基于5G技术的新一代列控通信系统研究

谢和欢

(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)

2020年8月中国国家铁路集团颁布了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》（简称纲要），提出到2035年，要率先完成现代化铁路网建设，建成智能高铁实现智慧铁路。纲要特别提出要自主研发新型智能列控系统，智能牵引供电系统，智能综合调度指挥系统以及新一代铁路移动通信系统，推进北斗卫星导航系统和5G应用，运用大数据、互联网等现代信息技术提升铁路现代化水平。可以预见，未来高铁列控系统将是以北斗、5G通信等新技术为基础的新一代智能控制系统。

1 新一代列控系统简述

国内列车运行控制系统根据系统配置按功能从CTCS-0到CTCS-4划 分 为5级，其 中，CTCS-2和CTCS-3是目前国内高铁主流使用的列控系统。而CTCS-4系统则是基于移动闭塞、北斗导航、自动驾驶和5G通信等技术研制的新一代列车控制系统，智能化程度高，在国内高铁列控技术中具有里程碑意义。

2 新一代列控无线通信系统概述

在2020年前，国内铁路专网通信系统倾向从GSM-R演进至LTE-R。但从技术上看，LTE-R 依然存在车地无线通信的切换稳定性、空口时延等问题。随着5G上升为国家战略，铁路通信网将从 GSM-R 时代进入 5G-R 时代，为大数据技术在铁路的应用提供基础，以提高铁路信息化、智能化水平，促进产业提质升级。

5G作为一种新型移动通信技术，具有高带宽、高速度、大容量、低功耗、低时延、万物互联、信息可感知可调控的特征，可以满足未来虚拟现实、智能制造、自动驾驶等应用需求。是智能化时代的标志性技术和重要的基础设施，是满足新一代列控系统无线通信需求的最佳选择。

车地数据通信是保障列控系统运行的关键核心业务，其传输速率、可靠性和安全性要求高，是5G-R的主要应用场景之一。因此，开展5G-R的列控车地通信技术研究，对于实现列车运行控制、列车自动驾驶，保障铁路安全、可靠、高效运营，对于促进智能铁路的发展都具有重要意义。5G-R的车地通信系统的核心设备包括5G-R车载电台、 接入网（基站）、核心网等。其基本结构如图1所示。车载设备（ATP/ATO）通过车载电台接入5G-R网络，无线闭塞中心（RBC）通过数据网络（Data Network，DN）接入。其中，5G-R车载电台和列控数据传输是本文的研究重点。

图1 5G-R列控通信系统基本结构Fig.1 Basic structure of 5G-R train control communication system

3 5G-R车载电台基本设计

5G-R电台是适应于5G-R列控通信系统的车载无线接入终端，是列控系统车载设备的重要组成部分，它通过5G-R网络与RBC建立起数据传输通道来传输列控信息；通过串口与车载无线传输单元相连，进行AT指令交互和业务数据收发。

3.1 系统结构

5G-R车载电台是嵌入式系统与5G Modem的结合。在其上运行了电台核心控制程序，用于处理和车载ATP的AT指令交互以及点对点协议（Point to Point Protocol，PPP）的过程处理和具体配置。在其操作系统内封装PPP协议和TCP/IP协议栈，具备拨号上网功能。

3.2 与ATP的接口

5G-R电台和ATP的无线传输单元RRC之间通过RS-422串口连接，串口中的TxD+、TxD-、RxD+、RxD-4根信号线差分传输AT指令、结果码和数据。其中，指令和结果码以ASCII码传输，数据以比特流方式透明传输。RRC与5G-R电台之间通过RTS、CTS、DSR、DTR、DCD等硬件握手信号控制数据的传输时机。

3.3 AT指令

AT 指令是用于数据终端设备与数据电路终端之间连接与通信的协议，通常采用标准串口来收发。ATP通过AT指令控制电台参数配置，获取终端信息，发起与RBC的拨号连接，建立5G-R通信链路。不同制式的移动台有各自的AT指令集。针对5G-R电台，新增了部分AT指令以适应电台的新特性。例如：AT+CG5QOS用于设置5G QoS参数；AT+C5GREG为5G网络注册状态相关AT命令；AT+CGDCONT设置命令用于定义分组数据协议上下文参数。

3.4 PPP协议

PPP属于数据链路层协议，是一种在点对点链接上传输多协议数据报文的标准方法。PPP 协议之下是以太网或串口等物理层，之上是IP协议等网络层。PPP规定了数据帧封装方法和交互流程，主要用来通过拨号或专线方式建立点对点连接以接收发数据。PPP协议主要由3部分组成：链路控制协议（LCP）、网络控制协议（NCP）和PPP扩展协议。LCP是PPP协议的底层部分，用来配置、建立、测试和关闭数据通信链路。NCP是PPP协议的高层部分，用来建立和配置不同的网络层协议，主要作用是获取通信双方的网络层地址。NCP包括一族网络控制协议，常见的有用于TCP/IP网络使用的IPCP网络控制协议和用于SPX/IPX网络的IPXCP网络控制协议等。PPP协议组成示意如图2所示。5G-R电台使用的NCP协议是IPCP协议。在5G-R电台中实现PPP协议是让电台具备拨号上网功能的关键。

图2 PPP协议组成示意Fig.2 Schematic diagram of the composition of PPP protocol

3.5 连接建立过程

列车在经过5G-R无线覆盖区域前，会从地面应答器读到准备切换为5G-R网络的预告命令，此时ATP会向5G-R电台发出：AT＋COPS？指令查询电台注册状态，如果电台返回：13，+COPS: 1，2，“46020”，7则表示电台已经注册到5G-R网络。然后，ATP不断向电台发出：AT+CSQ指令检测信号强度，以准备发起PPP拨号。列车继续前行，当列车从地面应答器读到切换为5G-R网络的命令时，ATP向5G-R电台发出：AT＋CGDATA=“M-0000”，1指令，使电台进入分组交换(Packet Switch，PS)域状态，并使5G Modem进入连接状态。若电台返回：CONNECT则表示连接5G-R网络成功。ATP随后开始发起PPP链路建立过程，按照PPP协议建立数据通信链路。ATP首先按照LCP协议同电台动态协商配置串口链路参数，然后按照NCP协议协商PPP报文的网络层参数以获取IP地址。NCP过程成功后，在ATP系统和电台内部都会映射出一个虚拟网络接口ppp0，并被注册到各自的TCP/IP协议栈中。这时，ATP就可以通过这个虚拟网卡提供的socket 接口与RBC建立IP网络连接传输IP报文了。

3.6 数据传输处理过程

ATP上的应用程序向RBC发送IP数据包，这些IP数据包经过TCP/IP协议栈流向内核PPP协议处理模块（PPP驱动），PPP驱动将IP包按PPP协议封包后发送到PPP TTY线路规程，TTY线路规程将PPP IP数据帧格式化后发送给TTY驱动程序，这样，经PPP封装后的 IP数据包就被串口发送出去。数据收发过程如图3所示。

5G-R电台中的PPP协议栈从串口读入PPP帧，并对PPP过程控制帧和IP应用数据帧进行分流。PPP过程控制帧则会被放到操作系统的/dev/ppp设备队列中, 5G-R电台上的核心控制程序会读取该队列的数据进行PPP过程处理，以完成和ATP的PPP交互过程。而应用数据帧中的IP包被提交到内核的TCP/IP协议栈，然后交由电台空口无线协议栈进一步处理后，通过无线信道发送到5G基站，再经5G核心网最后送达RBC。这样便实现了车载电台控制路径与数据路径，策略与机制的有效分离，使系统结构更优化。

图3 PPP帧传输示意Fig.3 Schematic diagram of PPP frame transmission

5G-R电台从基站接收的数据经空口无线协议栈处理还原出IP包后被送到电台内核的TCP/IP协议栈，由于IP包中目的地址为ATP的IP地址，这些IP包会被电台的TCP/IP协议栈发送到PPP 驱动，由后者按PPP协议封装后送到TTY线路规程，然后经TTY驱动通过串口发送给ATP。ATP 上的PPP协议栈从串口读入PPP帧，同样对PPP过程控制帧和应用数据帧分别处理。提取出来的IP包被提交到ATP内核的TCP/IP协议栈，然后由协议栈发送给ATP应用程序。这样，从RBC来的IP包就被送到了ATP。

4 5G-R电台空口无线协议栈设计

5G-R电台的空口采用5G 标准的新空口（New Radio，NR)，NR是基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）设计的全新空口，可以实现超低时延和高可靠性，非常有利于车地通信数据的高速可靠传输。

5G-R电台无线协议栈也分为控制面和用户面两个平面。其中，控制面（Control Plane，CP）协议栈是传输控制信令所采用的协议簇。用户面（User Plane，UP）协议栈是传输用户数据所采用的协议簇。

5G-R电台无线协议栈控制面与 LTE-R 基本一致，分为网络层（L3）、数据链路层（L2）和物理层（L1）。L3包括非接入层（Non-Access Stratum，NAS）和无线资源控制层（Radio Resource Control，RRC）。L2包括分组数据汇聚协议层（Packet Data Convergence Protocol，PDCP ），无线链路控制层（Radio Link Control，RLC ）和媒体接入控制（Medium Access Control，MAC ）。对于用户终端（ UE）侧，所有的控制面协议栈都位于 UE 内。而对于网络侧，除 NAS层位于核心网的 接入和移动管理功能AMF网元，其余均位于 5G基站gNB 上，具体如图 4 所示。

图4 NR无线协议栈控制面示意Fig.4 Schematic diagram of the control plane of NR wireless protocol stack

5G-R电台无线协议栈用户面协议栈分为数据链路层（L2）和物理层（L1）。L2相对于 LTE-R 增加了服务数据适应协议层（Service Data Adaptation Protocol，SDAP ）。对于 UE 侧，所有的用户面协议栈都位于 UE 内。对于网络侧，用户面协议栈也同样都存在于 gNB 内，如图 5所示。

图5 NR无线协议栈用户面示意Fig.5 Schematic diagram of the user plane of NR wireless protocol stack

4.1 SDAP子层

5G网络中无线侧依然沿用4G网络中的无线承载的概念，但5G中的核心网为实现更加精细化业务，其基本的业务通道从4G时代的数据无线承载（Data Radio Bearer，DBR）的概念细化到以服务质量(Quality of Service，QoS)流为基本业务传输单位。 这样一来，在无线侧的DBR就需要与5G中的QoS 流进行映射，这就需要增加一个适配子层SDAP，来完成对QoS流与DBR之间的映射并为数据包添加QFI（QoS flow ID）标记。也就是说5G包括两层映射：一层是用户平面功能（UPF）实现IP流到QoS流的映射。另一层是gNB实现QoS流和无线承载DBR的映射。

LTE系统中QoS由核心网来控制，无线侧只能被动适配，5G系统中 QoS由无线侧控制，因而更加灵活；4G的承载粒度较粗，单用户最多8个DBR，5G的承载粒度更细，基站和UPF最多可达64个QoS流，空口单用户最多可达16个DBR。5G接入网和核心网通过将数据IP流映射为适当的QoS流（根据时延、传输速率等要求）和DBR以确保数据传输的服务质量，非常适合于要求延迟低而可靠性高的列控业务。

4.2 PDCP子层

在用户平面上， PDCP子层接收SDAP数据，完成数据的加解密、完整性保护验证及头压缩后，递交到RLC子层。PDCP子层还向SDAP层提供按序提交和重复分组检测功能。在控制平面，PDCP子层为上层RRC提供信令传输服务，并实现RRC信令的加密和一致性保护，以及在反方向上实现RRC信令的解密和一致性检查。

4.3 RLC子层

RLC为用户和控制数据提供分段和重传业务。RLC PDU的数目根据MAC层传输块（TB）的大小来传输。如果MAC层TB的大小不足以传 输 完 整 的RLC PDU，则 对RLC PDU进 行 分段；当MAC层的混合式自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）已经用尽重发次数，RLC会继续重发。

RLC有3种模式，分别是TM透明模式、UM重发非确认模式、AM重发确认模式。AM模式在高层数据上添加必要的控制协议开销后进行传送，并保证传递到对等实体。一般用于数据业务，尤其适合包括列控业务在内的关键核心业务的数据。

4.4 MAC子层

MAC子层即媒体接入控制子层，负责无线资源分配与管理，实现逻辑信道到传输信道的映射处理。具体功能包括逻辑信道复用、信道转换、优先级处理、调度管理以及基于HARQ机制的错误纠正和重传功能。对于上行：复用从一条或多条逻辑信道下来的数据（MAC SDUs）到传输块，并通过传输信道发送到物理层。 对于下行：把从传输信道传送过来的传输块解复用成MAC SDU，并通过相应的逻辑信道，投递到RLC层。

4.5 PHY层

物理层是通过MAC 子层的传输信道向高层提供数据传输服务。物理层主要解决的是：如何通过一定带宽的“基带”无线电磁波信号（无数个正交的子载波），为多个不同的用户，发送一连串经过调制、编码后的比特数据。5G物理层的主要功能是：错误检测、FEC加密解密、速率匹配、物理信道的映射、调整和解调、频率同步和时间同步、无线测量、MIMO处理、射频处理。5G-R车载电台物理层的功能结构如图6所示，主要涉及到无线资源、多址技术、调制技术、编码技术等，具有nFAPI、eCPRI、CPRI 3大接口。相比于LTE物理层，5G物理层调制和编码效率更高，对信道处理更稳健。有利于提高5G-R车载电台的系统稳定性。

图6 5G-R电台物理层的功能结构Fig.6 Functional structure of the physical layer of 5G-R radio

5 列控业务数据在空口无线协议栈的处理过程

从数据上行过程（ATP到RBC）方向来看，列车运行过程中形成的列控业务数据被封装在一个或多个IP数据包中。一个个连续的IP数据包形成IP数据流。5G-R电台的UPF收到来自ATP的IP数据流后，会根据列控业务的QoS 需求，将IP 数据流映射为 QoS 流，并在数据的封装报头中打上 QFI，以标记数据所属的QoS流。接着，QoS流被送到空口协议栈链路层的SDAP子层，SDAP根据基站提供的QoS到DBR的映射关系，将QoS流映射到对应的DBR上。然后，SDAP将IP包打包为PDU(增加SDAP协议头)投递给PDCP层。

当SDAP PDU到 达 PDCP子层后，成为PDCP层的SDU，SDU首先被存储在一个缓冲区中。随后，PDCP层对到达的SDU进行序列编号，以便于接收端准确判断出数据分组是否按序到达，以及是否有重复分组，从而能对数据进行重组。缓存是5G NR新增的功能，进一步保障了数据传输的可靠性，非常适合于列控业务数据的无线传输。然后，PDCP层会将SDU中的IP包的头部进行压缩，并将IP包加密（加密机制进一步保证了车地列控业务数据的安全性），再将SDU添上PDCP协议头，成为PDCP PDU，随后通过服务访问点（Service Access Point，SAP）送到RLC层成为RLC SDU。

RLC PDU的大小是由MAC层指定，RLC层需要分段/串联RLC SDU以适应RLC PDU的大小，并添加RLC协议头形成RLC PDU。针对列控业务，5G-R电台RLC层会采用AM工作模式为其提供可靠数据传输，将RLC PDU通过逻辑信道传递给MAC层。如果数据传输有问题，RLC层会重传该RLC PDU。这进一步保证了列控业务数据车地通信的可靠性。

RLC PDU通过逻辑信道到达MAC子层后，成为了MAC SDU。MAC子层的 MAC PDU 具有一个头部，若干控制单元，若干MAC SDU，可能还有填充位。每一个控制单元对应一个SDU或者填充位。MAC PDU会通过传输信道被送到物理层。

从MAC层发往物理层的MAC PDU是以传输块（Transport Block，TB）的形式组织的。 在物理层中，TB第一步要经过CRC循环冗余校验，经过信道编码后进行速率匹配，形成码字。第二步是对码字进行扰码操作从而得到新的加扰后的比特序列，以避免不同的电台和小区之间的干扰。第三步是对加扰后的比特序列进行调制。调制后得到的复数值信号，要进行层映射和预编码，预编码结果通过天线端口映射得到复数信号，每个复数信号和子载波运算后形成OFDM符号。OFDM符号再经过D/A转换、功放、射频等一系列操作最终发射出去。数据在空口无线协议栈的处理过程如图7所示。

从数据下行过程（RBC到ATP）方向来看，就是上述过程的一个反向过程。

6 5G-R网络架构设计

5G-R的网络架构主要包括无线接入网（RAN）和核心网（5GC）。在5G-R网络中，RAN不再像LTE接入网那样由BBU、RRU、天线组成。而是被重构为3个功能实体：集中单元（Centralized Unit，CU）、分布单元（Distribute Unit，DU）和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）。其中，CU由BBU的非实时部分分割出来，负责处理非实时协议和服务。DU由BBU的剩余功能组成，负责处理物理层协议和实时服务。AAU由BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并而来。这样一来，CU就可以集中部署，并进行网元功能虚拟化（NFV），大大降低5G-R网络建设成本。

图7 5G-R电台空口无线协议栈Fig.7 Air interface wireless protocol stack of 5G-R radio

原LTE核心网在5G-R中被拆分为5G核心网（5G Core，5GC）和移动网络边界计算平台（Mobile Edge Computing，MEC）两 部 分。这种拆分、细化，可以实现网络切片，以更灵活地应对不同铁路通信业务对于网络的不同特性要求的特定场景需求。切片，简单来说，就是把一张物理上的网络，按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络，服务于不同场景。例如，为列控业务单独分配一个切片，满足其速度、延时和连接数的要求，让其不受其他业务的影响，以充分保证列控业务传输的稳定可靠。5GC采用的是基于服务的架构（Service Based Architecture，SBA），该架构基于云原生构架设计，把原来具有多个功能的整体，分拆为多个具有独自功能的个体，实现各自的微服务，如图7所示，其中虚线内为5G-R核心网。这样，虽然网元数量大量增加了，但由于网元硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的，故非常容易扩容、缩容，也易于升级、割接，并且相互之间不会造成太大影响。大大方便5G-R网络的构建。

7 列控业务数据在5G-R网络的处理过程

当5G-R RAN的基站通过NR空口收到来自车载电台的无线信号后，经过无线协议栈处理后还原成列控业务IP包，随后，IP包被RAN使用GTP-U协议封装后通过N3接口送到UPF，UPF通过N6接口将IP包送到DN，最后安全可靠送达至RBC。数据协议栈处理过程件如图8所示。RBC发往ATP的数据传输同样是该过程的一个反向过程。

8 结束语

本文从车地列控业务传输角度对基于5G技术的新一代列控通信系统5G-R进行研究，分析了数据在整个传输过程所经历的协议封装/解封过程，阐述5G-R在满足列控业务传输速率、低延时、可靠性等特性要求的适应性。创新了5G-R车载电台的设计开发方法，提出地面网络系统的结构、组成和接口。新研制的5G-R车载电台使车载设备可以无需改造硬件接口，就能实现从支持GSM-R通信转换到支持5G-R通信，既能满足未来CTCS-4列控传输车地数据（包括列控信息、列出自动驾驶信息、列车安全防护预警信息等）的业务要求，也能满足车载运营维护信息的传输要求，为高铁列控智能化奠定了通信基础。

图8 5G-R网络协议栈Fig.8 5G-R network protocol stack