基于GPRS的智能高鐵自動駕駛技術(shù)應(yīng)用研究

王軍棟

（北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司，北京 100043）

1 概述

智能高鐵是中國未來高鐵建設(shè)的發(fā)展方向，也是當(dāng)今世界各國高鐵行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。智能化高鐵是中國高鐵進(jìn)一步保障出行安全、提升高鐵速度、降低運輸成本的一大創(chuàng)新選擇。

根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）發(fā)布的ATO 技術(shù)規(guī)范定義，高速鐵路ATO 列車業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)是在能夠?qū)崿F(xiàn)CTCS-2（簡稱C2）級和CTCS-3（簡稱C3）級列控的功能外，增設(shè)ATO 單元模塊在車載設(shè)備上，從而實現(xiàn)列車運行控制以及自動駕駛，使用基于GPRS 通信模塊來實現(xiàn)車-地之間自動駕駛的行車業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模塊間所進(jìn)行的信息數(shù)據(jù)交互[1]。車站的自動售票發(fā)車、區(qū)間的自動調(diào)度運行、車門的自動開門/關(guān)閉(防護)、車門/站臺門的聯(lián)動控制系統(tǒng)等這幾個主要部分模塊都是國內(nèi)高速鐵路ATO 列車業(yè)務(wù)智能管理監(jiān)控系統(tǒng)模塊中的一些重要系統(tǒng)功能[2]。

2 ATO實現(xiàn)方式

2.1 ATO運用方式

C3+ATO 模式列控系統(tǒng)是在C3 列控基礎(chǔ)上，車載設(shè)備增加ATO 單元、GPRS 通信模塊及相關(guān)配套設(shè)備實現(xiàn)自動駕駛控制[3]。如圖1 所示，地面在臨時限速服務(wù)器（TSRS）、調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）和列控中心（TCC）等設(shè)備上增加相應(yīng)功能。自動駕駛ATO 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）分組域通道，原C3 列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍使用GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的電路域通道。

圖1 地鐵施工臨時通信處理系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of temporary communication processing system for metro construction

2.2 GSM-R系統(tǒng)組成

GSM-R 網(wǎng)絡(luò)由基站子系統(tǒng)（BSS）、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS）和移動臺（MS）構(gòu)成。GPRS 的引入使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得以擴展，因為兩種類型的應(yīng)用，電路交換（CS）和分組交換（PS），都通過GSM-R/GPRS 網(wǎng)絡(luò)運行。

BSS 由很多基站收發(fā)信臺（BTS）構(gòu)成，這些BTS 能夠?qū)崿F(xiàn)移動臺與網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接[4]。BTS 設(shè)定了移動臺與網(wǎng)絡(luò)之間的所有功能，包括信道編碼、交織、加密以及突發(fā)。此外，還包括GMSK 及8-PSK 調(diào)制及解調(diào)。BTS 由基站控制器（BSC）控制，包括在專用連接中對BTS 和MS 測量結(jié)果的計算，以及切換和功率控制。BSS 中的第3 個網(wǎng)元是TRAU，提供語音壓縮，將傳真、語音、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為TRAU 幀[5]。

為實現(xiàn)GSM PS 模式，通過數(shù)據(jù)包控制單元（PCU）增強BSS，可以將其作為BSS 的一部分安裝在網(wǎng)絡(luò)中的不同位置。PCU 的功能是管理GPRS無線資源，而BSC 負(fù)責(zé)管理電路交換無線資源。TRAU 和BTS 之間使用16 kbit/s 信道，并且該信道速率用于較低的GPRS 編碼方案（信道編碼）。為了利用GPRS（即（CS-3/ CS-4））獲得更高的帶寬，在Abis 上需要更大的帶寬（>16 kbit/s）。如上所述，PCU 幀通過BSC 透明地轉(zhuǎn)發(fā)到BTS，以進(jìn)行進(jìn)一步處理。BSC 和PCU 在Abis 和空中接口（Um）上共享時隙和資源。BSC 和PCU 需要進(jìn)行協(xié)調(diào)，以防止BSC 和PCU 分配彼此已經(jīng)占用的時隙。

NSS 有一個或多個歸屬位置寄存器（HLR），包括鑒權(quán)中心（AuC），MSC 包涵很多媒體網(wǎng)關(guān)及MSS[6]。拜訪位置寄存器（VLR）大多數(shù)時候與MSC/MSS 連接。部分NSS 用于GSM 分組模式，比如簽約信息的獲取及與MSC/MSS 移動性管理。

PS 模式分組核心網(wǎng)（PaCo）是CS 模式NSS的對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，由服務(wù)GPRS 支持節(jié)點（SGSN）和網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點（GGSN）功能組成。PaCo 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的服務(wù)GPRS 支持節(jié)點（SGSN）接管GSM 中MSS/MSC 和VLR 所執(zhí)行的功能。除了這些功能之外，SGSN 還必須執(zhí)行GPRS 特定的其他任務(wù)。

GGSN 本質(zhì)上是GPRS 網(wǎng)絡(luò)與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的接口。

2.3 GPRS協(xié)議棧

GPRS 需要新的協(xié)議用于MS 和BSS 以及分組域核心網(wǎng)接口處。協(xié)議棧由用戶平面及控制平面組成，如圖2 所示，在用戶平面協(xié)議棧中沒有MSC/MSS+MGW。

圖2 GRPS協(xié)議棧Fig.2 GRPS protocol stack

在所有GPRS 支持節(jié)點和SGSN 和GGSN 之間，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）或傳輸控制協(xié)議（TCP）顯示在GPRS 隧道協(xié)議（GTP）下。GTP用于在GSM、UMTS 和LTE 中傳輸GPRS，并且由單獨的協(xié)議GTP-C、GTP-U 和GTP 組成。

SNDCP 向更高層提供服務(wù)，包括復(fù)用、分段和封裝，即將IP 幀轉(zhuǎn)換為子網(wǎng)格式。另外，SNDCP 執(zhí)行多個PDP 上下文PDU 傳輸，并確保在滿足QoS 要求的情況下及時將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸?shù)絃LC 層。

LLC 傳送協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）、移動管理（GMM）、會話管理（SM）、IP 分組及短消息（SMS）。在SNDCP 層中，PDU 進(jìn)行預(yù)先處理，并通過LLC 進(jìn)行傳送。MS 及SGSN 之間的LLC 傳送參數(shù)通過交換標(biāo)識幀（XID）來進(jìn)行交換。

BSSGP 用于提供在PCU（BSS）和SGSN 之間交換用戶數(shù)據(jù)所需無線相關(guān)的QoS 和路由信息。這樣的用戶數(shù)據(jù)是透明的，并且BSSGP 不為用戶數(shù)據(jù)提供前向糾錯。

無線資源分配機制屬于協(xié)議棧的RLC/MAC層，由無線鏈路控制（RLC）和媒體訪問控制（MAC）兩個單獨的協(xié)議組成。

2.4 ATO運用情況

在功能方面，通過1 年多以來的ATO 運用情況來看，ATO 相關(guān)設(shè)備在通信方面的處理功能正常。車載ATO 設(shè)備和地面TSRS 服務(wù)器之間均能正常建立TCP 連接，并維持正常的ATO 業(yè)務(wù)信令的交互。車載ATO 設(shè)備在TSRS 服務(wù)器交權(quán)區(qū)可以正常進(jìn)行交權(quán)，正常結(jié)束當(dāng)前呼叫，執(zhí)行PDP 去激活操作；然后進(jìn)行PDP 激活操作，獲取新的IP 地址；再根據(jù)從應(yīng)答器接收的新TSRS服務(wù)器IP 地址，與新TSRS 服務(wù)器建立TCP 連接[7]。

從性能指標(biāo)方面來看，通過對空中傳輸?shù)腡CP數(shù)據(jù)包的時延統(tǒng)計，單向平均時延和95%信息包的時延均小于ATO 規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（如某月的統(tǒng)計結(jié)果為單向平均時延0.42 s，95%時延0.66 s）。

從ATO 運用情況可以看出，國鐵集團通過前期充分的理論研究和實驗室驗證，制定的高速鐵路ATO 方案和各項參數(shù)設(shè)置是合理的。

2.5 GPRS對列控業(yè)務(wù)的意義

通過對某高鐵ATO 業(yè)務(wù)的運用信息跟蹤，充分說明使用分組域GPRS 網(wǎng)絡(luò)承載列控類業(yè)務(wù)是可行的，是對原C3 列控系統(tǒng)使用的電路域通道的有效補充。

GSM-R 網(wǎng)絡(luò)無線信道資源少，語音呼叫業(yè)務(wù)的帶寬利用率低，列車控制系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的電路交換數(shù)據(jù)模式，GSM-R 網(wǎng)絡(luò)承載列控業(yè)務(wù)的壓力較大，尤其在車流密集的樞紐區(qū)域，很可能出現(xiàn)無線電資源不足的情況[8]。使用分組交換模式傳輸列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以將多路會話復(fù)用到一個無線電資源，按需分配傳輸資源，提高帶寬利用率，有效解決GSM-R 網(wǎng)絡(luò)下無線電資源緊張的問題。進(jìn)一步研究列車控制系統(tǒng)在GSM-R 網(wǎng)絡(luò)下實現(xiàn)GPRS 傳輸，對解決GSM-R 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前面臨的問題有重要意義[9]。

3 ATO業(yè)務(wù)優(yōu)化方法

3.1 GPRS參數(shù)

高速鐵路ATO 系統(tǒng)與GSM-R 網(wǎng)絡(luò)接口暫行技術(shù)條件中，提出的GPRS 數(shù)據(jù)傳輸延遲標(biāo)準(zhǔn)是1級，指標(biāo)如表1 所示。

表1 GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲指標(biāo)Tab.1 GPRS network data transmission delay indexes

此外定義了GPRS 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如表2 所示。

表2 GPRS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置要求Tab.2 GPRS network parameter configuration requirements

3.2 BSC資源利用

用來調(diào)節(jié)GSM-R 與GPRS 網(wǎng)絡(luò)間資源利用的參數(shù)如下。

FPDCH：該信道參數(shù)表中已設(shè)定出包含在每個小區(qū)范圍內(nèi)所有可用的靜態(tài)信道PDCH 頻道資源的資源個數(shù)。增大到此靜態(tài)信道參數(shù)值時，雖然可能是用比較經(jīng)濟有效的方法保證該小區(qū)GPRS 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)量的業(yè)務(wù)質(zhì)量，但它也同樣意味著可能導(dǎo)致或相應(yīng)地會減少該小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)GSM-R 信道能夠使用到的信道資源[10]。目前的小區(qū)GPRS 業(yè)務(wù)量都以相對較小的話音數(shù)據(jù)量為主，對擁塞的時間也較為敏感，而用戶需求對其所得到數(shù)據(jù)的時隙間隔和個數(shù)卻不太那么的敏感。如果將手機設(shè)置默認(rèn)成已經(jīng)安裝上這樣的一個靜態(tài)PDCH，那么，數(shù)據(jù)發(fā)生擁塞時，僅僅影響到數(shù)據(jù)吞吐量大小和運營商對其用戶需求的感知度。

PILTIMER：動態(tài)PDCH 處于空閑狀態(tài)時，將被放入空閑列表，當(dāng)時鐘值超過該值之后，才由分組交換域返回電路交換域。根據(jù)這個理論分析，PILTIMER 值越大，空閑的動態(tài)PDCH 等待的時間就越長，這樣可以減少動態(tài)PDCH 重新分配次數(shù)，減少接入時的時延。

TBF_LIMIT：有TBF_UL_LIMIT 和TBF_DL_LIMIT。當(dāng)該小區(qū)系統(tǒng)的任何一個系統(tǒng)中平均的每個PDCH 所能承載的TBF 數(shù)超過門限值時，TBF數(shù)將被重新分配到新承載的PSET。在國內(nèi)當(dāng)前大多數(shù)已建成開始正式使用高鐵的線路設(shè)備段上，由于其在國內(nèi)現(xiàn)階段作為用戶端接入所需的可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常還都較小，對高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求的速度卻又通常并不太高，可建議酌情地將線路此段的參數(shù)值設(shè)置稍高。

3.3 重選參數(shù)

GPRS 小區(qū)的重選設(shè)置過程中一般僅使用C1準(zhǔn)則和C2 準(zhǔn)則，因此當(dāng)用戶在進(jìn)行選擇或者修改其中的任何電路參數(shù)時，需要先認(rèn)真去考慮它將要對整個電路域所產(chǎn)生的影響[11]。

路由覆蓋區(qū)范圍(RA)：若一個系統(tǒng)RA 的路由覆蓋區(qū)范圍變化過小，則其通常會在短期內(nèi)大大加重整個過程中發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)信令流量的損失程度；但反之，則通常也會導(dǎo)致其整個系統(tǒng)尋呼網(wǎng)中的信令鏈路負(fù)荷變得較重。可以認(rèn)為必須通過綜合的統(tǒng)計分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處理，才能正常運行。因此對一些既有鐵路和其他已逐步實現(xiàn)全覆蓋化的新建高鐵線路，可以設(shè)置成只包含一個路由區(qū)的一個位置區(qū)。

TEMPORARY_OFFSET 和PENALTY_TIME：一般采用線狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋線路的部署設(shè)計方式。已基本成功部署實現(xiàn)的高鐵線路目前大都仍采用單層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，每個線路服務(wù)所覆蓋的小區(qū)僅相鄰的2個線路服務(wù)覆蓋服務(wù)小區(qū)，因此對這兩個參數(shù)都沒有影響，這說明他們都對國內(nèi)目前可以實現(xiàn)的城際高鐵線路正常運營能力無其他直接影響。

CELL_RESELECT_OFFSET：小區(qū)的重選偏置，此參數(shù)值通常用于平衡移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶的移動業(yè)務(wù)量。若用戶設(shè)置了本小區(qū)此參數(shù)值比遠(yuǎn)鄰小區(qū)大時，則能使其移動互聯(lián)網(wǎng)終端用戶更順利的選擇進(jìn)入本小區(qū)，反之亦然。而對于國內(nèi)已成功實現(xiàn)電氣化的部分高鐵線路所采用到的單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此值設(shè)置為相同值較為適合[12]。

3.4 ATO交互恢復(fù)問題

雖然某高鐵ATO 業(yè)務(wù)運行情況總體良好，但是在1 年多的運用過程中也確實出現(xiàn)過車載ATO單元與地面TSRS 服務(wù)器交互中斷后，長時間無法恢復(fù)通信的異常情況。通過設(shè)備日志和分組域接口監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)既有車載GPRS 通信模塊的問題，也有核心網(wǎng)設(shè)備的問題。

目前ATO 單元僅有單獨一個GPRS 通信模塊，如果該模塊發(fā)生問題，沒有其他通信模塊可以替代使用。這個問題可以通過增加備用通信模塊的方式解決，形成類似C3 系統(tǒng)的雙模塊交替呼叫冗余保護方式。

此外，也存在GPRS 通信模塊與核心網(wǎng)信令失配，或軟件出現(xiàn)問題時，單靠重新PDP 激活，或模塊軟復(fù)位也無法恢復(fù)通信的情況。可以通過實現(xiàn)通信模塊的下電硬復(fù)位解決，并增加類似CIR 設(shè)備活動性檢測的處理方式。

4 結(jié)束語

國內(nèi)首條使用C3+ATO 模式高速鐵路線路的成功運營，首創(chuàng)了自動駕駛ATO 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的GPRS 分組域通道，C3 列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的電路域通道的無線傳輸方案。通過對在線運行1 年多以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可見高速鐵路ATO 業(yè)務(wù)在功能和性能方面滿足國鐵集團制定的規(guī)范要求，對原C3 業(yè)務(wù)也沒有任何影響，證明了使用分組域GPRS 網(wǎng)絡(luò)承載列控類業(yè)務(wù)的可行性。另一方面，可以在BSC 資源利用、小區(qū)重選和ATO 設(shè)備保護功能等方面繼續(xù)進(jìn)行研究，增強GPRS 分組域通道的可用性，進(jìn)一步保證ATO業(yè)務(wù)的正常運行。