基于GSM-R和5G-R的CTCS-3級列控系統(tǒng)無線通信協(xié)議設(shè)計及差異性分析

莫志松，王 猛，趙志鵬

(1.中國國家鐵路集團有限公司工電部,北京 100844; 2.北京華鐵信息技術(shù)有限公司,北京 100081;3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

引言

CTCS-3級列控系統(tǒng)(簡稱“C3列控系統(tǒng)”)是保障高速鐵路動車組安全可靠運行的關(guān)鍵核心技術(shù)[1]。C3列控系統(tǒng)使用車地?zé)o線通信協(xié)議,通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供的無線通道,實現(xiàn)車載ATP和地面RBC之間的信息傳輸[2]。由于GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供的電路域交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬窄、通信容量小、傳輸速率低,相應(yīng)設(shè)計的車地?zé)o線通信協(xié)議在傳輸容量、傳輸速率等方面也受到限制[3]。隨著高速鐵路的不斷發(fā)展,現(xiàn)有的GSM-R網(wǎng)絡(luò)及其車地?zé)o線通信協(xié)議越發(fā)難以滿足C3列控系統(tǒng)及下一代列控系統(tǒng)承載大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求[4-5]。

5G-R網(wǎng)絡(luò)作為替代GSM-R網(wǎng)絡(luò)的下一代鐵路移動通信系統(tǒng),具有寬帶寬、高速率、低時延的優(yōu)勢[6-9]。5G-R網(wǎng)絡(luò)提供分組域交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),采用端到端的IP地址通信。因此,GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信協(xié)議在5G-R網(wǎng)絡(luò)下已不再適用,需要設(shè)計一種基于5G-R網(wǎng)絡(luò)的車地?zé)o線通信協(xié)議,從而在列控系統(tǒng)中充分發(fā)揮5G-R網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

本文基于C3列控系統(tǒng)在GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議設(shè)計經(jīng)驗,對5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計,并對兩種網(wǎng)絡(luò)下無線通信協(xié)議的差異性進(jìn)行分析和研究。

1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議綜述

1.1 無線通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信系統(tǒng)由車載ATP設(shè)備、GSM-R網(wǎng)絡(luò)和地面RBC設(shè)備三大部分組成,其中GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供透明傳輸通道,車載ATP設(shè)備和地面RBC設(shè)備使用通用的無線通信協(xié)議,實現(xiàn)消息的安全可靠傳輸[10]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GSM-R網(wǎng)下的車地?zé)o線通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

車載ATP設(shè)備的無線通信協(xié)議功能由車載安全計算機、無線傳輸單元、移動終端設(shè)備共同完成,地面RBC設(shè)備的無線通信協(xié)議功能由RBC安全計算機、無線通信服務(wù)器及其附屬終端設(shè)備共同完成。

1.2 無線通信協(xié)議分層概況

C3列控系統(tǒng)的無線通信協(xié)議采用OSI(開放式系統(tǒng)互聯(lián))參考模型,自頂向下劃分為應(yīng)用層、安全層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層6部分,其中SFM(安全功能模塊)包含安全層,CFM(通信功能模塊)包含傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層[11-12]。一般而言,車載ATP側(cè)的安全計算機承擔(dān)應(yīng)用層功能,無線傳輸單元承擔(dān)SFM和CFM功能;地面RBC側(cè)的安全計算機承擔(dān)應(yīng)用層和SFM功能,無線通信服務(wù)器承擔(dān)CFM功能。無線通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層按照車地?zé)o線報文定義和運用原則,生成和使用無線消息,實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)的頂層交互。應(yīng)用層通過采用時間戳、超時、源和目標(biāo)標(biāo)識符、反饋報文等一系列防護措施,以保障消息真實、完整、實時和有序。

安全層采用國際通用的3DES加密算法生成64比特的消息驗證碼,防止信息篡改,保障信息安全。安全層通過采取信源認(rèn)證、端到端認(rèn)證、安全連接管理、信息加密解密等措施,保障信息傳輸安全。

傳輸層采用ITU-T X.224開放傳輸協(xié)議,為車地?zé)o線通信提供端到端的可靠透明雙向傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層采用ITU-T T.70協(xié)議,配合傳輸層,實現(xiàn)信息的分割和重組。

數(shù)據(jù)鏈路層采用ISO/IEC 7776規(guī)定的HDLC協(xié)議,實現(xiàn)鏈路的建立、維持和釋放。

物理層采用支持GSM-R制式的終端設(shè)備,與GSM-R網(wǎng)絡(luò)建立通信信道,實現(xiàn)無線消息比特流的調(diào)制和解調(diào)。

1.3 無線通信協(xié)議分割重組概況

受限于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量,為滿足傳輸實時性的要求,C3列控系統(tǒng)按照最大40字節(jié)進(jìn)行端到端的信息傳輸,因此,信息在無線通信協(xié)議各層之間傳輸時,需進(jìn)行分割和重組。

應(yīng)用信息≤114字節(jié)時,分割重組示例如圖3所示。

圖3 應(yīng)用信息≤114字節(jié)的分割重組示例

應(yīng)用信息≤114字節(jié)時,傳輸層的最大字節(jié)長度不超過128字節(jié),只需網(wǎng)絡(luò)層按最大34字節(jié)進(jìn)行分割重組。

應(yīng)用信息>114字節(jié)時,分割重組示例如圖4所示。

圖4 應(yīng)用信息>114字節(jié)的分割重組示例

應(yīng)用信息>114字節(jié)時,傳輸層的最大字節(jié)長度將超過128字節(jié),傳輸層需按最大128字節(jié)進(jìn)行分割重組,網(wǎng)絡(luò)層按最大34字節(jié)進(jìn)行分割重組。

2 5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議設(shè)計

在設(shè)計5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議時,一方面要充分利用5G-R網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,提高無線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸容量和傳輸速率;另一方面要吸收GSM-R網(wǎng)絡(luò)下無線通信協(xié)議多年的運用經(jīng)驗,取長補短,使5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議設(shè)計更加合理可靠。

2.1 無線通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)C3列控系統(tǒng)的平滑過渡,避免重大軟硬件改造帶來的不可控因素,由GSM-R網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到5G-R網(wǎng)絡(luò)后,車地?zé)o線通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計保持不變,但為適配5G-R網(wǎng)絡(luò),車載ATP設(shè)備和地面RBC設(shè)備需對與無線通信協(xié)議相關(guān)的軟硬件部分進(jìn)行改造和升級[13-14]。

2.2 無線通信協(xié)議分層設(shè)計

由于C3列控系統(tǒng)的應(yīng)用層和安全層不受網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的影響,在5G-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信協(xié)議中應(yīng)用層和安全層保持不變。由于5G-R網(wǎng)絡(luò)下車地端到端之間使用IP地址通信,因此車地?zé)o線通信協(xié)議主要對CFM各層的協(xié)議進(jìn)行重新設(shè)計。5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 5G-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

從圖5中可以看出,與GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信協(xié)議相比,5G-R網(wǎng)絡(luò)下CFM部分在傳輸層之上增加了一個適配層。適配層之下的其他各層與GSM-R網(wǎng)絡(luò)下對應(yīng)的各層協(xié)議相同,但各層協(xié)議的功能和實現(xiàn)方式不再相同。

適配層是為了克服在傳輸過程中信息包長度不固定,信息包類型無法識別的問題而專門設(shè)計,主要用于對信息包進(jìn)行分界,便于信息包的正確識別,防止粘包,并提供一定的完整性校驗服務(wù)。

適配層信息的類型參照GSM-R網(wǎng)絡(luò)下傳輸層X.224協(xié)議使用的部分TPDU(傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元)類型,包含4種類型,如表1所示。

表1 適配層信息包類型

傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層采用成熟運用的TCP/IP協(xié)議,其中TCP協(xié)議提供面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的通信服務(wù),IP協(xié)議提供源地址到目的地址的信息傳輸,并進(jìn)行信息的分割和重組。車載ATP作為客戶端,地面RBC作為服務(wù)端,由車載主動與地面建立和維持可靠的TCP傳輸。

數(shù)據(jù)鏈路層采用撥號上網(wǎng)的PPP協(xié)議,用于在客戶端和服務(wù)端之間提供點對點的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[15-16]。PPP協(xié)議是一系列協(xié)議族的統(tǒng)稱,是HDLC協(xié)議的發(fā)展和擴充。PPP協(xié)議主要使用3種類型的協(xié)議。

(1)鏈路控制協(xié)議(LCP):用于鏈路參數(shù)配置選項的協(xié)商,處理不同類型的控制幀,負(fù)責(zé)鏈路狀態(tài)的建立、維持和終止。

(2)網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(NCP):用于網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議的參數(shù)協(xié)商,動態(tài)獲取通信雙方的IP地址。

(3)IP控制協(xié)議(IPCP):用于IP報文的HDLC格式封裝,通過串口實現(xiàn)與終端設(shè)備之間的上層數(shù)據(jù)交互。

物理層采用支持5G-R制式的終端設(shè)備,與5G-R網(wǎng)絡(luò)建立通信信道,實現(xiàn)信息比特流的調(diào)制和解調(diào)。

2.3 無線通信協(xié)議分割重組設(shè)計

在5G-R網(wǎng)絡(luò)下,無線通信協(xié)議承載的信息容量增加,設(shè)計的無線通信協(xié)議無需進(jìn)行復(fù)雜的分割和重組。5G-R網(wǎng)絡(luò)下的車地信息分割重組設(shè)計如圖6所示。

圖6 車地信息分割重組示例

從圖6可以看出,由于無線通信協(xié)議每層可傳輸?shù)男畔㈤L度增加,特別是數(shù)據(jù)鏈路層的信息域字段最大長度支持1 500字節(jié),能夠?qū)崿F(xiàn)C3列控系統(tǒng)車地?zé)o線消息的一次性傳輸。

適配層在信息域前增加10字節(jié)的幀頭,并提供16比特的FCS(幀校驗序列)字段,用于信息包的完整性校驗。適配層幀頭信息如圖7所示。

圖7 適配層幀頭信息

版本、應(yīng)用類型和N/R標(biāo)識為缺省值,信息包長度為包括除自身在內(nèi)的幀頭和信息域的所有字段,序號為發(fā)送適配層信息包的計數(shù)。

傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層遵循現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議,其中傳輸層的TCP協(xié)議幀頭字段為20字節(jié);網(wǎng)絡(luò)層使用IPv4協(xié)議,幀頭字段為20字節(jié)。

數(shù)據(jù)鏈路層的地址和控制字段為缺省值,由協(xié)議域區(qū)分PPP協(xié)議的類型,并提供16比特的FCS字段,用于信息包的完整性校驗。

3 差異性分析

GSM-R和5G-R網(wǎng)絡(luò)下無線通信協(xié)議的差異性主要體現(xiàn)在CFM部分。CFM部分的功能主要是在開放的傳輸系統(tǒng)中提供可靠的傳輸服務(wù),兩種網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議存在較大差異。

3.1協(xié)議各層功能差異分析

5G-R網(wǎng)絡(luò)下無線通信協(xié)議的適配層和傳輸層用于模擬和替代GSM-R網(wǎng)絡(luò)下傳輸層X.224協(xié)議的功能。因此,5G-R網(wǎng)絡(luò)下的適配層和傳輸層等價于GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的傳輸層。

兩種網(wǎng)絡(luò)下無線通信協(xié)議CFM部分各層的主要功能差異如表2所示。

表2 協(xié)議各層功能差異

從表2中可以看出,除網(wǎng)絡(luò)層功能基本相同外,傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層主要功能差異較大。GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的可靠性主要由傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層保障,5G-R網(wǎng)絡(luò)下的可靠性主要由傳輸層保障,數(shù)據(jù)鏈路層僅提供信息正確性校驗的有限保障措施。

3.2 協(xié)議傳輸可靠性差異分析

雖然兩種網(wǎng)絡(luò)下無線通信協(xié)議均提供可靠的傳輸服務(wù),但在實現(xiàn)方式、實現(xiàn)精細(xì)程度等方面不盡相同,導(dǎo)致協(xié)議最終的可靠性強度存在較大差異[17-21]。

在傳輸層網(wǎng)絡(luò)建立和釋放機制方面,GSM-R網(wǎng)絡(luò)下使用1次握手建立連接、1次揮手釋放連接的方式。5G-R網(wǎng)絡(luò)下使用3次握手建立連接、4次揮手釋放連接的方式,其中3次握手是為建立可靠的傳輸通道,4次揮手是為保證連接釋放前鏈路上的數(shù)據(jù)可靠到達(dá),避免丟失。

在確認(rèn)機制方面,GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議提供面向報文的傳輸服務(wù),對報文中的序號進(jìn)行確認(rèn),5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議提供面向字節(jié)流的傳輸服務(wù),對字節(jié)流的長度進(jìn)行確認(rèn),因此兩者的確認(rèn)機制不同。GSM-R網(wǎng)絡(luò)下由傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層對報文的序號進(jìn)行確認(rèn),保障按序接收,防止亂序。5G-R網(wǎng)絡(luò)下由傳輸層通過確認(rèn)號對發(fā)送的字節(jié)流長度進(jìn)行連續(xù)確認(rèn)。

在流量控制方面,GSM-R網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)鏈路層通過本端檢測到接收緩沖區(qū)滿時,向?qū)Χ税l(fā)送忙狀態(tài),令對端停止發(fā)送;本端可繼續(xù)接收數(shù)據(jù)時,向?qū)Χ税l(fā)送不忙狀態(tài),令對端恢復(fù)發(fā)送。5G-R網(wǎng)絡(luò)下傳輸層通過采用滑動窗口機制,動態(tài)調(diào)整對端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率,防止本端接收緩沖區(qū)滿。即使本端接收緩沖區(qū)滿,對端也會通過啟動定時器,向本端發(fā)送探詢報文,在本端可繼續(xù)接收數(shù)據(jù)時,對端恢復(fù)發(fā)送,防止死鎖。GSM-R網(wǎng)絡(luò)下采用一開一關(guān)的簡單控制方式,5G-R網(wǎng)絡(luò)下綜合采用預(yù)防機制和開關(guān)機制,流量控制更為精細(xì)。

在擁塞控制方面,GSM-R網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)鏈路層在本端檢測到數(shù)據(jù)丟失時,直接啟動重傳,對端將丟失的數(shù)據(jù)按序一次性發(fā)送到本端。5G-R網(wǎng)絡(luò)下傳輸層使用慢啟動、擁塞避免、快速重傳、快速恢復(fù)等方式,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞程度自動調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送周期,減少網(wǎng)絡(luò)擁塞,實現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳。GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的擁塞控制方式,可能引起更大的網(wǎng)絡(luò)擁塞,重傳的數(shù)據(jù)仍會出現(xiàn)丟失的情況,造成重傳數(shù)據(jù)時間過長,影響傳輸效率。5G-R網(wǎng)絡(luò)下的擁塞控制可有效降低丟失數(shù)據(jù)的情況。

在超時重傳方面,GSM-R網(wǎng)絡(luò)下傳輸層不使用重傳功能,只在數(shù)據(jù)鏈路層使用,超時時間采用固定定時器。5G-R網(wǎng)絡(luò)下傳輸層的超時時間采用一種自適應(yīng)算法,基于報文發(fā)送與確認(rèn)的往返時間,配合加權(quán)平權(quán)計算,得到一個隨網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自動調(diào)整的時間,實現(xiàn)非固定周期的超時重傳,減少不必要的重傳引起的網(wǎng)絡(luò)資源占用。

在校驗方式方面,GSM-R網(wǎng)絡(luò)下只在數(shù)據(jù)鏈路層使用16比特的FCS校驗。5G-R網(wǎng)絡(luò)下適配層對幀頭使用16比特的FCS校驗,傳輸層使用16比特的校驗和(CheckSum)校驗,網(wǎng)絡(luò)層對幀頭使用16比特的校驗和校驗,數(shù)據(jù)鏈路層使用16比特的FCS校驗。雖然5G-R網(wǎng)絡(luò)下傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層提供的16比特校驗和方式強度不高,但通過協(xié)議逐層校驗的方式,數(shù)據(jù)校驗結(jié)果的可靠性得到極大提高。

兩種網(wǎng)絡(luò)下協(xié)議傳輸可靠性措施強弱對比情況如表3所示。

表3 協(xié)議可靠性措施強弱對比

因此,相比于GSM-R網(wǎng)絡(luò),5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議可靠性措施更多樣化,控制更精細(xì)化,協(xié)議傳輸?shù)目煽啃愿摺?/p>

3.3 協(xié)議傳輸效率差異分析

GSM-R網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)鏈路層信息域長度最大僅為34字節(jié),其中協(xié)議各層幀頭等附加信息長度為16字節(jié)。若應(yīng)用信息≯18字節(jié)(例如車到地的消息確認(rèn)信息長度僅為14字節(jié)),無需數(shù)據(jù)分割,數(shù)據(jù)鏈路層只需一次收發(fā)。若應(yīng)用信息>18字節(jié),需進(jìn)行數(shù)據(jù)分割,數(shù)據(jù)鏈路層需進(jìn)行多次收發(fā)。按照應(yīng)用信息長度最大500字節(jié),需分割為17包數(shù)據(jù),考慮發(fā)送周期,數(shù)據(jù)鏈路層收發(fā)耗時將大大增加。在網(wǎng)絡(luò)擁塞造成數(shù)據(jù)丟失時,將引起更多的網(wǎng)絡(luò)資源消耗,嚴(yán)重影響傳輸效率,無線通信超時幾率增加。

5G-R網(wǎng)絡(luò)下無線通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層信息域長度最大1500字節(jié),數(shù)據(jù)收發(fā)無需分割重組。但由于信息域內(nèi)協(xié)議各層幀頭等附加信息長度為59字節(jié),在相同傳輸速率下,應(yīng)用信息數(shù)據(jù)量小時,傳輸效率不占優(yōu)勢,但應(yīng)用信息數(shù)據(jù)量大時,傳輸效率將明顯增加。即使因網(wǎng)絡(luò)擁塞造成數(shù)據(jù)丟失,也只需一次重傳即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)補發(fā),減少了網(wǎng)絡(luò)資源開銷。因此,在相同傳輸速率下,5G-R下的無線通信協(xié)議優(yōu)勢不能充分發(fā)揮,需提高終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率,才能充分發(fā)揮協(xié)議的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

隨著5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日趨成熟,基站鋪設(shè)日益增加,為鐵路移動通信系統(tǒng)由GSM-R網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到5G-R網(wǎng)絡(luò)提供了良好的先決條件。從總體結(jié)構(gòu)、協(xié)議分層和協(xié)議分割重組等方面對C3列控系統(tǒng)在5G-R網(wǎng)絡(luò)下的無線通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計,從協(xié)議功能、傳輸可靠性、傳輸速率等方面對無線通信協(xié)議在兩種網(wǎng)絡(luò)下的差異性進(jìn)行比對分析。相比GSM-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信協(xié)議,5G-R網(wǎng)絡(luò)下的車地?zé)o線通信協(xié)議功能更加豐富,傳輸可靠性更高,傳輸速率更快,可充分利用和發(fā)揮5G-R網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

后續(xù)將對C3列控系統(tǒng)車地?zé)o線通信存在的通信超時問題,以及車載電臺注網(wǎng)問題進(jìn)行持續(xù)研究,以期在5G-R網(wǎng)絡(luò)下向C3列控系統(tǒng)提供更加完善的車地?zé)o線通信解決方案。