基于D2D技術(shù)的車車通信研究

馬得途，李國寧

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

車車之間實現(xiàn)通信已是軌道交通發(fā)展的必然趨勢，國內(nèi)外相關(guān)領域?qū)W者也正在開展研究。列車之間實現(xiàn)信息交互的意義在于前后行列車能夠互通各自的運營信息，包括速度、位置等信息，從而避免鐵路運輸事故的發(fā)生[1]。

在車車之間實現(xiàn)通信的前提下，研究以車車通信為基礎的聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控技術(shù)，將大部分依靠地面設備傳送的信息轉(zhuǎn)移到列車之間，列車自主排列進路、控制道岔，從而減少地面設備，降低投資成本，中間設備的減少能夠提高系統(tǒng)的可靠性，提高運營效率[2]。

車車通信環(huán)境的基本特點如下。

(1)線路環(huán)境比較復雜，包括橋梁、隧道、周邊地形及建筑物、天氣情況等等。

(2)列車運行速度快，高速鐵路列車的運行速度現(xiàn)在已達到350 km/h，客專線路也已達到250 km/h，這就會對車車通信信道質(zhì)量和穩(wěn)定性提出更高的要求。

(3)在長大線路中，前后行列車之間的距離往往達到數(shù)十千米，這就對通信實時性提出更高的要求。

(4)前后行列車要可靠識別，最主要的是建立一套穩(wěn)定可靠的識別機制，這是前后行列車實現(xiàn)信息交互的關(guān)鍵[3]。

1 車車通信技術(shù)方案

實現(xiàn)車車通信的主流方案分為短波技術(shù)和載頻技術(shù)。短波方案中的設備簡單易操作，成本較低，且該方法能夠可靠實現(xiàn)列車之間的信息互通。但短波技術(shù)中對車載天線高度和方向的要求較為苛刻，天線高度達到了4～5 m[4]，超過了列車車廂高度，且該方案在列車運行在隧道等地形復雜的環(huán)境中的可靠性明顯降低，而且短波技術(shù)是與一定范圍內(nèi)所有的列車進行信息互通，并不能精確識別出同一條線路同方向運行的列車。載頻技術(shù)在近20年內(nèi)得到了飛速發(fā)展，其中以GSM和其換代技術(shù)LTE最具代表性，該系統(tǒng)在社會生產(chǎn)生活的各個領域發(fā)揮了重大作用。原鐵道部在2000年制訂了GSM-R的相關(guān)技術(shù)標準，標志著GSM-R正式進入鐵路領域，其中以2008年我國第一條高速鐵路京津城際最具代表性。隨著GSM的換代系統(tǒng)LTE的提出，國際鐵路聯(lián)盟也已將LTE-R作為下一代鐵路移動通信系統(tǒng)[5-6]。研究利用LTE-R實現(xiàn)車車通信，有利于系統(tǒng)集成和技術(shù)預留。

本文研究車車通信主要包括兩個技術(shù)方案，第一是實現(xiàn)前后行列車的身份識別方案，第二是前后行列車在準確可靠識別的基礎上，利用D2D技術(shù)實現(xiàn)信息互通的通信方案。

2 前后行列車識別方案

兩個終端要實現(xiàn)信息互通的前提是主叫方需要知道被叫方的通信地址，在鐵路運輸中主叫方為后車，被叫方為前車，但是前后行列車具有隨機性。建立一個完整可靠的前后行列車識別方案是前后車建立通信的前提和基礎[7]。本文中所研究的車車通信場景是列車在C3級線路追蹤運行，且通信正常的情況下，對于通信故障后降級為C2的情況將另作研究。

CTCS-3級列控系統(tǒng)包括地面和車載兩部分設備。地面設備由RBC、軌道電路、GSM-R設備、TCC和應答器等組成；車載設備包括VC(車載安全計算器)、RTU(GSM-R車載無線通信單元)、BTM(應答器信息接收模塊)、TCR(軌道電路信息接收單元)、JRU/DUR(記錄單元)、TIU(列車接口單元)、DMI(人機界面)等[8]。在C3系統(tǒng)中，前后行列車之間并沒有直接通信的信息通道，而是通過車地通信將信息間接通過RBC和地面設備進行傳輸。這就使得系統(tǒng)過于復雜，可靠性和實時性不高。在現(xiàn)有C3系統(tǒng)中，列車在進入RBC區(qū)域時需要登錄和注冊，傳輸?shù)男畔熊囄恢?、列車?shù)據(jù)和車次號[9]。每列車所對應的車次號是唯一的，利用車次號的唯一性定義每列車的通信地址，其通信地址也具有唯一性。

在鐵路運輸中，同一條線路上的列車排列具有隨機性，前后行列車的關(guān)系不固定。這就對前后行列車的身份識別提出了更高的要求，即在前后行列車不斷變化的情況下，提出一個能夠動態(tài)識別前后行列車身份的識別方案。為實現(xiàn)以上功能，擬加入地面設備列車通信管理單元，其主要功能如下。

(1)獲取在RBC中注冊成功的列車車次號。

(2)為車次號賦予唯一對應的通信地址。

(3)將第一列車(前車)的通信地址發(fā)送給第二列在RBC中注冊成功的列車(后車)。

后車通過列車通信管理單元所發(fā)送的通信地址，向前車發(fā)起通信請求。

列車通信管理單元的布置如圖1所示。

圖1 列車通信管理單元布置示意

RBC所管轄的線路鋪設方案為雙線單向，在線路中運行的列車有上行列車和下行列車，而前后行列車識別的主體對象是同方向運行的追蹤列車。

列車在運行過程中的唯一標識是車次號，其能夠反映出列車的類型、長度等信息，是管理列車的重要信息[10]。車次號是規(guī)定編制且固定不變，其編制依據(jù)和上下行方向有關(guān)，鐵路運輸規(guī)定開往北京方向或者從支線到干線的方向為上行方向，駛離北京或從干線到支線的方向為下行方向。上行列車車次號為雙數(shù)，下行列車車次號為單數(shù)，根據(jù)車次號的這一特性，使得列車通信管理單元能夠區(qū)分出同方向的列車。列車通信管理單元的工作流程如圖2所示。

圖2 列車通信管理單元工作流程

2.1 列車通信管理單元布置

在研究列車管理單元布置原則時，本文是以后車為主體進行研究的。在C3線路中，RBC所管轄的范圍比較大，一般在管轄區(qū)域內(nèi)包含若干個車站，并且包括有本線與其他支線的交匯點。單純依據(jù)在RBC中的注冊順序來判斷列車的前后行關(guān)系不太可靠。所以在利用注冊順序的同時應當加入地點因素，利用時間和地點這兩維因素來判斷列車的實際位置。以下分為3種情況進行討論。

(1)線路中有中間站

例如，在一個RBC管轄范圍內(nèi)有車站存在，當一對已注冊成功且確定前后行身份的追蹤列車進入RBC區(qū)域時，在前車已越行后車還未到達車站時，由中間站發(fā)出一列列車，根據(jù)上文所描述的單純由注冊順序來判斷，中間站發(fā)出的列車為追蹤列車對的后續(xù)列車，但是其實際位置卻是在追蹤運行的列車對之間?？梢钥闯觯熊噷Φ淖粉欔P(guān)系會在出站口之后發(fā)生變更，因此在出站口額外布置列車通信管理單元，當列車追蹤關(guān)系發(fā)生變更后能夠協(xié)助列車重新完成身份識別，其布置方法如圖3所示。

圖3 存在中間站時的列車通信管理單元布置示意

(2)線路中有交匯點

當線路中存在交匯點時，追蹤列車對的追蹤關(guān)系可能會在交匯點之后發(fā)生變更，因此在變更點之后額外設置列車通信管理單元協(xié)助列車重新進行列車身份識別。其布置方法如圖4所示。

圖4 線路中存在交匯點時列車通信管理單元布置示意

(3)列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換

當列車在線路中運行時，列控系統(tǒng)由于各種原因會發(fā)生等級轉(zhuǎn)換。其中主要有兩方面的原因：線路中存在等級轉(zhuǎn)換點，使得經(jīng)過該區(qū)域時都要進行等級轉(zhuǎn)換；C3列控系統(tǒng)發(fā)生故障導致降級。

當兩列已經(jīng)確定前后行身份的追蹤列車在C3等級下正常運行時，如果前方有降級轉(zhuǎn)換區(qū)域。由于此時兩列車已經(jīng)通過身份識別并開始進行通信，在前車達到等級轉(zhuǎn)換區(qū)域并完成等級轉(zhuǎn)換后，通過車車通信系統(tǒng)將等級轉(zhuǎn)換信息發(fā)送至后車，當兩列車都通過等級轉(zhuǎn)換區(qū)域并完成降級后，兩列車在C2等級下追蹤運行并保持正常通信。在兩列已經(jīng)確定前后行身份的追蹤列車其中一輛發(fā)生故障導致降級運行，其原理同上述C3向C2的等級轉(zhuǎn)換，由于兩列車在發(fā)生故障前已經(jīng)完成身份識別并開始通信，后行列車可通過車車通信系統(tǒng)實時掌握前車的運行狀態(tài)，兩列車在C2等級下追蹤運行并保持正常通信。

當列車由C2向C3等級轉(zhuǎn)換時，其布置原則同線路中存在中間站，在等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行應答器后布置列車通信管理單元協(xié)助列車重新進行識別。其布置方法如圖5所示。

圖5 C2向C3轉(zhuǎn)換時列車通信管理單元布置示意

3 前后行列車通信方案

在C3系統(tǒng)中，GSM-R作為無線通信的主體方案已經(jīng)有了非常成熟的應用，但是隨著高速鐵路業(yè)務的不斷發(fā)展，GSM-R的一些缺點也逐漸顯露出來，其主要的問題是GSM-R是一個窄帶系統(tǒng)，已經(jīng)無法滿足鐵路運輸日益增長的業(yè)務要求，如視頻監(jiān)控、移動多媒體、乘客信息系統(tǒng)等業(yè)務。LTE作為下一代無線通信系統(tǒng)，其較高的頻譜利用率，靈活可變的載波帶寬，覆蓋范圍廣和實時性好等特點滿足了下一代鐵路通信系統(tǒng)所要求的高速率、低時延、高移動性和安全性等要求[11]。

在LTE-A中，D2D(Device-to-Device)通信是一種在系統(tǒng)控制下，能夠使終端之間直接通信的延伸技術(shù)。該技術(shù)能夠通過復用同小區(qū)內(nèi)的頻率資源，以提高頻譜利用率，同時可以降低終端的發(fā)射功率，是下一代通信系統(tǒng)中的新型技術(shù)[12]，見圖6。

圖6 D2D通信原理

圖6中鏈路a和b為終端1和終端2與基站之間的蜂窩通信鏈路；鏈路c是在同小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)終端1和終端2的D2D通信鏈路；鏈路d為經(jīng)過信息中繼技術(shù)的終端2和終端3的D2D通信鏈路。

D2D通信模式共有4種[13]。

(1)上行復用模式：終端通過復用小區(qū)內(nèi)其他終端的上行頻譜進行D2D通信。

(2)下行復用模式：終端通過復用小區(qū)內(nèi)其他終端的下行頻譜進行D2D通信。

(3)專用模式：同一小區(qū)內(nèi)的頻譜資源由蜂窩通信終端和D2D終端通信各占50%。

(4)中繼專用模式：頻譜資源的50%由蜂窩通信使用，其余50%由D2D通信的上行鏈路和下行鏈路各占25%。

上述模式中，上行復用、下行復用和專用模式中，D2D通信終端需在同一基站覆蓋范圍內(nèi)。在中繼專用模式中，可以使距離較遠或在不同小區(qū)中的D2D終端之間實現(xiàn)通信[14]。

公網(wǎng)中的基站覆蓋方式為面狀覆蓋，每個小區(qū)的形狀呈六邊形，小區(qū)內(nèi)各有一個基站，形狀酷似蜂窩，因此稱為蜂窩小區(qū)。C3級線路的基站覆蓋方式與公網(wǎng)中的基站覆蓋方式有所不同，以現(xiàn)有的GSM-R為例，其基站以單網(wǎng)交織冗余覆蓋網(wǎng)絡的方式覆蓋，是沿著鐵路線路的帶狀覆蓋，基站之間的距離一般為2.5～4 km[15]。其覆蓋方式如圖7所示。

圖7 GSM-R基站覆蓋方式示意(單位：km)

C3是基于無線通信的列控系統(tǒng)，列車允許運行速度300～350 km/h，追蹤最小時間間隔為3 min，所以兩列相鄰列車的最小追蹤距離間隔是15～19 km。

根據(jù)以上分析可知，兩列車的最小間隔距離大于同一個基站的覆蓋范圍，如果利用D2D實現(xiàn)兩列車的直接通信，其模式就不能選擇上行復用、下行復用和專用模式，因為這3種模式都是在同一基站覆蓋范圍內(nèi)。中繼模式是利用中繼設備經(jīng)過信息多跳傳輸信息，中繼設備對傳輸信息只進行信息放大和轉(zhuǎn)發(fā)，公網(wǎng)在利用這一模式時，其信息中繼點選擇的是小區(qū)內(nèi)已激活的空閑通信終端，經(jīng)過將已激活的空閑終端作為信息中繼點，將信息經(jīng)過信息多跳傳送至小區(qū)邊緣和小區(qū)之外的終端。在鐵路移動通信網(wǎng)絡中，中繼點如果額外敷設會增加工程投資，并且增加了系統(tǒng)的復雜度而導致可靠性降低。其次，鐵路信號系統(tǒng)的發(fā)展方向是精簡地面設備，將一部分地面設備的功能轉(zhuǎn)移到列車上，這樣可以使得系統(tǒng)復雜度降低，可靠性提高，同時列車可以自主進行選路排路，提高列車運行的靈活性，同時列車之間的追蹤距離縮短了，繼而可以提高運行效率。

D2D中的中繼模式中，除以本小區(qū)內(nèi)已激活的終端用戶作為信息中繼點之外，還有一種以相鄰小區(qū)的基站作為中繼點的多跳技術(shù)，其稱為基站中繼模式。這種基站中繼方式和傳統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)發(fā)的區(qū)別在于，D2D基站中繼模式中信息不需要經(jīng)過核心網(wǎng)的處理，而是由一臺基站到下一臺基站。在GSM-R系統(tǒng)中，相鄰小區(qū)的基站之間不存在信息傳輸通道，在特殊情況下以光纖為媒介連通需要通信的基站除外。在LTE-A系統(tǒng)中，基站之間存在可以直接傳輸信令和數(shù)據(jù)的X2空中接口，這是LTE相對于傳統(tǒng)GSM的重大變化，使得結(jié)構(gòu)更加扁平化，基站與基站之間可以直接對話，并開始承擔更多的資源管理和傳輸任務[16]。

綜上可以得到，利用D2D基站中繼模式實現(xiàn)列車之間直接通信的鏈路模型，如圖8所示。

圖8 D2D基站中繼模式下的車車通信模型

4 車車通信系統(tǒng)可靠性驗證

在一個可修復系統(tǒng)中，如果每個單元的使用壽命和修復時間都是呈指數(shù)分布，那么就可以利用馬爾科夫模型驗證該系統(tǒng)的可靠性[17]。本文在分析車車通信系統(tǒng)可靠性時，LTE-R的組網(wǎng)方式借鑒GSM-R進行研究。

4.1 馬爾科夫模型法

假設{X(t)，t∈T}是一個隨機過程，如果已知{X(t)，t∈T}在t0時刻所處的狀態(tài)，它在時刻t>t0所處狀態(tài)的條件分布與其在t﹤t0所處的狀態(tài)無關(guān)，說明在知道隨機過程“當前狀態(tài)”的條件下，其“未來狀態(tài)”的條件分布和“過去狀態(tài)”沒有關(guān)系，則稱{X(t)，t∈T}具有馬爾科夫性[18]。

在利用馬爾科夫模型法對實際系統(tǒng)的可靠性進行驗證時，通常為了方便計算和簡化模型，會做出以下假設：

(1)系統(tǒng)當中的各個組成元素的使用壽命和修復時間都服從指數(shù)分布；

(2)X(t)表示系統(tǒng)在時刻t的狀態(tài)；

(3)系統(tǒng)的各個組成元素之間是相互獨立的，其中一個的狀態(tài)發(fā)生改變并不會對其他單元產(chǎn)生影響；

(4)在時間Δt內(nèi)發(fā)生2次或2次以上故障或修復時間的概率為0(即當Δt→0時，系統(tǒng)故障或修復時間只允許發(fā)生1次)。

利用馬爾科夫模型分析系統(tǒng)可靠性的步驟如下。

(1)定義整個系統(tǒng)的各種不同狀態(tài)或狀態(tài)集，令

E={0，1，……，n}

W={0，1，……，k}(1)

F={k+1，……，n}

分別表示系統(tǒng)狀態(tài)集、正常狀態(tài)集和故障狀態(tài)集。

(2)定義狀態(tài)空間E上的一個齊次馬爾科夫隨機過程

{X(t)，t≥0}

(2)

(3)求狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

(3)

A=(qij)(i，j∈W)，B=(qij)(i∈W，j∈F)，

C=(qij)(i∈F，j∈W)，D=(qij)(i，j∈F)。

(4)解下列線性方程組，求解πj，j∈E

(4)

(5)求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)可用度(可靠性)

(5)

4.2 車車通信系統(tǒng)可靠性分析

通常情況下，無線通信的故障模型是呈指數(shù)分布的模型，所以可以利用馬爾科夫模型法分析車車通信系統(tǒng)的可靠性。車車通信系統(tǒng)的故障因素主要有以下3點:鏈路中斷、越區(qū)切換失敗和車載無線接收電臺故障，從車載接入端的角度來分析整個系統(tǒng)的可靠性。

首先，定義車車通信系統(tǒng)及各部分的狀態(tài)。i∈I{0，1}代表整個系統(tǒng)的狀態(tài)，i=0代表整個系統(tǒng)正常，i=1代表整個系統(tǒng)故障；j∈J{0，1}代表通信鏈路是否中斷，j=0代表通信鏈路正常，j=1代表通信鏈路中斷；k∈K{0，1}代表越區(qū)切換成功與否，k=0代表越區(qū)切換成功，k=1代表越區(qū)切換失?。籱∈M{0，1}代表車載終端故障與否，m=0代表車載終端正常，m=1代表車載終端故障。

其次，定義車車通信系統(tǒng)的整個信道狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)為en(i，j，k，m)。e0(0，0，0，0)代表整個車車通信系統(tǒng)正常；e1(1，1，0，0)代表系統(tǒng)通信鏈路中斷；e2(1，0，1，0)代表越區(qū)切換失??；e3(1，0，0，1)代表車載終端設備故障。e0為正常狀態(tài)，e1，e2，e3為車車通信系統(tǒng)的故障狀態(tài)。由此可以得出馬爾科夫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖9所示。

圖9 馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意

其中，λ1，λ2，λ3是系統(tǒng)在正常狀態(tài)發(fā)生鏈路中斷，越區(qū)切換失敗，車載終端設備發(fā)生故障的概率；μ1，μ2，μ3分別代表系統(tǒng)由鏈路中斷，越區(qū)切換失敗，車載終端設備故障的狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)的概率。

馬爾科夫鏈的轉(zhuǎn)移強度矩陣為

(6)

馬爾科夫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移參數(shù)見表1[19]。由于不針對某一特定廠家的車載設備進行分析，所以假定車載設備的修復概率為X。

表1 馬爾科夫的狀態(tài)轉(zhuǎn)移參數(shù)

假設A0，A1，A2，A3是e0，e1，e2，e3對應的穩(wěn)態(tài)概率。則解方程

(7)

得

(8)

由于本次分析不針對某一特定廠家的車載設備進行，故X∈(0.9，1)，可得系統(tǒng)可用度A的取值范圍，如圖10所示。

由于國內(nèi)LTE-R系統(tǒng)尚在建設當中，相關(guān)的技術(shù)標準還沒有出臺，但是可以借鑒運用成熟的GSM-R的相關(guān)技術(shù)標準對圖10結(jié)果進行分析，可以看出，在對設備的修復概率取值在(0.9，1)時，車車通信系統(tǒng)的可靠性在(0.9998，0.9999)范圍內(nèi)。通過對比C3列控系統(tǒng)GSM-R的QoS指標可知[20]，基于D2D基站中繼模式的車車通信系統(tǒng)的可靠性，能夠滿足鐵路運輸中對于通信系統(tǒng)的可靠性需求。

圖10 車車通信系統(tǒng)可靠性取值

5 結(jié)語

本文首先利用C3線路中列車在RBC中的注冊數(shù)據(jù)，建立了前后車識別模型，通過在RBC端加入列車通信管理單元，協(xié)助前后行列車完成身份識別，并對在線路中存在中間站和交匯點的特殊情況下的列車通信管理單元的布置進行了分析。其次，利用LTE-A中的延伸技術(shù)D2D，建立了前后行列車的通信模型，通過分析C3線路中的列車運營情景結(jié)合D2D通信模式，選擇了基站中繼模式。最后利用馬爾科夫模型法對建立的車車通信系統(tǒng)的可靠性進行分析，結(jié)果表明，其可靠性滿足鐵路運輸系統(tǒng)對于無線通信系統(tǒng)的可靠性需求。