵路通常采用第2種高速鐵路ATO系統架構，在TSRS、CTC（調度集中系統）、TCC（列控中心）、GSM-R等地面設備上增加功能，車站股道增加精確定位應答器，車載設備增加ATO單元、通用分組無線業務（GPRS）電臺及相關配套設備，并在ATP車載設備上增加列車開門防護及折返等功能。

市域鐵路ATO列控區段車載設備與地面TSRS間傳送自動駕駛信息，此信息傳送對于通信系統來說是透明的，業務實現可以參考高速鐵路GSM-R分組域承載ATO信息傳送方式：信號系統地面TSRS設備與ATO車載設備之間新增車地GPRS通道，ATO車載設備通過Um接口接入GSM-R/GPRS網絡，地面TSRS設備通過Gi接口與GSM-R/GPRS網絡的GGSN（GPRS網關支持節點）設備連接，實現車載ATO設備與地面TSRS設備之間發送或反饋運行計劃、列車運行狀態、站間數據、站臺門狀態或開/關命令等信息［7］。

在GSM-R/GPRS模式下采用分組域Gi接口實現高速鐵路ATO信息傳送，可直接借鑒市域鐵路LTE系統，TSRS系統作為應用業務通過SGi接口接入LTE網絡，數據通信通過IP方式相互訪問?；贚TE系統的市域鐵路ATO信息傳送見圖2［8］。

圖2 基于LTE系統的市域鐵路ATO信息傳送

為了使車載ATO/數據接入單元（TAU）和TSRS間建立通信，需要雙方能找到對方IP地址。由于TSRS一般按線設置，因此可以預先固定分配各線TSRS的IP地址，ATO車載TAU的IP地址在開機登錄網絡時由網絡分配。ATO車載設備通過地面應答器讀入或司機人工輸入所屬TSRS的IP地址，ATO車載TAU向此IP地址發送信息，雙方建立連接?？鏣SRS時，同樣是ATO車載TAU主動發送信息修改對應TSRS的IP地址。

4.2 調度命令及列車無線車次號校核信息傳送業務實現

我國高速鐵路通常采用GPRS子系統實現調度命令及列車無線車次號校核信息傳送。GPRS子系統的核心設備是GRIS（GPRS接口服務器），它通過與信號側設置的GSM-R通信接口服務器建立與CTC系統的通信，實現傳輸層和應用層通信協議轉換、IP地址轉換、數據存儲轉發、IP地址更新等功能［9］。

市域鐵路LTE系統雖然采用分組技術，但與應用業務系統的接口相較其與GSM-R存在較大差異，其系統架構不支持CTC系統接入GRIS、DNS（域名系統）、RADIUS（遠程撥入用戶服務器）等設備，不具備傳輸層和應用層通信協議轉換以及機車號與IP地址對應的功能，無法實現調度命令及車次號校核信息傳送業務。

建議LTE系統采用鐵路專用應用接口系統替代GRIS，實現CTC系統與市域鐵路LTE系統無線網的雙向數據交互及行車控制系統的車地通信。市域鐵路LTE系統中應用接口系統車地通信架構及冗余設置方式見圖3。

圖3 市域鐵路LTE系統中應用接口系統車地通信架構及冗余設置方式

4.3 自動折返下通信車載臺同步換端業務實現

為實現市域鐵路公交化、高密度的運營需求，追蹤間隔時間通常要求3 min，C2+ATO系統也針對運營需求增加了“無人自動折返”功能，縮短折返時間。

目前在高速鐵路領域中，采用CTCS制式線路的通信、信號系統均未實現自動折返功能，通信車載臺通常是由司機人工激活車載臺換端，換端過程中設備需要上電、自檢、車次號注冊、機車功能號注冊等操作，時間需要2～3 min（考慮雙司機，不含司機走行時間），嚴重影響市域鐵路公交化運營的實現［10］。

為滿足自動折返需求，車輛兩端車載通信設備的自動激活換端有以下2種方案。

方案一。通信車載臺間直接通過車輛總線或無線網絡進行通信，A端收到司機注銷操作時自動發送換端激活信息給B端，B端啟動自檢、注冊等流程。該方案通信車載臺換端需要利用專用車輛總線，由于信號系統為實現列車自動折返業務已經占用一部分列車總線資源，若通信也要占用車輛總線，會導致列車總線資源更為緊張。而且，通信車載臺若采用無線通信方式換端，則需要保持兩端無線設備時刻處于在線通信狀態，這對調度通信模式和車載臺的運用提出較大的改變，對整體系統架構影響較大。

方案二。通信車載臺與信號車載設備新增通信接口，用于接收信號車載設備發送的換端、激活信息，通信車載臺自動完成一端注銷、一端注冊的換端流程，信號車載設備通過車輛總線實現兩端的車載設備間信息交互并交接控制權。該方案通過增加通信接口接收信號設備的換端信息，實現通信車載同步換端，并自動完成注冊、注銷及無線車次號校核等業務，從系統性和統一協調性來看更具優勢。

綜合分析以上2種方案，在實際應用中更推薦方案二，其主要場景流程、功能實現如下。

1）車輛兩端的車載通信設備分別需要預留2路網絡通道，用于與主備車載信號設備網絡通信，獲取車輛激活、車次號、公里標、啟動停穩等信息。在車輛進行折返換端時，自動激活對應的通信車載臺設備。

2）車輛激活端的通信車載設備自動進行列車無線車次號校核，發送啟動停穩信息至地面LTE系統應用接口服務器，經LTE應用接口系統轉發給CTC通信服務器。

3）CTC系統通過CTC通信接口服務器下發調度命令信息，包括調度命令和列車進路預告等，經LTE系統應用接口服務器轉換車次號、機車號對應的網絡地址信息后進行發送；對應的通信車載臺設備接收該調度命令信息，自動確認并提示司機進行人工簽收確認，通信車載臺完成換端。

5 結論

1）綜合考慮C2+ATO制式市域鐵路運輸組織模式、運營管理需求，以及智慧化業務的發展趨勢，從互聯互通特性、技術標準成熟度和產業鏈完備度等方面進行分析，推薦采用基于B-TrunC標準的LTE系統實現市域鐵路集群調度通信業務，并提供移動通信業務綜合承載。

2）利用應用接口系統及車載設備新增通信接口的方式，實現調度命令、無線車次號校核信息傳送業務和列車自動折返同步換端信號系統信息交互業務。

3）為實現市域鐵路網絡化運營，基于B-TrunC標準的LTE系統還需進一步研究列車跨線運行時不同核心網漫游和集群調度功能的連續性，為后續市域鐵路成網運營、保障行車安全、提高運輸效率、提升維護水平等方面提供技術支撐。