基于CTCS2 ATO的市域铁路LTE移动通信业务承载解决方案研究.pdf

2023 年 10 月第 59 卷 第 10 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationOctober 2023Vol.59 No.10基于CTCS2+ATO的市域铁路LTE移动通信业务承载解决方案研究杨俐，辛怡，胡光祥，傅丹，刘立海摘 要：对于部分市域铁路信号系统采用CTCS2+ATO制式、移动通信系统采用LTE制式的全新组合模式，有必要根据其车地无线通信业务需求，分析研究LTE集群调度通信实现方式、系统架构，以及实现调度命令、ATO信息、无线车次号校核信息传送等业务功能的解决方案。通过分析LTE系统集群调度通信的主流实现方式，根据市域铁路车地无线通信主要业务需求，对于正在建设的市域铁路推荐采用条件相对成熟的B-TrunC架构LTE系统。重点研究基于B-TrunC架构的LTE系统实现行车相关调度通信业务的工作流程，市域铁路列车信号车载设备在自动折返情况下通信车载台同步换端、车次号与IP地址转换的解决方案，对此类型的市域铁路工程建设、列控系统车地安全信息传送和运营维护方面具有指导作用。关键词：市域铁路；LTE；宽带集群通信；列车自动驾驶；自动折返中图分类号：U285.2；TN929.5 文献标识码：A Research on LTE Mobile Communication Service Bearer Solution for Suburban Railway Based on CTCS2+ATOYANG Li,XIN Yi,HU Guangxiang,FU Dan,LIU LihaiAbstract：Some urban railway signal systems adopt the CTCS-2+ATO system,while mobile communication systems adopt the LTE system.It is necessary to analyze and study the realizing methods and system architecture of LTE trunking dispatch communication based on the new DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-10.23162扫码浏览下载杨 俐：上海申铁投资有限公司 高级工程师 200000 上海辛 怡：中铁第四勘察设计院集团有限公司 高级工程师 430063 武汉胡光祥：上海申铁投资有限公司 正高级工程师 200000 上海傅 丹：上海申铁投资有限公司 高级工程师 200000 上海刘立海：中铁第四勘察设计院集团有限公司 正高级工程师 430063 武汉基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司重点课题（2020K184）；上海申铁投资有限公司课题（SHST-2022-JSB-265）收稿日期：2023-06-15引用格式：杨俐,辛怡,胡光祥,等.基于CTCS2+ATO的市域铁路LTE移动通信业务承载解决方案研究J.铁道通信信号,2023,59(10):68-73.Citation：YANG Li,XIN Yi,HU Guangxiang,et al.Research on LTE Mobile Communication Service Bearer Solution for Suburban Railway Based on CTCS2+ATOJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(10):68-73.68Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 2023combination mode of train-ground wireless communication business requirements,as well as solutions to achieve dispatch commands,ATO information,wireless train number verification information transmission and other business functions.Main realizing methods of trunking communication of LTE system are analyzed,and the LTE based B-TrunC system with relatively mature conditions is recommended for the suburban railway under construction.Focusing on the work process of LTE system based on B-TrunC architecture to realize dispatching communication services,the solution of synchronous turn-back CIR in the case of automatic turn-back,and the conversion of train number and IP address are studied,which would guide the construction of urban railway engineering,security information transmission and operation and maintenance of train control system.Key words：Suburban railway；LTE；Broadband trunking communication；Automatic Train Operation（ATO）；Automatic turn-back近年来，市域（郊）铁路凭借其大运量、快速化、公交化的特点，成为综合交通体系的重要组成部分。通信信号系统在市域铁路的运输指挥调度、列控系统车地安全信息传送、运营维护和应急指挥通信方面发挥着重要作用。由于 CTCS2+ATO（简称“C2+ATO”）制式的信号系统具有良好的互联互通特性，在相当一部分市域铁路工程中得到应用。虽然C2+ATO业务承载有比较完整的技术规范，但其采用的移动通信系统是GSM-R制式，运营方式也是偏向国铁模式，与市域铁路要求的公交化运营有一定的差距；而且目前GSM-R系统主要用于高速铁路、城际铁路和既有干线（简称“国铁”），以及与国铁集团铁路有直接交路的地方铁路，适用于大范围的全程全网铁路，而地方独资的市域铁路若采用GSM-R系统，频率申请以及干扰协调有一定难度，且与国铁的运营维护管理体制存在较大差别；因此区域范围内的市域铁路移动通信系统更倾向于采用1.8 GHz的LTE（长期演进技术）系统。为此有必要根据此全新组合模式下车地无线通信业务需求，分析研究LTE集群调度通信实现方式、系统架构，以及实现调度命令、ATO信息、无线车次号校核信息传送等业务功能的解决方案。1通信方式集群调度通信是各类专用移动通信的核心业务，对市域铁路也不例外。目前应用于铁路行业的LTE 系统的集群调度通信系统实现方式主要有：移动一键通（Push-to-talk over cellular，PoC）方案、基于宽带集群通信（B-TrunC）标准方案和基于关键语音业务（Mission Critical Push To Talk，MCPTT）标准方案1。PoC方案是一种基于会话初始协议（SIP）及IP化的传输手段，实现业务与承载分离，类似于微信语音群组方式实现集群调度语音通信。由于采用的是纯应用层的解决方案，其缺点非常明显，如无法通过无线网络实现精准呼叫控制、业务优先级保障、时延控制等，且集群通信采用单播方式，无法实现资源共享，因此不对该方案做深入分析。B-TrunC方案是基于3GPP R9版本的LTE系统，针对物理层、数据链路层、网络层进行修改，在保证兼容LTE数据业务的基础上，增强了语音集群基本业务和辅助业务，以及多媒体集群调度等宽带集群业务功能；可提供多行业共网管理方案，满足城市无线政务公安、消防、医疗、城管、交通、环保等多行业部门共用网络的要求，各行业部门通过VPN（虚拟专用网络）或独立核心网进行独立的用户签约和业务管理，可共享无线接入网和频谱资源2；在宽带集群产业联盟的推动下，发布了基于 LTE 技术的宽带集群通信系统系列标准，并开展了大量的互联互通测试，在行业专用通信中得到大量应用；同时，在城市轨道交通行业制定了LTE-M序列规范，在城市轨道交通领域的大量实践，进一步验证了基于B-TrunC标准的LTE系统在满足行业调度通信及关键应用方面、标准规范方面和产业链方面的成熟度和完整度。MCPTT是3GPP中引入针对公共安全领域的应用层框架，可以实现集群组呼、广播及优先级业务，符合铁路通信业务的安全可靠需求，同时支持关键语音、关键数据（MCData）以及关键视频（MCVedio）等业务，简称 MCX 方案。在国铁集团2015年起开展的450 MHz LTE-R相关标准研究69铁道通信信号 2023年第59卷第10期中3，提出采用基于MCX架构实现LTE-R系统的调度通信功能，并通过开发专用接口实现与铁路既有有线调度通信系统的互通，以及功能号呼叫、基于位置寻址呼叫等与用户功能和基于位置相关的调度业务4。但此方案完成初步试验后，其序列标准已经停止研究，国铁集团现转向研究5G-R标准。由此可见，基于MCX标准的LTE-R系统虽然已经开展初步试验以及与有线调度通信系统互通的测试，但相较于基于 B-TrunC 技术的 LTE 系统，应用功能和产品互联互通方面还有待深入研究，且其产业链及标准体系均不完备。现阶段更适合采用条件相对成熟的B-TrunC架构的LTE系统。2系统架构基于B-TrunC标准的LTE市域铁路移动通信系统，由LTE核心网、无线接入系统、终端、集群调度服务器、LTE应用接口服务器、运营支撑系统等组成，系统架构见图1。对于同时支持集群功能和数据功能的LTE核心网，包括演进的归属签约服务器（eHSS）、演进的移动性管理实体（eMME）、P-GW与S-GW合一（x-GW）、集群媒体功能体（TMF）和集群控制功能体（TCF）。无线接入网包括 LTE 基站（eNodeB）或基带单元（BBU）和远程射频单元（RRU）5。终端包括车载电台、车载数据终端（TAU）、固定台、手持终端、SIM卡等。运营支撑系统主要包括网络管理系统、接口监测系统等。业务系统包括CTC、TSRS、DMS、PIS和IMS等。3业务需求对于时速160 km的市域铁路，参照同类型技术标准 城际铁路设计规范（TB 106232014）的相关规定，信号系统采用C2+ATO制式，其移动通信系统应提供普通语音通信、调度通信、调度命令、无线车次号校核及C2+ATO等列控系统车地信息传送业务。为适应市域铁路公交化运营，提升运营维护效率，以及改善旅客乘坐体验，C2+ATO系统也对运营需求进行了一定的改进，如增加列车“无人自动折返”功能，车地通信增加轨道交通传统的列车紧急文本下发、车载乘客信息系统（PIS）和车载视频监控实时传送等应用业务6。目前，国内还没有基于B-TrunC标准的LTE承载信号C2+ATO系统的应用案例，在传统轨道交通中 LTE 系统承载基于通信的列车控制系统（CBTC）信号，没有涵盖 C2+ATO 制式市域铁路典型的调度命令信息、列车无线车次号校核信息、ATO 信息等传送业务，因此有必要对基于C2+ATO系统的市域铁路LTE移动通信业务承载解决方案进行研究。4实现方案4.1ATO信息传送业务实现目前，国铁ATO系统主要有2种方式实现站eHSSeMME eNodeBBBURRU业务系统.终端车载电台固定台手持终端集群调度服务器运营与支撑系统网管系统接口监测系统DMSPISIMSCTCTSRS无线接入网车载数据终端SIM卡LTE核心网x-GWTMF/TCFLTE应用接口服务器图1 系统架构70Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 2023台门控制和运行计划处理：第1种是应用于珠三角城际的C2+ATO系统，该方式是在地面设置通信控制服务器（CCS）；第2种是在京沈客专试验成功的高速铁路ATO系统，该方式是在地面设置临时线速服务器（TSRS）。市域铁路通常采用第2种高速铁路ATO系统架构，在TSRS、CTC（调度集中系统）、TCC（列控中心）、GSM-R等地面设备上增加功能，车站股道增加精确定位应答器，车载 设 备 增 加 ATO 单 元、通 用 分 组 无 线 业 务（GPRS）电台及相关配套设备，并在ATP车载设备上增加列车开门防护及折返等功能。市域铁路 ATO 列控区段车载设备与地面TSRS间传送自动驾驶信息，此信息传送对于通信系统来说是透明的，业务实现可以参考高速铁路GSM-R分组域承载 ATO信息传送方式：信号系统地面TSRS设备与ATO车载设备之间新增车地GPRS 通道，ATO 车载设备通过 Um接口接入GSM-R/GPRS网络，地面TSRS设备通过Gi接口与GSM-R/GPRS网络的GGSN（GPRS网关支持节点）设备连接，实现车载 ATO 设备与地面TSRS设备之间发送或反馈运行计划、列车运行状态、站间数据、站台门状态或开/关命令等信息7。在 GSM-R/GPRS 模式下采用分组域 Gi 接口实现高速铁路ATO信息传送，可直接借鉴市域铁路LTE系统，TSRS系统作为应用业务通过SGi接口接入 LTE 网络，数据通信通过 IP 方式相互访问。基于 LTE 系统的市域铁路 ATO 信息传送见图28。为了使车载 ATO/数据接入单元（TAU）和TSRS间建立通信，需要双方能找到对方IP地址。由于TSRS一般按线设置，因此可以预先固定分配各线TSRS的IP地址，ATO车载TAU的IP地址在开机登录网络时由网络分配。ATO车载设备通过地面应答器读入或司机人工输入所属 TSRS 的IP 地址，ATO 车载 TAU 向此 IP 地址发送信息，双方建立连接。跨 TSRS 时，同样是 ATO 车载TAU主动发送信息修改对应TSRS的IP地址。4.2调度命令及列车无线车次号校核信息传送业务实现我国高速铁路通常采用GPRS子系统实现调度命令及列车无线车次号校核信息传送。GPRS子系统的核心设备是GRIS（GPRS接口服务器），它通过与信号侧设置的GSM-R通信接口服务器建立与CTC系统的通信，实现传输层和应用层通信协议转换、IP地址转换、数据存储转发、IP地址更新等功能9。市域铁路LTE系统虽然采用分组技术，但与应用业务系统的接口相较其与GSM-R存在较大差异，其系统架构不支持 CTC 系统接入 GRIS、DNS（域名系统）、RADIUS（远程拨入用户服务器）等设备，不具备传输层和应用层通信协议转换以及机车号与IP地址对应的功能，无法实现调度命令及车次号校核信息传送业务。建议LTE系统采用铁路专用应用接口系统替代GRIS，实现CTC系统与市域铁路LTE系统无线网的双向数据交互及行车控制系统的车地通信。市域铁路LTE系统中应用接口系统车地通信架构及冗余设置方式见图3。通信车载台CTC车站固定台LTE核心网LTE接入网应用接口服务器（主）应用接口服务器（备）防火墙（主）防火墙（备）通信接口服务器（主）通信接口服务器（备）图3 市域铁路LTE系统中应用接口系统车地通信架构及冗余设置方式TSRSSGiUm车载ATO/TAULTE接入网LTE核心网图2 基于LTE系统的市域铁路ATO信息传送71铁道通信信号 2023年第59卷第10期4.3自动折返下通信车载台同步换端业务实现为实现市域铁路公交化、高密度的运营需求，追踪间隔时间通常要求 3 min，C2+ATO 系统也针对运营需求增加了“无人自动折返”功能，缩短折返时间。目前在高速铁路领域中，采用CTCS制式线路的通信、信号系统均未实现自动折返功能，通信车载台通常是由司机人工激活车载台换端，换端过程中设备需要上电、自检、车次号注册、机车功能号注册等操作，时间需要23 min（考虑双司机，不含司机走行时间），严重影响市域铁路公交化运营的实现10。为满足自动折返需求，车辆两端车载通信设备的自动激活换端有以下2种方案。方案一。通信车载台间直接通过车辆总线或无线网络进行通信，A端收到司机注销操作时自动发送换端激活信息给B端，B端启动自检、注册等流程。该方案通信车载台换端需要利用专用车辆总线，由于信号系统为实现列车自动折返业务已经占用一部分列车总线资源，若通信也要占用车辆总线，会导致列车总线资源更为紧张。而且，通信车载台若采用无线通信方式换端，则需要保持两端无线设备时刻处于在线通信状态，这对调度通信模式和车载台的运用提出较大的改变，对整体系统架构影响较大。方案二。通信车载台与信号车载设备新增通信接口，用于接收信号车载设备发送的换端、激活信息，通信车载台自动完成一端注销、一端注册的换端流程，信号车载设备通过车辆总线实现两端的车载设备间信息交互并交接控制权。该方案通过增加通信接口接收信号设备的换端信息，实现通信车载同步换端，并自动完成注册、注销及无线车次号校核等业务，从系统性和统一协调性来看更具优势。综合分析以上2种方案，在实际应用中更推荐方案二，其主要场景流程、功能实现如下。1）车辆两端的车载通信设备分别需要预留2 路网络通道，用于与主备车载信号设备网络通信，获取车辆激活、车次号、公里标、启动停稳等信息。在车辆进行折返换端时，自动激活对应的通信车载台设备。2）车辆激活端的通信车载设备自动进行列车无线车次号校核，发送启动停稳信息至地面LTE系统应用接口服务器，经LTE应用接口系统转发给CTC通信服务器。3）CTC 系统通过 CTC 通信接口服务器下发调度命令信息，包括调度命令和列车进路预告等，经LTE系统应用接口服务器转换车次号、机车号对应的网络地址信息后进行发送；对应的通信车载台设备接收该调度命令信息，自动确认并提示司机进行人工签收确认，通信车载台完成换端。5结论1）综合考虑 C2+ATO制式市域铁路运输组织模式、运营管理需求，以及智慧化业务的发展趋势，从互联互通特性、技术标准成熟度和产业链完备度等方面进行分析，推荐采用基于B-TrunC标准的LTE系统实现市域铁路集群调度通信业务，并提供移动通信业务综合承载。2）利用应用接口系统及车载设备新增通信接口的方式，实现调度命令、无线车次号校核信息传送业务和列车自动折返同步换端信号系统信息交互业务。3）为实现市域铁路网络化运营，基于B-TrunC标准的LTE系统还需进一步研究列车跨线运行时不同核心网漫游和集群调度功能的连续性，为后续市域铁路成网运营、保障行车安全、提高运输效率、提升维护水平等方面提供技术支撑。参考文献1 徐磊.深圳都市圈城际铁路调度通信系统研究J.城市轨道交通研究,2022,25(11):27-31.XU Lei.Research on Intercity Railway Dispatching Communication System in Shenzhen Metropolitan Area J.Urban Mass Transit,2022,25(11):27-31.2 3GPP.TR 22.852 V12.0.0(2013-06)3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Services and System Aspects;Study on Radio Access Network(RAN)sharing enhancements(Release 12)S.2013.3 中国铁道科学研究院集团有限公司.TJ/DW 2122019 下一代移动通信业务和功能需求暂行规范S.2019.4 李春铎,郭强亮,蔺伟.LTE-R宽带移动通信系统调度通信技术方案研究J.铁道通信信号,2019,55(S1):16-20.LI Chunduo,GUO Qiangliang,LIN Wei.Research on Dispatching Communication Technology Solution Based on LTE-R Broadband Mobile Communication System J.Railway Signalling and Communication,2019,55(S1):16-20.5 中国通信标准化协会.YD/T 38392021 基于LTE技72Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 2023术的宽带集群通信(B-TrunC)系统总体技术要求(第二阶段)S.2021.6 李照敬,葛淑云.基于LTE技术的城市轨道交通综合承载业务需求分析J.铁道通信信号,2015,51(7):74-77.LI Zhaojing,GE Shuyun.Requirement Analysis of LTE0based Comprehensive Carrier Services for Urban Rai Transit J.Railway Signalling&Communication,2015,51(7):74-77.7 王开锋.GSM-R分组域承载高速铁路应用业务现状研究J.铁道通信信号,2016,52(11):87-89.WANG Kaifeng.Research of Application Services of GSM-R GPRSJ.Railway Signalling&Communication,2016,52(11):87-89.8 中国铁道科学研究院集团有限公司.TJDW 2172019 高速铁路ATO系统与GSM-R网络接口暂行技术条件S.2019.9 郭强亮,李辉,闫晓宇,等.基于关键业务通信机制的铁路智能调度通信技术研究J.铁道标准设计,2021,65(8):144-149.GUO Qiangliang,LI Hui,YAN Xiaoyu,et al.Research on Intelligent Railway Dispatching Communication Technology Based on Mission Critical Services J.Railway Standard Design,2021,65(8):144-149.10雷小玲,杨奉伟,吴永进.城际铁路CTC中自动折返功能设计与实现J.铁道通信信号,2020,56(2):67-70.LEI Xiaoling,YANG Fengwei,WU Yongjin.Design and Realization of Automatic Turn-around Function in CTC for Intercity Railway J.Railway Signalling&Communication,2020,56(2):67-70.（责任编辑：诸红）（上接第67页）11唐剑.电力线路对邻近并行埋地金属管道电磁干扰影响的研究D.北京:华北电力大学,2004.12齐磊,原辉,崔翔.埋地金属管与架空电力线路并行时管道饱和平行长度及最大金属电位计算J.高电压技术,2011,37(10):2601-2606.QI Lei,YUAN Hui,CUI Xiang.Calculation of Saturated Parallel Length and Maximum metal Potential of Buried Metal Pipes Parallel to Overhead Power LinesJ.High Voltage Technology,2011,37(10):2601-2606.13DIMITRIOS A.Tsiamitros,GRIGORIS K.Papagiannis,DIMITRIS P.Labridis,et al.Earth Return Path Impedances of Underground Cables for the Two-Layer Earth CaseJ.IEEE Transactions on Power Delivery.2005,20(3).2174-2181.14马九洋,李天石.城市轨道交通钢轨对地过渡电阻的检测分析J.现代城市轨道交通,2019(8):86-89.MA Jiuyang,LI Tianshi.Detection and Analysis of Ground Transition Resistance of Urban Rail Transit RailsJ.Modern Urban Rail Transit,2019(8):86-89.15李天石,马九洋,范季陶,等.高速铁路综合接地系统实测数据跟踪统计分析与研究J.铁道通信信号,2019,55(S1):142-146.LI Tianshi,MA Jiuyang,FAN Jitao,et al.Statistical Analysis and Research on Measured Data of High-speed Railway Integrated Earthing SystemJ.Railway Signalling&Communication,2019,55(S1):142-146.（责任编辑：温志红）73