支持电路域与分组域的车载通信技术研究

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）

目前，国内高速铁路列车主要采用GSM-R 通信系统实现车地间无线数据传输，车地数据交换最初仅基于传统的电路域进行。2015 年，欧盟发布了欧洲列车控制系基线三版本ETCS B3R2，ECTS 无线数据传输在既有电路域交换的基础上增加了通用无线分组业务（GPRS）方式。GPRS 是一种基于GSM 系统的无线分组交换技术，属于GSM 网络中的分组域，提供端到端的广域无线IP 连接。国内面向西部地区推出的新型列控系统车地通信也采用GPRS 网络作为车地数据传输平台。

随着无线通信技术的进一步发展，低时延、高速率、网络结构简化成为移动通信系统的新目标，全IP 移动通信网络成为必然，到了LTE 和5G 技术时代，只保留分组交换域进行数据传输，不再有单独的电路交换域。当前铁路数字移动通信系统由2G 技术向5G 技术发展的目标已经明确，原来的只支持电路域通信的车载通信设备由于本身的局限性已经不能适应这种变化趋势，需要增加对分组域通信的支持。因此迫切需要一种既能支持电路域通信又能支持分组域通信的车载通信设备，以适应高铁车地通信需求的变化。

电路交换域（Circuit Switching Domain，CS）和分组交换域（Packet Switching Domain，PS）是针对无线通信系统核心网部分而言的，两者的不同在于数据交换方式。两种通信模式的差异如下。

1）电路域交换：通过在发送端和接收端之间建立一条被双方独占的电路连接，并保持到通信结束的一种交换方式，连接不能统计复用。

2）分组域交换：通过标有地址的分组进行路由选择传送数据，使信道仅在传送分组期间被占用的一种交换方式。

分组交换采用存储转发传输方式，加速了数据在网络中的传输、简化存储管理、减少出错几率，提高了数据交换效率。因此从提高整个网络信道利用率的角度来看，分组交换优于电路交换，尤其适合于终端间突发式的数据通信。

列控系统车地通信网络是基于开放式传输系统的安全通信系统，使用分层的参考模型结构。它从上到下包括应用层、安全层、无线通信层（由传输层、网络层、链路层构成）和物理层，如图1 所示。模型中高一层使用下一层提供的服务传输数据。其中，应用层由车载应用程序和地面设备应用程序组成，负责生成和处理列控业务无线信息。安全层由安全功能模块(Safe Functional Module，SFM)构成，提供安全连接的建立和释放以及业务数据的安全传输服务。无线通信层由通信功能模块(Communication Functional Module，CFM)构成，提供通信连接的建立和释放服务以及透明可靠的无线数据传输服务。

图1 列控系统无线通信网络参考模型Fig.1 Reference model of train control system wireless communication network

车载无线通信系统主要包括无线传输单元（RTU）和车载电台（MT）。RTU 主要由通信功能模块（负责无线数据传输协议栈的处理）、对外接口模块（负责和主机及电台接口）以及电台控制模块（负责与电台AT 指令交互和数据收发）构成。电台负责附着并注册到列控无线通信网络，按照空口无线协议栈处理收发数据，为RTU 提供实际的数据传输服务。

为同时支持电路域和分组域数据传输，RTU 必须并行支持两种通信制式的协议栈，如图2 所示。CS 域中，车载和地面设备采用既有电路交换域协议栈管理车地通信连接，列控业务数据由X.224、T.70 以及 HDLC 协议进行端到端数据传输和校验。PS 域中，车载和地面设备采用分组交换域协议栈管理车地通信连接，列控业务数据由TCP /IP 协议和PPP 协议进行端到端传输和校验。

图2 车载电路域和分组域无线通信协议栈Fig.2 Onboard Wireless communication protocol stack in CS domain and PS domain

4.1 基本原理

在电路域通信中，车载要发送的应用数据首先通过安全层处理和封装后形成安全层协议数据单元（SaPDU），然后由传输层封装处理后形成传输层协议数据单元（TPDU），接着通过网络层分包处理后形成网络层协议数据单元（NPDU），最后封装在HDLC 帧中被车载无线传输单元发往电台，再由电台经过无线协议栈处理后发送到空口，经过支持电路域的无线通信系统最后抵达目标地面设备。接收数据过程则是上述过程的反向解包过程。各协议数据单元之间的关系如图3 所示。

图3 车载电路域通信各协议数据单元关系Fig.3 Relation diagram of PDUs of onboard CS domain

4.2 安全通信链路建立过程

当车载主机需要和某个地面设备建立电路域安全通信连接时，应分别建立安全层、传输层、网络层、链路层和物理层的连接。每个上层连接的建立都应该建立在底层连接已完成的基础上。

车载应用程序需要和某个地面设备通信时，首先向安全层请求与该设备建立安全连接。安全层会立即向RTU 请求建立传输层连接，各层间的连接请求及确认通过原语的交互进行，如图4 所示。RTU 的通信功能模块CFM 中的传输层收到该连接请求后要求建立网络层连接。RTU 如果判断目标地面设备工作在CS 模式，则首先会向电台发出拨号指令，以完成物理层连接，随后会通过和对端链路层的SABME 和UA 帧的交互完成链路层的建立，于是网络层连接也随即建立。然后传输层通过CR TPDU（携带AU1 SaPDU）和CC TPDU（携带AU2 SaPDU）的交互完成传输层的建立，如图5 所示。传输层连接建立后，安全层通过继续交互AU3 SaPDU 和AR SaPDU 完成安全连接的最终建立，并通知车载应用。至此，一条从车载到地面设备的电路域安全链路建立起来。

图4 电路域安全层连接建立原语序列Fig.4 Security layer connection establishment primitive sequence in CS domain

图5 电路域传输层往下连接建立原语序列Fig.5 Transport Layer and below connection establishment primitive sequence in CS domain

4.3 车地数据交换过程

车载和地面设备通信交互的是列控系统无线报文，被车载安全层封装后的无线报文通过T-DATA.req 原语送到RTU 的传输层，再经过网络层分包和链路层封包后发往电台并最终经过无线通信网到达地面设备。而数据反向传输过程则是上述过程的逆过程，如图6 所示。

图6 电路域数据传输原语序列Fig.6 Data transmission primitive sequence in CS domain

4.4 安全通信链路拆除过程

在完成车地通信后，车载应用程序要求断开安全连接，安全层随即向RTU 请求断开传输层连接。然后车载与地面设备的传输层通过交互断开过程的协议数据单元完成传输层的断开。接着传输层要求网络层断开并关闭自身。网络层收到断开请求后，首先要求断开链路层。车载的链路层与地面设备链路层通过交互DISC 帧和UA 帧完成链路层断开并通知网络层。然后网络层要求物理层断开，随即电台被挂断，至此，车地通信链路被完全拆除，如图7 所示。

图7 车载电路域通信链路拆除原语序列Fig.7 Communication link removal primitive sequence in onboard CS domain

5.1 基本原理

在分组域通信中，车载要发送的应用数据首先通过安全层处理和封装后，形成SaPDU，再由适配层（Adaptation Layer Entity，ALE)封装处理后形成ALE 包（ALEPKT），最后通过TCP/IP 协议以及PPP 协议处理后发往电台，电台把数据经过无线协议栈处理后发送到空口，经过支持分组域的无线通信系统最后抵达目标地面设备。接收数据过程则是上述过程的反向解包过程。相比车载电路域通信，分组域通信协议栈中新增了ALE 层，其作用一是进行冗余管理，执行TCP/IP 连接的建立、关闭和维护任务；
二是在面向字节流的TCP 协议上传送消息数据包。各协议数据单元之间的关系如图8 所示。

图8 车载分组域通信各协议数据单元关系Fig.8 Relation diagram of PDUs of onboard PS domain

5.2 安全通信链路建立过程

车载主机需要和某个地面设备建立分组域通信连接时，RTU 同样会收到建立连接传输层请求的原语，RTU 如果判断目标地面设备为PS 模式，而且电台已经为PS 通信做好准备（已附着在GPRS 或5G-R 网络，PDP 上下文已激活等），会首先通过AT 指令命令电台进入数据状态。然后和电台协商建立PPP 链接。PPP 链路建立后，电台会给RTU分配IP 地址和DNS 地址。随后，RTU 尝试从地面DNS 服务器查询目标地面设备的IP 地址，若能成功获取到IP 地址，则开始发起和目标设备的TCP连接过程。连接建立后，车载安全层和地面设备安全层之间将进行安全协议数据单元的交互过程来完成安全通信链路的建立，如图9 所示。

5.3 车地数据交换过程

车载主机要发往地面设备的无线报文首先被安全层封装处理成DT SaPDU 送到RTU，由RTU 的ALE 层处理后封装成DT ALEPKT 后，通过TCP/IP 连接经由车载电台发往地面设备。其中，IP 包送到电台的过程需要PPP 协议的支持。车载接收无线报文的过程是上述过程的逆过程，如图10 所示。

图10 车载分组域通信数据传输原语序列Fig.10 Primitive sequence for data transmission in onboard PS domain

5.4 安全通信链路拆除过程

应用层会话结束后，车载应用程序请求安全层断开连接，安全层则向RTU 请求断开传输连接，并随即断开自身的连接。随后，车载无线传输单元ALE 层将安全层断开请求通过TCP 连接发送给地面设备，接着RTU 关闭与地面设备的TCP 连接，并释放和电台的PPP 连接。至此，车载和地面设备的安全通信链路得以完全拆除，如图11 所示。

图11 车载电路域通信链路拆除原语序列Fig.11 Communication link removal primitive sequence in onboard PS domain

车载无线传输单元是一种嵌入式系统，为车载提供车地无线通信支持。硬件系统包括处理器、存储器、I/O 接口、通信模块等；
软件系统则包括操作系统、相应的硬件驱动、固件和必要的软件运行环境、协议栈支持以及应用软件，如图12 所示。

图12 车载无线传输单元软件系统结构Fig.12 Software system structure diagram of RTU

6.1 操作系统选择

无线传输单元通常采用嵌入式操作系统，操作系统负责系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动，且必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。例如，中国铁路通信信号股份有限公司（以下简称中国通号）的400T 车载采用μC/OS-II 系统，就是一种小型实时抢占式的多任务操作系统内核，可以满足较高的实时性要求。中国通号的深度自主化车载系统则采用了完全自主化的实时操作系统SylixOS， 它是一个嵌入式实开源操作系统，具有卓越的实时性和可靠性，可为车载应用提供丰富的功能。

6.2 TCP/IP协议栈支持

TCP/IP 协议是规范不同主机之间进行通信的一系列协议，其中涉及到数据的封装、传输、寻址等一系列内容，是事实上的网络标准。它包括网络层和传输层。其中，网络层负责封装处理数据包并运行必要的路由算法，以跨网络边界传输数据包；
传输协议在主机之间提供通信会话。TCP 和UDP 协议在协议栈的传输层，而IP 协议则属于协议栈的网络层。

车载无线传输单元为嵌入式设备，由于资源受限，通常系统本身并不支持TCP/IP 协议栈，例如μC/OS-II 系统就不支持该协议栈。在电路域通信时，并不需要用到TCP/IP 协议栈，没有影响。但在分组域通信时，TCP/IP 协议栈是必需的。车载无线传输单元中的TCP/IP 协议栈负责建立传输连接来为车载和地面设备提供端到端传输数据服务。所以在车载无线传输单元添加对TCP/IP 协议栈的支持是让其具备分组域通信能力的关键之一。

6.3 PPP协议支持

车载要接入分组域网络，具备分组域通信能力，除了增加TCP/IP 协议栈支持外，还必须在车载无线传输单元中新增对PPP 协议的支持，这是让其具备分组域通信能力的另一个关键技术。PPP 协议是应用最广泛的数据链路层协议，支持在各种物理类型的点到点串行线路上传输网络层协议报文。拨号入网普遍采用PPP 协议。PPP 协议主要包括链路控制协议（Link Control Protocol，LCP）和网络控制协议（Network Control Protocol，NCP）。其中，LCP是PPP 协议的一个子集，用来配置和测试数据通信链路，协商PPP 协议的一些配置参数选项，以适应各种复杂多变的网络环境；
NCP 则包括一族网络控制协议，其中提供给TCP/IP 网络使用的是IPCP 网络控制协议。NCP 参数配置协商的主要目的是获得通信双方的网络层地址，就车载无线传输单元而言是让其获得IP 地址。为最大限度地降低无线传输单元对于特定操作系统的依赖性，提高系统灵活性，可以在无线传输单元中建立独立于特定操作系统的PPP协议栈。

6.4 和车载主机通信接口设计

车载主机与车载无线传输单元通过串行总线协议通信，连接协议（LinkProtocol，LP）位于串行总线协议之上，为内部安全通信协议，采用特定的帧结构设计。此外，LP 协议还设计了各种定时器，用于主机和车载无线传输单元的通信同步、生命信号监控等，为车载主机应用提供一个安全通信接口。LP 为各车载厂家私有协议，不再详述。

6.5 和电台接口设计

车载无线传输单元与电台之间的物理接口遵循既有的IGSM-R接口标准，波特率可根据需要设置，8位数据位，1 位停止位，无奇偶校验。所需的信号线如表1 所示。

表1 接口串行通信信号线定义Tab.1 Def inition of interface serial communication signal lines

在电台处于命令状态时，车载无线传输单元与电台之间通过AT 指令交互来控制电台的行为。在电台拨号成功进入数据状态后，车载无线传输单元与电台之间直接通过数据交互以进行车地数据传输。

6.6 电台分组域通信准备

根据列控无线通信系统制式的不同，既支持电路域又支持分组域通信的车载无线通信系统应采用对应制式的电台。就GPRS 通信而言，电台又分为3 类：A 类电台具有同时提供GPRS 分组交换和GSM 电路交换承载业务的能力。B 类电台可以同时附着在GSM 网络和 GPRS 网络，但不能同时使用电路交换业务和分组交换业务，只能选用其中一个。C 类电台要么附着在GSM 网络，要么附着在 GPRS 网络，并且只能通过人工的方式进行切换，没有办法同时进行两种操作。为同时支持既有GSM-R 通信和GPRS 通信，车载无线通信系统应采用A 类或B 类电台。到了5G-R 时代，则应该采用可并行支持GSM-R 通信和5G-R 通信的双模电台。

如果车载电台注册的GSM-R 小区支持GPRS通信，或注册在5G-R 小区，车载无线传输单元应选择至少一个电台执行GPRS 或5G-R 附着过程和PDP 上下文激活过程，为分组域通信做好准备。

6.7 电路域、分组域选择算法

车载的通信设计采用设备分层通信的原则。车载主机负责应用层和安全层通信，RTU 则负责实际的电路域和分组域通信。车载主机只需知道要与之通信的地面设备的类型和ID，并不关心通信对象具体的通信模式，RTU 自主管理采用何种通信方式与目标地面设备建立通信连接，以交互信息。

RTU 收到车载主机请求建立通信连接的原语后，先从请求连接的原语中获取车载主机想要连接的地面设备类型和ID，然后查询自身存储的地面设备信息表，以期判断目标地面设备是工作在CS 还是PS 模式。RTU 会根据查询结果采取不同的应对措施，并启动相应的处理流程，存在以下3 种情形。

1）根据既有地面设备信息表不能判断目标地面设备的通信模式，而车载电台已经准备好PS 通信，RTU 则会开始和电台协商建立PPP 链路。链路建立后，电台会给RTU 分配IP 地址并告知域名系统DNS 的地址。然后RTU 尝试从地面DNS 查询目标地面设备的IP 地址。如果能查询到IP 地址，则更新设备信息表，以记录该目标地面设备为PS 传输模式，并开始和目标地面设备建立TCP/IP 连接，TCP 连接成功后，进入分组交换域传输模式，通过分组域来传输车地数据。如果车载电台未准备好PS通信或者PPP 链路无法建立或者DNS 回复该地面设备为CS 传输模式或DNS 查询出现错误，都将认为目标地面设备处于CS 通信模式。RTU 会通过拨号来发起电路域通信连接过程，连接成功后进入电路交换域传输模式，使用电路域来传输车地数据。若不成功，则向ATP 主机报告此次连接失败。

2）根据既有信息表确定目标地面设备为PS 传输模式，且车载电台也准备好PS 通信，则RTU 开始和电台协商建立PPP 链路，尝试从地面DNS 查询目标地面设备的IP 地址。如果能查到IP 地址，则开始和目标地面设备建立TCP/IP 连接，TCP 连接成功后进入分组交换域传输模式。如果上述任一环节出现错误，则直接向ATP 主机报告此次连接失败，不会尝试建立CS 通信。

3）根据既有信息表确定目标地面设备为CS传输模式，RTU 一方面会通过使用一个电台拨号来发起电路域通信连接过程，连接成功后进入电路交换域传输模式。若连接失败则直接向ATP 主机报告，等待主机的进一步处理。另一方面RTU 则会尝试查询目标地面设备的传输模式，先检查另一个电台是否处于准备好PS 通信状态，如果已经准备好则仍然会和电台协商建立PPP 连接，并尝试从DNS 查询目标地面设备的IP 地址，如果能够查询到，则会更新设备信息表并记录该目标地面设备为PS 传输模式；
如果不能查询到，则重置和电台的PPP 连接。上述任一环节出现问题，都会立即结束查询操作。

电路域通信和分组域通信是两种重要的列控系统车地通信技术，而同时支持这两种通信技术的车载无线传输单元是新一代车载系统的重要组成部分，为车载系统能适应不同制式无线通信网络提供了基础保证。按照本文所述方法研发的车载无线传输单元已经应用在中国通号的400T 车载、适用于西部的新型车载、符合基线3 ETCS 标准的欧洲五国车载以及基于国产芯片的深度自主化车载系统中。设备运行稳定可靠，既能满足车载电路域通信的要求又能满足车载分组域通信要求，既可以适应既有的GSM-R、GPRS 通信，也可以适应即将到来的5G-R 通信。

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