楊俐，辛怡，胡光祥，傅丹，劉立海

近年來(lái)，市域（郊）鐵路憑借其大運(yùn)量、快速化、公交化的特點(diǎn)，成為綜合交通體系的重要組成部分。通信信號(hào)系統(tǒng)在市域鐵路的運(yùn)輸指揮調(diào)度、列控系統(tǒng)車地安全信息傳送、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和應(yīng)急指揮通信方面發(fā)揮著重要作用。由于CTCS2+ATO（簡(jiǎn)稱“C2+ATO”）制式的信號(hào)系統(tǒng)具有良好的互聯(lián)互通特性，在相當(dāng)一部分市域鐵路工程中得到應(yīng)用。雖然C2+ATO業(yè)務(wù)承載有比較完整的技術(shù)規(guī)范，但其采用的移動(dòng)通信系統(tǒng)是GSM-R制式，運(yùn)營(yíng)方式也是偏向國(guó)鐵模式，與市域鐵路要求的公交化運(yùn)營(yíng)有一定的差距；而且目前GSM-R系統(tǒng)主要用于高速鐵路、城際鐵路和既有干線（簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵”），以及與國(guó)鐵集團(tuán)鐵路有直接交路的地方鐵路，適用于大范圍的全程全網(wǎng)鐵路，而地方獨(dú)資的市域鐵路若采用GSM-R系統(tǒng)，頻率申請(qǐng)以及干擾協(xié)調(diào)有一定難度，且與國(guó)鐵的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理體制存在較大差別；因此區(qū)域范圍內(nèi)的市域鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)更傾向于采用1.8 GHz的LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）系統(tǒng)。為此有必要根據(jù)此全新組合模式下車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)需求，分析研究LTE集群調(diào)度通信實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)架構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)調(diào)度命令、ATO信息、無(wú)線車次號(hào)校核信息傳送等業(yè)務(wù)功能的解決方案。

1 通信方式

集群調(diào)度通信是各類專用移動(dòng)通信的核心業(yè)務(wù)，對(duì)市域鐵路也不例外。目前應(yīng)用于鐵路行業(yè)的LTE系統(tǒng)的集群調(diào)度通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式主要有：移動(dòng)一鍵通（Push-to-talk over cellular，PoC）方案、基于寬帶集群通信（B-TrunC）標(biāo)準(zhǔn)方案和基于關(guān)鍵語(yǔ)音業(yè)務(wù)（Mission Critical Push To Talk，MCPTT）標(biāo)準(zhǔn)方案［1］。

PoC方案是一種基于會(huì)話初始協(xié)議（SIP）及IP化的傳輸手段，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與承載分離，類似于微信語(yǔ)音群組方式實(shí)現(xiàn)集群調(diào)度語(yǔ)音通信。由于采用的是純應(yīng)用層的解決方案，其缺點(diǎn)非常明顯，如無(wú)法通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)呼叫控制、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)保障、時(shí)延控制等，且集群通信采用單播方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享，因此不對(duì)該方案做深入分析。

B-TrunC方案是基于3GPP R9版本的LTE系統(tǒng)，針對(duì)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行修改，在保證兼容LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了語(yǔ)音集群基本業(yè)務(wù)和輔助業(yè)務(wù)，以及多媒體集群調(diào)度等寬帶集群業(yè)務(wù)功能；可提供多行業(yè)共網(wǎng)管理方案，滿足城市無(wú)線政務(wù)公安、消防、醫(yī)療、城管、交通、環(huán)保等多行業(yè)部門共用網(wǎng)絡(luò)的要求，各行業(yè)部門通過(guò)VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）或獨(dú)立核心網(wǎng)進(jìn)行獨(dú)立的用戶簽約和業(yè)務(wù)管理，可共享無(wú)線接入網(wǎng)和頻譜資源［2］；在寬帶集群產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的推動(dòng)下，發(fā)布了基于LTE技術(shù)的寬帶集群通信系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)展了大量的互聯(lián)互通測(cè)試，在行業(yè)專用通信中得到大量應(yīng)用；同時(shí)，在城市軌道交通行業(yè)制定了LTE-M序列規(guī)范，在城市軌道交通領(lǐng)域的大量實(shí)踐，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)的LTE系統(tǒng)在滿足行業(yè)調(diào)度通信及關(guān)鍵應(yīng)用方面、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面和產(chǎn)業(yè)鏈方面的成熟度和完整度。

MCPTT是3GPP中引入針對(duì)公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用層框架，可以實(shí)現(xiàn)集群組呼、廣播及優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，符合鐵路通信業(yè)務(wù)的安全可靠需求，同時(shí)支持關(guān)鍵語(yǔ)音、關(guān)鍵數(shù)據(jù)（MCData）以及關(guān)鍵視頻（MCVedio）等業(yè)務(wù)，簡(jiǎn)稱MCX方案。在國(guó)鐵集團(tuán)2015年起開(kāi)展的450 MHz LTE-R相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究中［3］，提出采用基于MCX架構(gòu)實(shí)現(xiàn)LTE-R系統(tǒng)的調(diào)度通信功能，并通過(guò)開(kāi)發(fā)專用接口實(shí)現(xiàn)與鐵路既有有線調(diào)度通信系統(tǒng)的互通，以及功能號(hào)呼叫、基于位置尋址呼叫等與用戶功能和基于位置相關(guān)的調(diào)度業(yè)務(wù)［4］。但此方案完成初步試驗(yàn)后，其序列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)停止研究，國(guó)鐵集團(tuán)現(xiàn)轉(zhuǎn)向研究5G-R標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見(jiàn)，基于MCX標(biāo)準(zhǔn)的LTE-R系統(tǒng)雖然已經(jīng)開(kāi)展初步試驗(yàn)以及與有線調(diào)度通信系統(tǒng)互通的測(cè)試，但相較于基于B-TrunC技術(shù)的LTE系統(tǒng)，應(yīng)用功能和產(chǎn)品互聯(lián)互通方面還有待深入研究，且其產(chǎn)業(yè)鏈及標(biāo)準(zhǔn)體系均不完備?，F(xiàn)階段更適合采用條件相對(duì)成熟的B-TrunC架構(gòu)的LTE系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)的LTE市域鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，由LTE核心網(wǎng)、無(wú)線接入系統(tǒng)、終端、集群調(diào)度服務(wù)器、LTE應(yīng)用接口服務(wù)器、運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于同時(shí)支持集群功能和數(shù)據(jù)功能的LTE核心網(wǎng)，包括演進(jìn)的歸屬簽約服務(wù)器（eHSS）、演進(jìn)的移動(dòng)性管理實(shí)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(wú)線接入網(wǎng)包括LTE基站（eNodeB）或基帶單元（BBU）和遠(yuǎn)程射頻單元（RRU）［5］。終端包括車載電臺(tái)、車載數(shù)據(jù)終端（TAU）、固定臺(tái)、手持終端、SIM卡等。運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括CTC、TSRS、DMS、PIS和IMS等。

3 業(yè)務(wù)需求

對(duì)于時(shí)速160 km的市域鐵路，參照同類型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10623—2014）的相關(guān)規(guī)定，信號(hào)系統(tǒng)采用C2+ATO制式，其移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)提供普通語(yǔ)音通信、調(diào)度通信、調(diào)度命令、無(wú)線車次號(hào)校核及C2+ATO等列控系統(tǒng)車地信息傳送業(yè)務(wù)。

為適應(yīng)市域鐵路公交化運(yùn)營(yíng)，提升運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率，以及改善旅客乘坐體驗(yàn)，C2+ATO系統(tǒng)也對(duì)運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行了一定的改進(jìn)，如增加列車“無(wú)人自動(dòng)折返”功能，車地通信增加軌道交通傳統(tǒng)的列車緊急文本下發(fā)、車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）和車載視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)傳送等應(yīng)用業(yè)務(wù)［6］。

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有基于B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)的LTE承載信號(hào)C2+ATO系統(tǒng)的應(yīng)用案例，在傳統(tǒng)軌道交通中LTE系統(tǒng)承載基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）信號(hào)，沒(méi)有涵蓋C2+ATO制式市域鐵路典型的調(diào)度命令信息、列車無(wú)線車次號(hào)校核信息、ATO信息等傳送業(yè)務(wù)，因此有必要對(duì)基于C2+ATO系統(tǒng)的市域鐵路LTE移動(dòng)通信業(yè)務(wù)承載解決方案進(jìn)行研究。

4 實(shí)現(xiàn)方案

4.1 ATO信息傳送業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

目前，國(guó)鐵ATO系統(tǒng)主要有2種方式實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門控制和運(yùn)行計(jì)劃處理：第1種是應(yīng)用于珠三角城際的C2+ATO系統(tǒng)，該方式是在地面設(shè)置通信控制服務(wù)器（CCS）；第2種是在京沈客專試驗(yàn)成功的高速鐵路ATO系統(tǒng)，該方式是在地面設(shè)置臨時(shí)線速服務(wù)器（TSRS）。市域鐵路通常采用第2種高速鐵路ATO系統(tǒng)架構(gòu)，在TSRS、CTC（調(diào)度集中系統(tǒng)）、TCC（列控中心）、GSM-R等地面設(shè)備上增加功能，車站股道增加精確定位應(yīng)答器，車載設(shè)備增加ATO單元、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）電臺(tái)及相關(guān)配套設(shè)備，并在ATP車載設(shè)備上增加列車開(kāi)門防護(hù)及折返等功能。

市域鐵路ATO列控區(qū)段車載設(shè)備與地面TSRS間傳送自動(dòng)駕駛信息，此信息傳送對(duì)于通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是透明的，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)可以參考高速鐵路GSM-R分組域承載ATO信息傳送方式：信號(hào)系統(tǒng)地面TSRS設(shè)備與ATO車載設(shè)備之間新增車地GPRS通道，ATO車載設(shè)備通過(guò)Um接口接入GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)，地面TSRS設(shè)備通過(guò)Gi接口與GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)的GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)車載ATO設(shè)備與地面TSRS設(shè)備之間發(fā)送或反饋運(yùn)行計(jì)劃、列車運(yùn)行狀態(tài)、站間數(shù)據(jù)、站臺(tái)門狀態(tài)或開(kāi)/關(guān)命令等信息［7］。

在GSM-R/GPRS模式下采用分組域Gi接口實(shí)現(xiàn)高速鐵路ATO信息傳送，可直接借鑒市域鐵路LTE系統(tǒng)，TSRS系統(tǒng)作為應(yīng)用業(yè)務(wù)通過(guò)SGi接口接入LTE網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信通過(guò)IP方式相互訪問(wèn)?；贚TE系統(tǒng)的市域鐵路ATO信息傳送見(jiàn)圖2［8］。

圖2 基于LTE系統(tǒng)的市域鐵路ATO信息傳送

為了使車載ATO/數(shù)據(jù)接入單元（TAU）和TSRS間建立通信，需要雙方能找到對(duì)方IP地址。由于TSRS一般按線設(shè)置，因此可以預(yù)先固定分配各線TSRS的IP地址，ATO車載TAU的IP地址在開(kāi)機(jī)登錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)由網(wǎng)絡(luò)分配。ATO車載設(shè)備通過(guò)地面應(yīng)答器讀入或司機(jī)人工輸入所屬TSRS的IP地址，ATO車載TAU向此IP地址發(fā)送信息，雙方建立連接?？鏣SRS時(shí)，同樣是ATO車載TAU主動(dòng)發(fā)送信息修改對(duì)應(yīng)TSRS的IP地址。

4.2 調(diào)度命令及列車無(wú)線車次號(hào)校核信息傳送業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

我國(guó)高速鐵路通常采用GPRS子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度命令及列車無(wú)線車次號(hào)校核信息傳送。GPRS子系統(tǒng)的核心設(shè)備是GRIS（GPRS接口服務(wù)器），它通過(guò)與信號(hào)側(cè)設(shè)置的GSM-R通信接口服務(wù)器建立與CTC系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)傳輸層和應(yīng)用層通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、IP地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、IP地址更新等功能［9］。

市域鐵路LTE系統(tǒng)雖然采用分組技術(shù)，但與應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口相較其與GSM-R存在較大差異，其系統(tǒng)架構(gòu)不支持CTC系統(tǒng)接入GRIS、DNS（域名系統(tǒng)）、RADIUS（遠(yuǎn)程撥入用戶服務(wù)器）等設(shè)備，不具備傳輸層和應(yīng)用層通信協(xié)議轉(zhuǎn)換以及機(jī)車號(hào)與IP地址對(duì)應(yīng)的功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)度命令及車次號(hào)校核信息傳送業(yè)務(wù)。

建議LTE系統(tǒng)采用鐵路專用應(yīng)用接口系統(tǒng)替代GRIS，實(shí)現(xiàn)CTC系統(tǒng)與市域鐵路LTE系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)交互及行車控制系統(tǒng)的車地通信。市域鐵路LTE系統(tǒng)中應(yīng)用接口系統(tǒng)車地通信架構(gòu)及冗余設(shè)置方式見(jiàn)圖3。

圖3 市域鐵路LTE系統(tǒng)中應(yīng)用接口系統(tǒng)車地通信架構(gòu)及冗余設(shè)置方式

4.3 自動(dòng)折返下通信車載臺(tái)同步換端業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)市域鐵路公交化、高密度的運(yùn)營(yíng)需求，追蹤間隔時(shí)間通常要求3 min，C2+ATO系統(tǒng)也針對(duì)運(yùn)營(yíng)需求增加了“無(wú)人自動(dòng)折返”功能，縮短折返時(shí)間。

目前在高速鐵路領(lǐng)域中，采用CTCS制式線路的通信、信號(hào)系統(tǒng)均未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)折返功能，通信車載臺(tái)通常是由司機(jī)人工激活車載臺(tái)換端，換端過(guò)程中設(shè)備需要上電、自檢、車次號(hào)注冊(cè)、機(jī)車功能號(hào)注冊(cè)等操作，時(shí)間需要2～3 min（考慮雙司機(jī)，不含司機(jī)走行時(shí)間），嚴(yán)重影響市域鐵路公交化運(yùn)營(yíng)的實(shí)現(xiàn)［10］。

為滿足自動(dòng)折返需求，車輛兩端車載通信設(shè)備的自動(dòng)激活換端有以下2種方案。

方案一。通信車載臺(tái)間直接通過(guò)車輛總線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，A端收到司機(jī)注銷操作時(shí)自動(dòng)發(fā)送換端激活信息給B端，B端啟動(dòng)自檢、注冊(cè)等流程。該方案通信車載臺(tái)換端需要利用專用車輛總線，由于信號(hào)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)折返業(yè)務(wù)已經(jīng)占用一部分列車總線資源，若通信也要占用車輛總線，會(huì)導(dǎo)致列車總線資源更為緊張。而且，通信車載臺(tái)若采用無(wú)線通信方式換端，則需要保持兩端無(wú)線設(shè)備時(shí)刻處于在線通信狀態(tài)，這對(duì)調(diào)度通信模式和車載臺(tái)的運(yùn)用提出較大的改變，對(duì)整體系統(tǒng)架構(gòu)影響較大。

方案二。通信車載臺(tái)與信號(hào)車載設(shè)備新增通信接口，用于接收信號(hào)車載設(shè)備發(fā)送的換端、激活信息，通信車載臺(tái)自動(dòng)完成一端注銷、一端注冊(cè)的換端流程，信號(hào)車載設(shè)備通過(guò)車輛總線實(shí)現(xiàn)兩端的車載設(shè)備間信息交互并交接控制權(quán)。該方案通過(guò)增加通信接口接收信號(hào)設(shè)備的換端信息，實(shí)現(xiàn)通信車載同步換端，并自動(dòng)完成注冊(cè)、注銷及無(wú)線車次號(hào)校核等業(yè)務(wù)，從系統(tǒng)性和統(tǒng)一協(xié)調(diào)性來(lái)看更具優(yōu)勢(shì)。

綜合分析以上2種方案，在實(shí)際應(yīng)用中更推薦方案二，其主要場(chǎng)景流程、功能實(shí)現(xiàn)如下。

1）車輛兩端的車載通信設(shè)備分別需要預(yù)留2路網(wǎng)絡(luò)通道，用于與主備車載信號(hào)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信，獲取車輛激活、車次號(hào)、公里標(biāo)、啟動(dòng)停穩(wěn)等信息。在車輛進(jìn)行折返換端時(shí)，自動(dòng)激活對(duì)應(yīng)的通信車載臺(tái)設(shè)備。

2）車輛激活端的通信車載設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行列車無(wú)線車次號(hào)校核，發(fā)送啟動(dòng)停穩(wěn)信息至地面LTE系統(tǒng)應(yīng)用接口服務(wù)器，經(jīng)LTE應(yīng)用接口系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給CTC通信服務(wù)器。

3）CTC系統(tǒng)通過(guò)CTC通信接口服務(wù)器下發(fā)調(diào)度命令信息，包括調(diào)度命令和列車進(jìn)路預(yù)告等，經(jīng)LTE系統(tǒng)應(yīng)用接口服務(wù)器轉(zhuǎn)換車次號(hào)、機(jī)車號(hào)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址信息后進(jìn)行發(fā)送；對(duì)應(yīng)的通信車載臺(tái)設(shè)備接收該調(diào)度命令信息，自動(dòng)確認(rèn)并提示司機(jī)進(jìn)行人工簽收確認(rèn)，通信車載臺(tái)完成換端。

5 結(jié)論

1）綜合考慮C2+ATO制式市域鐵路運(yùn)輸組織模式、運(yùn)營(yíng)管理需求，以及智慧化業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，從互聯(lián)互通特性、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成熟度和產(chǎn)業(yè)鏈完備度等方面進(jìn)行分析，推薦采用基于B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)的LTE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)市域鐵路集群調(diào)度通信業(yè)務(wù)，并提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù)綜合承載。

2）利用應(yīng)用接口系統(tǒng)及車載設(shè)備新增通信接口的方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)度命令、無(wú)線車次號(hào)校核信息傳送業(yè)務(wù)和列車自動(dòng)折返同步換端信號(hào)系統(tǒng)信息交互業(yè)務(wù)。

3）為實(shí)現(xiàn)市域鐵路網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，基于B-TrunC標(biāo)準(zhǔn)的LTE系統(tǒng)還需進(jìn)一步研究列車跨線運(yùn)行時(shí)不同核心網(wǎng)漫游和集群調(diào)度功能的連續(xù)性，為后續(xù)市域鐵路成網(wǎng)運(yùn)營(yíng)、保障行車安全、提高運(yùn)輸效率、提升維護(hù)水平等方面提供技術(shù)支撐。