基于CTCS-3TCS-3列控系統(tǒng)的ISDN系統(tǒng)研究

羅 鑫（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN），俗稱“一線通”。ISDN有窄帶和寬帶兩種。窄帶ISDN有基本速率（BR I，2B+D，144 kbit/s）和一次群速率（PRI，30B+D，2 M bit/s）兩種接口。其中B信道一般用來傳輸話音、數(shù)據(jù)和圖像，D信道用來傳輸信令或分組信息。GSM移動(dòng)電話系統(tǒng)也可基于ISDN傳輸數(shù)據(jù)。

目前，我國高速鐵路廣泛采用的CTCS-3列控系統(tǒng)中，無線閉塞中心（RBC）和車載設(shè)備之間通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)，而RBC和GSM-R網(wǎng)絡(luò)之間的連接正是采用ISDN PRI接口，其中D通道用來傳輸信令，信令規(guī)程采用DSS1信令方式；B通道用來傳輸列控應(yīng)用數(shù)據(jù)，采用透?jìng)鞣绞健Ｓ捎诹锌財(cái)?shù)據(jù)傳輸對(duì)安全性和可靠性的特殊要求，ISDN在CTCS-3列控系統(tǒng)中具有十分重要的作用。目前已經(jīng)開通的武廣、京滬、滬寧、滬杭等高鐵線路中，主要采用在通用處理服務(wù)器集成自帶協(xié)議棧的ISDN板卡作為ISDN主機(jī)，出現(xiàn)ISDN通信的問題時(shí)不易分析故障和原因，同時(shí)系統(tǒng)不便于向嵌入式平臺(tái)移植，為了保證列控?cái)?shù)據(jù)的可靠傳輸和向嵌入式平臺(tái)移植的需求，有必要自主實(shí)現(xiàn)基于C TCS-3列控系統(tǒng)的ISDN系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ISDN單元在整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中如圖1所示。ISDN板卡通過E1接口與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的M SC直接相連，采用的是PR I接口，系統(tǒng)同時(shí)支持多個(gè)E1接口，每個(gè)E1支持1個(gè)D通道和30個(gè)B通道，實(shí)現(xiàn)與A TP的數(shù)據(jù)通信； ISDN板卡與RBU單元通過網(wǎng)口連接，實(shí)現(xiàn)相互的數(shù)據(jù)傳輸。

羅鑫，男，碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，工程師。主要研究方向包括GSM-R網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、GSM-R網(wǎng)優(yōu)、ISDN研究。曾參與CTCS-3接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測(cè)試與分析系統(tǒng)和機(jī)房環(huán)境動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的研發(fā)工作、DS6-60 ISDN子系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)工作。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

ISDN系統(tǒng)軟件可以按照功能要求劃分為3部分。

1）內(nèi)核空間下ISDN內(nèi)核模塊驅(qū)動(dòng)：實(shí)現(xiàn)D通道和B通道相關(guān)信令和數(shù)據(jù)協(xié)議、物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

2）Linux操作系統(tǒng)包含的CAPI系統(tǒng)調(diào)用和為用戶提供的LibCAPI庫函數(shù)：利用標(biāo)準(zhǔn)通用ISDN接口，實(shí)現(xiàn)的功能是內(nèi)核空間到用戶空間轉(zhuǎn)發(fā)，提供了一個(gè)與硬件和驅(qū)動(dòng)均無關(guān)的使用ISDN通信服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接口。

3）用戶應(yīng)用程序：呼叫發(fā)起和接收、拒絕，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)起和接收。

本方案采用如下的協(xié)議構(gòu)架：協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)部分放在內(nèi)核態(tài)；應(yīng)用程序和設(shè)備管理程序以及CAPI接口放在用戶態(tài)。協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)模塊都采用動(dòng)態(tài)加載模式，這樣就能動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)TE/NT模式切換。

ISDN通信單元原則上既可以做主叫用戶，又可以做被叫用戶，即ISDN通信單元可以呼叫A TP M T模塊，也可以由M T模塊呼叫ISDN單元。ISDN通信單元用戶號(hào)碼是由MSC分配，采用ISDN網(wǎng)絡(luò)編號(hào)方案,如圖2所示。

PC I硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊實(shí)現(xiàn)ISDN硬件設(shè)備與Linux操作系統(tǒng)的適配，建立ISDN接口芯片和CPU的通信。

DEV ICE模塊實(shí)現(xiàn)ISDN硬件設(shè)備在用戶態(tài)的open、read、w rite、ioctl等標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶態(tài)的設(shè)備管理程序通過這些標(biāo)準(zhǔn)接口的操作來對(duì)ISDN硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)管理、查詢和控制ISDN通信單元工作狀態(tài)，上報(bào)故障和告警信息。

STACK模塊實(shí)現(xiàn)各層消息之間的分發(fā)過程，各層之間消息調(diào)度都要通過STA CK進(jìn)行處理，從而決定消息流下一階段所屬處理協(xié)議層。

應(yīng)用程序呼叫控制程序?qū)崿F(xiàn)與車載對(duì)等層（M T）之間的信令控制，信道申請(qǐng)。當(dāng)申請(qǐng)合適的B通道后，通過V.110協(xié)議解析發(fā)送到RBC進(jìn)行處理。

3.1 信令和數(shù)據(jù)協(xié)議棧模塊

信令和數(shù)據(jù)協(xié)議棧模塊主要完成B通道和D通道協(xié)議處理、狀態(tài)機(jī)處理和原語解析功能。信令部分物理層遵循I.431一次群速率用戶接入物理層規(guī)范，數(shù)據(jù)鏈路層（LAPD）遵循ITU-TQ.921 H D LC規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)層遵循Q.931規(guī)范。數(shù)據(jù)協(xié)議棧主要給上層應(yīng)用提供CAPI接口編碼，便于上層調(diào)用。

1）對(duì)于D通道數(shù)據(jù)鏈路層，其功能是解釋從物理層收到的數(shù)據(jù)流，為相鄰兩個(gè)設(shè)備間提供可靠的通信連接，數(shù)據(jù)單位為幀。D通道數(shù)據(jù)鏈路層由Q.921協(xié)議定義，在鏈路建立過程中，ISDN作為一個(gè)終端端點(diǎn)（TE），其實(shí)現(xiàn)過程如下。

a．TE和網(wǎng)絡(luò)交換準(zhǔn)備接受幀（RR），等待初始化一個(gè)連接；

b．TE發(fā)送一個(gè)未編號(hào)的信息（U I）幀，其中業(yè)務(wù)接入點(diǎn)標(biāo)識(shí)（SAPI）的值為63（管理協(xié)議、查詢網(wǎng)絡(luò)），終端終點(diǎn)標(biāo)識(shí)（TEI） 的值為127（建立廣播鏈路）；

c．網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)可使用TEI（范圍為64～126 ）；

d．TE 發(fā)送一個(gè) SABME 幀，其 SAPI 值為0（呼叫控制），TEI 值為網(wǎng)絡(luò)分配的值；

e．網(wǎng)絡(luò)發(fā)出未編號(hào)響應(yīng)（U A）幀，SAPI=0，TEI 值為分配值；

f．至此數(shù)據(jù)鏈路層建立連接成功。

2）對(duì)于D通道網(wǎng)絡(luò)層，其功能規(guī)定了通過用戶—網(wǎng)絡(luò)接口傳遞、用于電路方式連接控制的消息，規(guī)定了每個(gè)消息的結(jié)構(gòu)，定義了每個(gè)消息在呼叫控制過程中的功能。D通道網(wǎng)絡(luò)層由Q.931協(xié)議定義，在Q.931協(xié)議中，每個(gè)消息由以下幾部分組成：協(xié)議鑒別語、呼叫參考、消息類型、其他信息單元。其中前3個(gè)信息單元是每個(gè)消息所必需的，而其他信息單元對(duì)每個(gè)消息來說是特定的。

下面是一個(gè)關(guān)于呼叫設(shè)置步驟的流程。

a．呼叫方發(fā)送一個(gè)建立呼叫信息（SETU P）給交換機(jī)；

b．如果SETUP通過，交換機(jī)發(fā)送一個(gè)CALL PROCEEDING信息給呼叫方，并發(fā)送一個(gè)SETUP信息給接收方；

c．接收方收到SETU P。如果該信息正常，它就振鈴電話并發(fā)送一個(gè)A LERT ING信息給交換機(jī)；

d．交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)該ALERTING信息給呼叫方；

e．當(dāng)接收方應(yīng)答呼叫后，就發(fā)送一個(gè)CONNECT信息給交換機(jī)；

f．交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)該CONNECT信息給呼叫方；

g．呼叫方發(fā)送一個(gè)CONNECT響應(yīng)信息給交換機(jī)；

h．交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)該CONN ECT響應(yīng)信息給接收方；

i．呼叫方發(fā)送CONNECT A CK信息到交換機(jī)；

j．交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)該信息到接收方；

k．鏈接建立成功。

整個(gè)D通道的建立過程如圖3所示。

3）對(duì)于B通道，應(yīng)用層數(shù)據(jù)在B通道的傳輸是采取透?jìng)鞯姆绞剑琁SDN的信道都是采用64 k b it/s方式，但是通過CSD傳輸?shù)膽?yīng)用層數(shù)據(jù)在CTCS-3系統(tǒng)中通常采用的是2.4、4.8、9.6 k b it/s的方式，需要使用v.110協(xié)議對(duì)兩者之間進(jìn)行適配，適配過程如圖4所示。

在v.110協(xié)議中，B通道數(shù)據(jù)適配過程分為兩個(gè)步驟。

RA 1模塊把用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為2 k×8 k b it/s的中間速率的數(shù)據(jù)幀；

RA 2模塊把2 k×8 k b it/s的中間速率的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為64 kbit/s的ISDN數(shù)據(jù)幀。

3.2 ISDN應(yīng)用程序接口CAPI

CA PI是應(yīng)用程序訪問ISDN設(shè)備的一種常用方式，它使應(yīng)用程序能夠以直觀的方式和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件接口（不受不同ISDN硬件設(shè)備的限制）來使用ISDN設(shè)備。CAPI應(yīng)用程序和CAPI之間的通信是通過消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)的，CA PI有一個(gè)消息隊(duì)列，每個(gè)注冊(cè)的應(yīng)用程序有一個(gè)消息隊(duì)列，兩者之間的消息是通過消息隊(duì)列交換來實(shí)現(xiàn)的。而在數(shù)據(jù)傳輸模式下，消息只作為信令的作用，數(shù)據(jù)本身的傳輸是通過應(yīng)用程序和CAPI的共享內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)的，消息隊(duì)列采用先進(jìn)先出的方式。應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)給ISDN控制器，是先通過發(fā)送消息給CAPI，然后通過CAPI發(fā)送給ISDN控制器；應(yīng)用程序從ISDN控制器接收數(shù)據(jù)，ISDN控制器先把消息寫到CAPI的消息隊(duì)列，然后通過CAPI的消息隊(duì)列傳輸給相應(yīng)的應(yīng)用程序，如圖5所示。

KERNEL CAPI是CAPI應(yīng)用程序和CAPI硬件設(shè)備之間聯(lián)系的一個(gè)中間層。CA PI硬件設(shè)備和CAPI應(yīng)用程序都是在KERNEL CAPI中注冊(cè)，由KERNEL CAPI把CAPI應(yīng)用程序匹配到相應(yīng)的硬件設(shè)備上，KERNEL CAPI還管理CAPI消息，控制它在應(yīng)用程序和硬件設(shè)備中互相傳輸。

對(duì)于下行消息的處理：下行消息為CA PI應(yīng)用程序發(fā)送消息到對(duì)端的數(shù)據(jù)流。首先應(yīng)用程序調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的CA PI消息定義，通過L IB CAPI系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送到操作系統(tǒng)消息隊(duì)列，K ERNEL CAPI把消息從消息隊(duì)列中取出，判斷消息應(yīng)當(dāng)發(fā)送到所屬的ISDN，利用KERNEL CAPI與ISDN CAPI DRIVER的標(biāo)準(zhǔn)接口發(fā)送到內(nèi)核ISDN部分。ISDN CAPI DRIVER接受下行消息判斷是否正確，并且通過LISTEN/PLCI/NCCI狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，將CAPI消息轉(zhuǎn)化為下三層協(xié)議的消息。下三層消息經(jīng)過STACK模塊發(fā)送到Layer3/Layer2/Layer1協(xié)議棧處理，最后通過PCI硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送出去。

對(duì)于上行消息的處理：上行消息為車載發(fā)送到ISDN處理的數(shù)據(jù)流。首先系統(tǒng)PC I硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)接收來自對(duì)端的數(shù)據(jù)流，發(fā)送到Lay er3/Lay er2/Lay er1協(xié)議棧處理。如果該數(shù)據(jù)需要發(fā)送給應(yīng)用程序，則通過ISDN CAPI DR IVER進(jìn)行狀態(tài)判斷和CAPI消息封裝。經(jīng)過封裝的CAPI消息通過KERNEL CAPI過渡后，通過系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送到用戶層面供應(yīng)用程序讀取。

3.3 應(yīng)用接口模塊

為了使協(xié)議棧和硬件底層驅(qū)動(dòng)正常工作，需要應(yīng)用接口模塊創(chuàng)建用戶實(shí)體和實(shí)例，即用戶調(diào)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)等層之間用戶的應(yīng)答和確認(rèn)。

用戶軟件包括兩類：一是CAPI用戶控制程序，二是ISDN設(shè)備管理程序。

1）CAPI用戶應(yīng)用程序

基于CA PI接口的用戶應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)初始化和處理往外撥打呼叫、指示和處理呼叫的接聽、處理呼叫的掛斷、實(shí)現(xiàn)呼叫掛起和等待、接收和發(fā)送應(yīng)用層數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)呼叫相關(guān)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。

2）ISDN設(shè)備管理程序

實(shí)現(xiàn)對(duì)ISDN設(shè)備自身工作狀態(tài)的查詢和控制，實(shí)時(shí)上報(bào)故障和告警信息，并且將相應(yīng)的故障和告警信息保存至本地存儲(chǔ)設(shè)備。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)ISDN系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如下：具有GSM-R網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室、ISDN系統(tǒng)一套（通過2 M電纜連接到M SC，并分配號(hào)碼90000001），測(cè)試手機(jī)一部（用于語音呼叫）、QoS測(cè)試系統(tǒng)呼叫（用于數(shù)據(jù)呼叫）。

測(cè)試一：使用測(cè)試手機(jī)語音呼叫90000001，電話接通，主叫號(hào)碼14980199032，被叫號(hào)碼90000001。D通道和B通道都建立成功，D通道信令時(shí)隙是channel16，B通道數(shù)據(jù)時(shí)隙是channel3。

測(cè)試二：通過Qo S系統(tǒng)進(jìn)行CSD數(shù)據(jù)環(huán)回測(cè)試，即呼叫建立后，QoS系統(tǒng)的M T模塊給ISDN系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包，ISDN系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)包發(fā)回給MT模塊。

如圖6所示，測(cè)試系統(tǒng)以9.6 kbit/s的速度建立CSD連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)環(huán)回測(cè)試。數(shù)據(jù)包共30 By te，為程序產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，測(cè)試過程中總共發(fā)送數(shù)據(jù)包2018個(gè)，環(huán)回出現(xiàn)錯(cuò)誤包2個(gè)，測(cè)試過程中鏈路連接穩(wěn)定，沒有斷開。從測(cè)試結(jié)果分析，ISDN系統(tǒng)能夠承載CSD數(shù)據(jù)透?jìng)鳌?/p>

5 結(jié)論

本文研究了一種基于CTCS-3列控系統(tǒng)的ISDN系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和論證，證明了該系統(tǒng)的可行性。下面，將進(jìn)一步研究ISDN系統(tǒng)的設(shè)備管理和信道冗余備份等功能，繼續(xù)完善ISDN系統(tǒng)，使之能夠穩(wěn)定可靠的傳輸CTCS-3列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

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