基于铁路下一代移动通信系统的CTCS-3 列控数据传输接口及协议研究

石 杰 李 莉

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

目前，CTCS-3列控系统已在我国高速铁路得到大规模应用，基于GSM-R系统传输车地信息，CTCS-3列控系统对GSM-R系统的需求以及两个系统之间的接口等规范均已制定，CTCS-3列控系统基于GSM-R系统传输车地信息的应用已非常成熟。

然而，GSM-R系统作为一种窄带通信系统，4 MHz带宽的业务承载能力有限，在铁路大站、枢纽地区及并线区域，已经出现系统内部同频、邻频干扰严重等问题，网络规划难度不断加大。同时，为进一步保障铁路运行安全，提高运输效率，改善服务质量，各种铁路移动通信业务需求，特别是宽带移动通信业务需求与日俱增。但铁路多媒体调度指挥通信、列车远程监控及铁路基础设施监测、铁路物联网、站场无线通信、旅客服务信息传送等业务因带宽限制无法实现由GSM-R系统承载。

为解决目前存在的问题，并考虑未来业务需求，GSM-R系统需向下一代移动通信系统演进。下一代移动通信系统应具有支持带宽高、频谱利用率高、低时延、更高的服务质量保障、支持高速移动性等优势。目前，LTE以其技术和产业链的成熟度在国内外铁路、轨道交通领域获得广泛关注，已开展相关研究、试验和应用工作，部分地区已建设基于LTE系统的专网。我国铁路也已启动LTE-R系统的相关科研和试验工作。

在承载列控业务方面，从列控业务应用现状及未来发展需求来看，也需要移动通信网络提供更优的承载能力与更加安全可靠的服务能力。国外铁路已开展基于LTE系统承载列控业务的相关研究工作，但还没有明确的成果，国内铁路的研究也是刚刚开始。

综合铁路移动通信系统向下一代演进的趋势、CTCS-3列控系统对数据传输的需求，我国铁路有必要加快开展基于铁路下一代移动通信系统承载列控业务的相关研究。这对于铁路移动通信网络为列控系统提供更优的通信保障，提高我国在国际上的技术领先地位均具有重要意义。

需要注意的是，铁路下一代移动通信系统为宽带移动通信系统，采用分组技术，其在网络服务质量、网络架构、与应用系统的接口、组网方案、安全技术等方面与GSM-R均存在较大差异。本文以LTE-R系统为例，着重从LTE-R系统与CTCS-3列控系统的接口及协议方面展开研究，希望通过本文的研究，提出LTE-R系统承载CTCS-3列控系统的接口及协议方案，为后续标准化、相关产品研发和工程实际应用提供支撑和参考。

2 CTCS-3列控系统与铁路下一代移动通信系统接口研究

2.1 CTCS-3列控系统与GSM-R系统接口

CTCS-3列控系统与GSM-R系统的接口为IFIX接口、IGSM-R接口。

IFIX接口为CTCS-3列控系统RBC与GSM-R系统MSC间接口，用于传输RBC与GSM-R系统间的呼叫建立、数据传输、呼叫清除等信息。IGSM-R接口为CTCS-3列控系统车载无线传输单元（简称CTCS-3车载无线传输单元）与GSM-R车载电台间接口，用于传输CTCS-3车载无线传输单元与GSM-R车载电台间的呼叫建立、数据传输、呼叫清除等信息。

接口示意如图1所示。

图1 CTCS-3列控系统与GSM-R系统接口示意图Fig.1 Interface betweeen CTCS-3 train control system and GSM-R system

对于现有的CTCS-3列控系统车载无线传输单元，与GSM-R车载电台的接口采用串口方式，通过AT命令对车载电台进行控制，CTCS-3列控系统生成HDLC帧，由GSM-R车载电台、GSM-R网络进行透明传输，传送到RBC。GSM-R系统为CTCS-3列控业务提供4.8 kbit/s的传输速率。

2.2 CTCS-3列控系统与铁路下一代移动通信系统车载接口

铁路下一代移动通信系统以LTE-R系统为例，当由LTE-R系统承载列控业务时，LTE-R系统能够提供更高的传输速率，LTE-R系统与CTCS-3列控系统之间的接口应采用支持更高传输速率的接口，以匹配LTE-R系统的传输能力。考虑到接口设计的稳定性，建议参考移动通信向IP化发展的趋势，LTE-R系统与CTCS-3列控系统接口考虑IP化思路。

但是，考虑到LTE-R网络建设初期，已经上线运行的CTCS-3列控系统车载设备短时间内难以实现全面改造，因此，CTCS-3列控系统与LTE-R系统的车载接口方案可分两种情况。

2.2.1 CTCS-3列控系统车载对外接口不变时的方案

此方案在CTCS-3列控系统车载对外接口不变的情况下，为了实现与LTE-R系统互联，基于LTE-R系统实现数据传输，需增加协议转换单元，如图2所示。

图2 CTCS-3列控系统对外接口不变情况下方案示意图Fig.2 The scheme in the condition without changing any interface of CTCS-3 system

协议转换单元实现两个功能。

1）AT命令转换：将原GSM-R电路域AT命令转换为LTE-R分组域AT命令。重点包括连接建立与连接释放阶段的AT命令。

2）数据格式转换：将原HDLC帧封装为IP包，交给LTE-R车载电台传输，即需要将原HDLC帧按照IP协议进行再封装。

此方案适用于已经上线运行，短时间内难以进行改造的CTCS-3车载系统，方案具备快速部署的优点。但从列控数据处理过程来看，相当于在原协议（应用层—安全层—传输层—网络层—数据链路层（HDLC））基础上新增加IP协议的处理过程，增加了协议的复杂度和系统处理时延。同时，随着协议转换单元的引入，系统故障点会增加，稳定性较差，总体来看不是完美的解决方案，建议仅在初期过渡阶段使用此方案。

2.2.2 CTCS-3列控系统车载对外接口改造时的方案

此方案是当CTCS-3列控系统具备改造条件时，建议其改造对外接口。

控制命令，仍然为AT命令，建议采用串口方式传输；对于用户数据，需要提供高速率的接口，建议采用标准100BASE-T以太网接口或USB接口。接口物理针脚的定义根据接口类型确定。

当接口采用标准100BASE-T以太网接口时，信息传输符合如下协议。

1）传输层：UDP协议或TCP协议；

2）网络层：IP协议；

3）网络接口层：IEEE802.3标准以太网。

接口需具备以下4种功能。

1）AT命令接口：对LTE-R终端模块进行初始化、注册、激活承载等操作。

2）数据传输接口：传输ATP与RBC之间的列车控制消息。

3）消息跟踪接口：提供LTE-R终端模块空中接口消息，便于进行故障分析。

4）监测接口：提供LTE-R终端模块的工作状态。

此方案需要CTCS-3列控系统车载无线传输单元做协议栈修改，与列控系统产品演进规划相关，实施可能不会太快速，但与列控系统不做修改相比，不需引入转换单元，协议处理机制得到简化，同时，此方案与移动通信网的IP化发展方向一致，后续移动通信网演进，此方案不需再做修改，从长远来看具有较大优势。

2.3 CTCS-3列控系统与铁路下一代移动通信系统地面接口

目前，CTCS-3列控系统地面设备与GSM-R系统之间接口采用PRI协议，为基于电路域的接口。铁路下一代移动通信系统以LTE-R系统为例，LTE-R系统PGW对外提供的为以太网接口，建议CTCS-3列控系统地面设备与PGW之间直接改造为以太网接口。

地面接口建议采用标准100BASE-T以太网接口，即接口信息传输符合如下协议：

1）传输层：UDP协议或TCP协议；

2）网络层：IP协议；

3）网络接口层：IEEE802.3标准以太网。

接口需具备以下两种功能。

1）数据传输接口：传输ATP与RBC之间的列车控制消息。

2）监测接口：提供LTE-R网络地面设备的工作状态。

3 CTCS-3列控系统基于铁路下一代移动通信系统传输的协议研究

3.1 CTCS-3列控系统基于GSM-R系统传输的通信协议

CTCS-3列控系统基于GSM-R系统传输数据时，采用如下通信协议：应用层数据经过安全层、传输网、网络层处理，最后经数据链路层打包成HDLC帧，提供给GSM-R系统车载终端，即GSM-R系统需要承载的用户数据为HDLC帧，如图3所示。

图3 CTCS-3级列控系统基于GSM-R传输的通信协议Fig.3 Communication protocol for CTCS-3 system data transmission based on GSM-R

各层的处理过程如下：

1）安全层根据所传输的数据类型，为用户数据增加一个报头和MAC(有的不存在MAC域)；

2）传输层给数据增加了一个报头，然后根据数据长度，必要时，将数据分段/重组；

3）网络层将数据分段，每段最大长度为32 Byte，然后加上两个字节的报头；

4）链路层将根据数据类型及应用的帧格式，对其进行封装。

5）最后，将封装好的数据提交给GSM-R系统传输。

3.2 CTCS-3列控系统基于铁路下一代移动通信系统传输的通信协议

铁路下一代移动通信系统以LTE-R系统为例，根据2.2节CTCS-3列控系统与LTE-R系统车载接口的两种方案，CTCS-3列控系统基于LTE-R传输时的通信协议也分为两种情况。

对应于CTCS-3列控系统与LTE-R系统车载接口方案一，CTCS-3列控系统通信协议不做修改，需要将HDLC帧再封装为IP包，如图4所示，此方案增加了协议处理的复杂性和处理时延。

图4 CTCS-3列控系统基于LTE-R传输的通信协议（一）Fig.4 Communication protocol for CTCS-3 system data transmission based on LTE-R (scheme 1)

对应于CTCS-3列控系统与LTE-R系统车载接口方案二，建议改造CTCS-3列控系统现有的通信协议，简化数据处理流程，原应用层和安全层不变，修改传输层、网络层和数据链路层协议，此方案列控数据处理流程如图5所示。

考虑到CTCS-3列控业务对数据传输可靠性要求非常高，出错概率尽量降低，因此传输层使用TCP协议而不是UDP协议，能把出错的可能性降到最低。另外，需要综合考虑安全层功能，确定是否需要在安全层与传输层之间增加适配功能。

图5 CTCS-3列控系统基于LTE-R传输的通信协议（二）Fig.5 Communication protocol for CTCS-3 system data transmission based on LTE-R (scheme 2)

此方案与方案一相比，简化了通信协议，与移动通信网的IP化发展方向一致，后续移动通信网演进，此协议不需再做修改，从长远来看具有较大优势。

上述研究中，铁路下一代移动通信系统以LTE-R系统为例，当采用其他技术时，接口及协议研究思路类似，建议列控系统考虑移动通信系统从基于电路域传输向基于分组域传输演进的趋势，并根据CTCS-3列控系统综合评价，确定接口及通信协议方案。

4 结束语

本文结合铁路移动通信网发展趋势以及CTCS-3列控系统基于铁路移动通信系统传输数据的现状、业务需求，提出CTCS-3列控系统与铁路下一代移动通信系统之间的接口方案，包括车载接口和地面接口，并为适应铁路下一代移动通信系统特点，给出CTCS-3列控系统通信协议建议方案，可供设备研发、系统设计等参考。