基于D2D技术的车车通信研究

马得途，李国宁

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070)

车车之间实现通信已是轨道交通发展的必然趋势，国内外相关领域学者也正在开展研究。列车之间实现信息交互的意义在于前后行列车能够互通各自的运营信息，包括速度、位置等信息，从而避免铁路运输事故的发生[1]。

在车车之间实现通信的前提下，研究以车车通信为基础的联锁系统、列控技术，将大部分依靠地面设备传送的信息转移到列车之间，列车自主排列进路、控制道岔，从而减少地面设备，降低投资成本，中间设备的减少能够提高系统的可靠性，提高运营效率[2]。

车车通信环境的基本特点如下。

(1)线路环境比较复杂，包括桥梁、隧道、周边地形及建筑物、天气情况等等。

(2)列车运行速度快，高速铁路列车的运行速度现在已达到350 km/h，客专线路也已达到250 km/h，这就会对车车通信信道质量和稳定性提出更高的要求。

(3)在长大线路中，前后行列车之间的距离往往达到数十千米，这就对通信实时性提出更高的要求。

(4)前后行列车要可靠识别，最主要的是建立一套稳定可靠的识别机制，这是前后行列车实现信息交互的关键[3]。

1 车车通信技术方案

实现车车通信的主流方案分为短波技术和载频技术。短波方案中的设备简单易操作，成本较低，且该方法能够可靠实现列车之间的信息互通。但短波技术中对车载天线高度和方向的要求较为苛刻，天线高度达到了4～5 m[4]，超过了列车车厢高度，且该方案在列车运行在隧道等地形复杂的环境中的可靠性明显降低，而且短波技术是与一定范围内所有的列车进行信息互通，并不能精确识别出同一条线路同方向运行的列车。载频技术在近20年内得到了飞速发展，其中以GSM和其换代技术LTE最具代表性，该系统在社会生产生活的各个领域发挥了重大作用。原铁道部在2000年制订了GSM-R的相关技术标准，标志着GSM-R正式进入铁路领域，其中以2008年我国第一条高速铁路京津城际最具代表性。随着GSM的换代系统LTE的提出，国际铁路联盟也已将LTE-R作为下一代铁路移动通信系统[5-6]。研究利用LTE-R实现车车通信，有利于系统集成和技术预留。

本文研究车车通信主要包括两个技术方案，第一是实现前后行列车的身份识别方案，第二是前后行列车在准确可靠识别的基础上，利用D2D技术实现信息互通的通信方案。

2 前后行列车识别方案

两个终端要实现信息互通的前提是主叫方需要知道被叫方的通信地址，在铁路运输中主叫方为后车，被叫方为前车，但是前后行列车具有随机性。建立一个完整可靠的前后行列车识别方案是前后车建立通信的前提和基础[7]。本文中所研究的车车通信场景是列车在C3级线路追踪运行，且通信正常的情况下，对于通信故障后降级为C2的情况将另作研究。

CTCS-3级列控系统包括地面和车载两部分设备。地面设备由RBC、轨道电路、GSM-R设备、TCC和应答器等组成；车载设备包括VC(车载安全计算器)、RTU(GSM-R车载无线通信单元)、BTM(应答器信息接收模块)、TCR(轨道电路信息接收单元)、JRU/DUR(记录单元)、TIU(列车接口单元)、DMI(人机界面)等[8]。在C3系统中，前后行列车之间并没有直接通信的信息通道，而是通过车地通信将信息间接通过RBC和地面设备进行传输。这就使得系统过于复杂，可靠性和实时性不高。在现有C3系统中，列车在进入RBC区域时需要登录和注册，传输的信息包括列车位置、列车数据和车次号[9]。每列车所对应的车次号是唯一的，利用车次号的唯一性定义每列车的通信地址，其通信地址也具有唯一性。

在铁路运输中，同一条线路上的列车排列具有随机性，前后行列车的关系不固定。这就对前后行列车的身份识别提出了更高的要求，即在前后行列车不断变化的情况下，提出一个能够动态识别前后行列车身份的识别方案。为实现以上功能，拟加入地面设备列车通信管理单元，其主要功能如下。

(1)获取在RBC中注册成功的列车车次号。

(2)为车次号赋予唯一对应的通信地址。

(3)将第一列车(前车)的通信地址发送给第二列在RBC中注册成功的列车(后车)。

后车通过列车通信管理单元所发送的通信地址，向前车发起通信请求。

列车通信管理单元的布置如图1所示。

图1 列车通信管理单元布置示意

RBC所管辖的线路铺设方案为双线单向，在线路中运行的列车有上行列车和下行列车，而前后行列车识别的主体对象是同方向运行的追踪列车。

列车在运行过程中的唯一标识是车次号，其能够反映出列车的类型、长度等信息，是管理列车的重要信息[10]。车次号是规定编制且固定不变，其编制依据和上下行方向有关，铁路运输规定开往北京方向或者从支线到干线的方向为上行方向，驶离北京或从干线到支线的方向为下行方向。上行列车车次号为双数，下行列车车次号为单数，根据车次号的这一特性，使得列车通信管理单元能够区分出同方向的列车。列车通信管理单元的工作流程如图2所示。

图2 列车通信管理单元工作流程

2.1 列车通信管理单元布置

在研究列车管理单元布置原则时，本文是以后车为主体进行研究的。在C3线路中，RBC所管辖的范围比较大，一般在管辖区域内包含若干个车站，并且包括有本线与其他支线的交汇点。单纯依据在RBC中的注册顺序来判断列车的前后行关系不太可靠。所以在利用注册顺序的同时应当加入地点因素，利用时间和地点这两维因素来判断列车的实际位置。以下分为3种情况进行讨论。

(1)线路中有中间站

例如，在一个RBC管辖范围内有车站存在，当一对已注册成功且确定前后行身份的追踪列车进入RBC区域时，在前车已越行后车还未到达车站时，由中间站发出一列列车，根据上文所描述的单纯由注册顺序来判断，中间站发出的列车为追踪列车对的后续列车，但是其实际位置却是在追踪运行的列车对之间。可以看出，列车对的追踪关系会在出站口之后发生变更，因此在出站口额外布置列车通信管理单元，当列车追踪关系发生变更后能够协助列车重新完成身份识别，其布置方法如图3所示。

图3 存在中间站时的列车通信管理单元布置示意

(2)线路中有交汇点

当线路中存在交汇点时，追踪列车对的追踪关系可能会在交汇点之后发生变更，因此在变更点之后额外设置列车通信管理单元协助列车重新进行列车身份识别。其布置方法如图4所示。

图4 线路中存在交汇点时列车通信管理单元布置示意

(3)列控系统等级转换

当列车在线路中运行时，列控系统由于各种原因会发生等级转换。其中主要有两方面的原因：线路中存在等级转换点，使得经过该区域时都要进行等级转换；C3列控系统发生故障导致降级。

当两列已经确定前后行身份的追踪列车在C3等级下正常运行时，如果前方有降级转换区域。由于此时两列车已经通过身份识别并开始进行通信，在前车达到等级转换区域并完成等级转换后，通过车车通信系统将等级转换信息发送至后车，当两列车都通过等级转换区域并完成降级后，两列车在C2等级下追踪运行并保持正常通信。在两列已经确定前后行身份的追踪列车其中一辆发生故障导致降级运行，其原理同上述C3向C2的等级转换，由于两列车在发生故障前已经完成身份识别并开始通信，后行列车可通过车车通信系统实时掌握前车的运行状态，两列车在C2等级下追踪运行并保持正常通信。

当列车由C2向C3等级转换时，其布置原则同线路中存在中间站，在等级转换执行应答器后布置列车通信管理单元协助列车重新进行识别。其布置方法如图5所示。

图5 C2向C3转换时列车通信管理单元布置示意

3 前后行列车通信方案

在C3系统中，GSM-R作为无线通信的主体方案已经有了非常成熟的应用，但是随着高速铁路业务的不断发展，GSM-R的一些缺点也逐渐显露出来，其主要的问题是GSM-R是一个窄带系统，已经无法满足铁路运输日益增长的业务要求，如视频监控、移动多媒体、乘客信息系统等业务。LTE作为下一代无线通信系统，其较高的频谱利用率，灵活可变的载波带宽，覆盖范围广和实时性好等特点满足了下一代铁路通信系统所要求的高速率、低时延、高移动性和安全性等要求[11]。

在LTE-A中，D2D(Device-to-Device)通信是一种在系统控制下，能够使终端之间直接通信的延伸技术。该技术能够通过复用同小区内的频率资源，以提高频谱利用率，同时可以降低终端的发射功率，是下一代通信系统中的新型技术[12]，见图6。

图6 D2D通信原理

图6中链路a和b为终端1和终端2与基站之间的蜂窝通信链路；链路c是在同小区覆盖范围内终端1和终端2的D2D通信链路；链路d为经过信息中继技术的终端2和终端3的D2D通信链路。

D2D通信模式共有4种[13]。

(1)上行复用模式：终端通过复用小区内其他终端的上行频谱进行D2D通信。

(2)下行复用模式：终端通过复用小区内其他终端的下行频谱进行D2D通信。

(3)专用模式：同一小区内的频谱资源由蜂窝通信终端和D2D终端通信各占50%。

(4)中继专用模式：频谱资源的50%由蜂窝通信使用，其余50%由D2D通信的上行链路和下行链路各占25%。

上述模式中，上行复用、下行复用和专用模式中，D2D通信终端需在同一基站覆盖范围内。在中继专用模式中，可以使距离较远或在不同小区中的D2D终端之间实现通信[14]。

公网中的基站覆盖方式为面状覆盖，每个小区的形状呈六边形，小区内各有一个基站，形状酷似蜂窝，因此称为蜂窝小区。C3级线路的基站覆盖方式与公网中的基站覆盖方式有所不同，以现有的GSM-R为例，其基站以单网交织冗余覆盖网络的方式覆盖，是沿着铁路线路的带状覆盖，基站之间的距离一般为2.5～4 km[15]。其覆盖方式如图7所示。

图7 GSM-R基站覆盖方式示意(单位：km)

C3是基于无线通信的列控系统，列车允许运行速度300～350 km/h，追踪最小时间间隔为3 min，所以两列相邻列车的最小追踪距离间隔是15～19 km。

根据以上分析可知，两列车的最小间隔距离大于同一个基站的覆盖范围，如果利用D2D实现两列车的直接通信，其模式就不能选择上行复用、下行复用和专用模式，因为这3种模式都是在同一基站覆盖范围内。中继模式是利用中继设备经过信息多跳传输信息，中继设备对传输信息只进行信息放大和转发，公网在利用这一模式时，其信息中继点选择的是小区内已激活的空闲通信终端，经过将已激活的空闲终端作为信息中继点，将信息经过信息多跳传送至小区边缘和小区之外的终端。在铁路移动通信网络中，中继点如果额外敷设会增加工程投资，并且增加了系统的复杂度而导致可靠性降低。其次，铁路信号系统的发展方向是精简地面设备，将一部分地面设备的功能转移到列车上，这样可以使得系统复杂度降低，可靠性提高，同时列车可以自主进行选路排路，提高列车运行的灵活性，同时列车之间的追踪距离缩短了，继而可以提高运行效率。

D2D中的中继模式中，除以本小区内已激活的终端用户作为信息中继点之外，还有一种以相邻小区的基站作为中继点的多跳技术，其称为基站中继模式。这种基站中继方式和传统的信息转发的区别在于，D2D基站中继模式中信息不需要经过核心网的处理，而是由一台基站到下一台基站。在GSM-R系统中，相邻小区的基站之间不存在信息传输通道，在特殊情况下以光纤为媒介连通需要通信的基站除外。在LTE-A系统中，基站之间存在可以直接传输信令和数据的X2空中接口，这是LTE相对于传统GSM的重大变化，使得结构更加扁平化，基站与基站之间可以直接对话，并开始承担更多的资源管理和传输任务[16]。

综上可以得到，利用D2D基站中继模式实现列车之间直接通信的链路模型，如图8所示。

图8 D2D基站中继模式下的车车通信模型

4 车车通信系统可靠性验证

在一个可修复系统中，如果每个单元的使用寿命和修复时间都是呈指数分布，那么就可以利用马尔科夫模型验证该系统的可靠性[17]。本文在分析车车通信系统可靠性时，LTE-R的组网方式借鉴GSM-R进行研究。

4.1 马尔科夫模型法

假设{X(t)，t∈T}是一个随机过程，如果已知{X(t)，t∈T}在t0时刻所处的状态，它在时刻t>t0所处状态的条件分布与其在t﹤t0所处的状态无关，说明在知道随机过程“当前状态”的条件下，其“未来状态”的条件分布和“过去状态”没有关系，则称{X(t)，t∈T}具有马尔科夫性[18]。

在利用马尔科夫模型法对实际系统的可靠性进行验证时，通常为了方便计算和简化模型，会做出以下假设：

(1)系统当中的各个组成元素的使用寿命和修复时间都服从指数分布；

(2)X(t)表示系统在时刻t的状态；

(3)系统的各个组成元素之间是相互独立的，其中一个的状态发生改变并不会对其他单元产生影响；

(4)在时间Δt内发生2次或2次以上故障或修复时间的概率为0(即当Δt→0时，系统故障或修复时间只允许发生1次)。

利用马尔科夫模型分析系统可靠性的步骤如下。

(1)定义整个系统的各种不同状态或状态集，令

E={0，1，……，n}

W={0，1，……，k}(1)

F={k+1，……，n}

分别表示系统状态集、正常状态集和故障状态集。

(2)定义状态空间E上的一个齐次马尔科夫随机过程

{X(t)，t≥0}

(2)

(3)求状态转移矩阵

(3)

A=(qij)(i，j∈W)，B=(qij)(i∈W，j∈F)，

C=(qij)(i∈F，j∈W)，D=(qij)(i，j∈F)。

(4)解下列线性方程组，求解πj，j∈E

(4)

(5)求系统的稳态可用度(可靠性)

(5)

4.2 车车通信系统可靠性分析

通常情况下，无线通信的故障模型是呈指数分布的模型，所以可以利用马尔科夫模型法分析车车通信系统的可靠性。车车通信系统的故障因素主要有以下3点:链路中断、越区切换失败和车载无线接收电台故障，从车载接入端的角度来分析整个系统的可靠性。

首先，定义车车通信系统及各部分的状态。i∈I{0，1}代表整个系统的状态，i=0代表整个系统正常，i=1代表整个系统故障；j∈J{0，1}代表通信链路是否中断，j=0代表通信链路正常，j=1代表通信链路中断；k∈K{0，1}代表越区切换成功与否，k=0代表越区切换成功，k=1代表越区切换失败；m∈M{0，1}代表车载终端故障与否，m=0代表车载终端正常，m=1代表车载终端故障。

其次，定义车车通信系统的整个信道状态，其结构为en(i，j，k，m)。e0(0，0，0，0)代表整个车车通信系统正常；e1(1，1，0，0)代表系统通信链路中断；e2(1，0，1，0)代表越区切换失败；e3(1，0，0，1)代表车载终端设备故障。e0为正常状态，e1，e2，e3为车车通信系统的故障状态。由此可以得出马尔科夫的状态转移如图9所示。

图9 马尔科夫状态转移示意

其中，λ1，λ2，λ3是系统在正常状态发生链路中断，越区切换失败，车载终端设备发生故障的概率；μ1，μ2，μ3分别代表系统由链路中断，越区切换失败，车载终端设备故障的状态恢复到正常状态的概率。

马尔科夫链的转移强度矩阵为

(6)

马尔科夫的状态转移参数见表1[19]。由于不针对某一特定厂家的车载设备进行分析，所以假定车载设备的修复概率为X。

表1 马尔科夫的状态转移参数

假设A0，A1，A2，A3是e0，e1，e2，e3对应的稳态概率。则解方程

(7)

得

(8)

由于本次分析不针对某一特定厂家的车载设备进行，故X∈(0.9，1)，可得系统可用度A的取值范围，如图10所示。

由于国内LTE-R系统尚在建设当中，相关的技术标准还没有出台，但是可以借鉴运用成熟的GSM-R的相关技术标准对图10结果进行分析，可以看出，在对设备的修复概率取值在(0.9，1)时，车车通信系统的可靠性在(0.9998，0.9999)范围内。通过对比C3列控系统GSM-R的QoS指标可知[20]，基于D2D基站中继模式的车车通信系统的可靠性，能够满足铁路运输中对于通信系统的可靠性需求。

图10 车车通信系统可靠性取值

5 结语

本文首先利用C3线路中列车在RBC中的注册数据，建立了前后车识别模型，通过在RBC端加入列车通信管理单元，协助前后行列车完成身份识别，并对在线路中存在中间站和交汇点的特殊情况下的列车通信管理单元的布置进行了分析。其次，利用LTE-A中的延伸技术D2D，建立了前后行列车的通信模型，通过分析C3线路中的列车运营情景结合D2D通信模式，选择了基站中继模式。最后利用马尔科夫模型法对建立的车车通信系统的可靠性进行分析，结果表明，其可靠性满足铁路运输系统对于无线通信系统的可靠性需求。