基于5G技術的新一代列控通信系統研究

謝和歡

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

2020年8月中國國家鐵路集團頒布了《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》（簡稱綱要），提出到2035年，要率先完成現代化鐵路網建設，建成智能高鐵實現智慧鐵路。綱要特別提出要自主研發新型智能列控系統，智能牽引供電系統，智能綜合調度指揮系統以及新一代鐵路移動通信系統，推進北斗衛星導航系統和5G應用，運用大數據、互聯網等現代信息技術提升鐵路現代化水平?？梢灶A見，未來高鐵列控系統將是以北斗、5G通信等新技術為基礎的新一代智能控制系統。

1 新一代列控系統簡述

國內列車運行控制系統根據系統配置按功能從CTCS-0到CTCS-4劃 分 為5級，其 中，CTCS-2和CTCS-3是目前國內高鐵主流使用的列控系統。而CTCS-4系統則是基于移動閉塞、北斗導航、自動駕駛和5G通信等技術研制的新一代列車控制系統，智能化程度高，在國內高鐵列控技術中具有里程碑意義。

2 新一代列控無線通信系統概述

在2020年前，國內鐵路專網通信系統傾向從GSM-R演進至LTE-R。但從技術上看，LTE-R 依然存在車地無線通信的切換穩定性、空口時延等問題。隨著5G上升為國家戰略，鐵路通信網將從 GSM-R 時代進入 5G-R 時代，為大數據技術在鐵路的應用提供基礎，以提高鐵路信息化、智能化水平，促進產業提質升級。

5G作為一種新型移動通信技術，具有高帶寬、高速度、大容量、低功耗、低時延、萬物互聯、信息可感知可調控的特征，可以滿足未來虛擬現實、智能制造、自動駕駛等應用需求。是智能化時代的標志性技術和重要的基礎設施，是滿足新一代列控系統無線通信需求的最佳選擇。

車地數據通信是保障列控系統運行的關鍵核心業務，其傳輸速率、可靠性和安全性要求高，是5G-R的主要應用場景之一。因此，開展5G-R的列控車地通信技術研究，對于實現列車運行控制、列車自動駕駛，保障鐵路安全、可靠、高效運營，對于促進智能鐵路的發展都具有重要意義。5G-R的車地通信系統的核心設備包括5G-R車載電臺、 接入網（基站）、核心網等。其基本結構如圖1所示。車載設備（ATP/ATO）通過車載電臺接入5G-R網絡，無線閉塞中心（RBC）通過數據網絡（Data Network，DN）接入。其中，5G-R車載電臺和列控數據傳輸是本文的研究重點。

圖1 5G-R列控通信系統基本結構Fig.1 Basic structure of 5G-R train control communication system

3 5G-R車載電臺基本設計

5G-R電臺是適應于5G-R列控通信系統的車載無線接入終端，是列控系統車載設備的重要組成部分，它通過5G-R網絡與RBC建立起數據傳輸通道來傳輸列控信息；通過串口與車載無線傳輸單元相連，進行AT指令交互和業務數據收發。

3.1 系統結構

5G-R車載電臺是嵌入式系統與5G Modem的結合。在其上運行了電臺核心控制程序，用于處理和車載ATP的AT指令交互以及點對點協議（Point to Point Protocol，PPP）的過程處理和具體配置。在其操作系統內封裝PPP協議和TCP/IP協議棧，具備撥號上網功能。

3.2 與ATP的接口

5G-R電臺和ATP的無線傳輸單元RRC之間通過RS-422串口連接，串口中的TxD+、TxD-、RxD+、RxD-4根信號線差分傳輸AT指令、結果碼和數據。其中，指令和結果碼以ASCII碼傳輸，數據以比特流方式透明傳輸。RRC與5G-R電臺之間通過RTS、CTS、DSR、DTR、DCD等硬件握手信號控制數據的傳輸時機。

3.3 AT指令

AT 指令是用于數據終端設備與數據電路終端之間連接與通信的協議，通常采用標準串口來收發。ATP通過AT指令控制電臺參數配置，獲取終端信息，發起與RBC的撥號連接，建立5G-R通信鏈路。不同制式的移動臺有各自的AT指令集。針對5G-R電臺，新增了部分AT指令以適應電臺的新特性。例如：AT+CG5QOS用于設置5G QoS參數；AT+C5GREG為5G網絡注冊狀態相關AT命令；AT+CGDCONT設置命令用于定義分組數據協議上下文參數。

3.4 PPP協議

PPP屬于數據鏈路層協議，是一種在點對點鏈接上傳輸多協議數據報文的標準方法。PPP 協議之下是以太網或串口等物理層，之上是IP協議等網絡層。PPP規定了數據幀封裝方法和交互流程，主要用來通過撥號或專線方式建立點對點連接以接收發數據。PPP協議主要由3部分組成：鏈路控制協議（LCP）、網絡控制協議（NCP）和PPP擴展協議。LCP是PPP協議的底層部分，用來配置、建立、測試和關閉數據通信鏈路。NCP是PPP協議的高層部分，用來建立和配置不同的網絡層協議，主要作用是獲取通信雙方的網絡層地址。NCP包括一族網絡控制協議，常見的有用于TCP/IP網絡使用的IPCP網絡控制協議和用于SPX/IPX網絡的IPXCP網絡控制協議等。PPP協議組成示意如圖2所示。5G-R電臺使用的NCP協議是IPCP協議。在5G-R電臺中實現PPP協議是讓電臺具備撥號上網功能的關鍵。

圖2 PPP協議組成示意Fig.2 Schematic diagram of the composition of PPP protocol

3.5 連接建立過程

列車在經過5G-R無線覆蓋區域前，會從地面應答器讀到準備切換為5G-R網絡的預告命令，此時ATP會向5G-R電臺發出：AT＋COPS？指令查詢電臺注冊狀態，如果電臺返回：13，+COPS: 1，2，“46020”，7則表示電臺已經注冊到5G-R網絡。然后，ATP不斷向電臺發出：AT+CSQ指令檢測信號強度，以準備發起PPP撥號。列車繼續前行，當列車從地面應答器讀到切換為5G-R網絡的命令時，ATP向5G-R電臺發出：AT＋CGDATA=“M-0000”，1指令，使電臺進入分組交換(Packet Switch，PS)域狀態，并使5G Modem進入連接狀態。若電臺返回：CONNECT則表示連接5G-R網絡成功。ATP隨后開始發起PPP鏈路建立過程，按照PPP協議建立數據通信鏈路。ATP首先按照LCP協議同電臺動態協商配置串口鏈路參數，然后按照NCP協議協商PPP報文的網絡層參數以獲取IP地址。NCP過程成功后，在ATP系統和電臺內部都會映射出一個虛擬網絡接口ppp0，并被注冊到各自的TCP/IP協議棧中。這時，ATP就可以通過這個虛擬網卡提供的socket 接口與RBC建立IP網絡連接傳輸IP報文了。

3.6 數據傳輸處理過程

ATP上的應用程序向RBC發送IP數據包，這些IP數據包經過TCP/IP協議棧流向內核PPP協議處理模塊（PPP驅動），PPP驅動將IP包按PPP協議封包后發送到PPP TTY線路規程，TTY線路規程將PPP IP數據幀格式化后發送給TTY驅動程序，這樣，經PPP封裝后的 IP數據包就被串口發送出去。數據收發過程如圖3所示。

5G-R電臺中的PPP協議棧從串口讀入PPP幀，并對PPP過程控制幀和IP應用數據幀進行分流。PPP過程控制幀則會被放到操作系統的/dev/ppp設備隊列中, 5G-R電臺上的核心控制程序會讀取該隊列的數據進行PPP過程處理，以完成和ATP的PPP交互過程。而應用數據幀中的IP包被提交到內核的TCP/IP協議棧，然后交由電臺空口無線協議棧進一步處理后，通過無線信道發送到5G基站，再經5G核心網最后送達RBC。這樣便實現了車載電臺控制路徑與數據路徑，策略與機制的有效分離，使系統結構更優化。

圖3 PPP幀傳輸示意Fig.3 Schematic diagram of PPP frame transmission

5G-R電臺從基站接收的數據經空口無線協議棧處理還原出IP包后被送到電臺內核的TCP/IP協議棧，由于IP包中目的地址為ATP的IP地址，這些IP包會被電臺的TCP/IP協議棧發送到PPP 驅動，由后者按PPP協議封裝后送到TTY線路規程，然后經TTY驅動通過串口發送給ATP。ATP 上的PPP協議棧從串口讀入PPP幀，同樣對PPP過程控制幀和應用數據幀分別處理。提取出來的IP包被提交到ATP內核的TCP/IP協議棧，然后由協議棧發送給ATP應用程序。這樣，從RBC來的IP包就被送到了ATP。

4 5G-R電臺空口無線協議棧設計

5G-R電臺的空口采用5G 標準的新空口（New Radio，NR)，NR是基于正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）設計的全新空口，可以實現超低時延和高可靠性，非常有利于車地通信數據的高速可靠傳輸。

5G-R電臺無線協議棧也分為控制面和用戶面兩個平面。其中，控制面（Control Plane，CP）協議棧是傳輸控制信令所采用的協議簇。用戶面（User Plane，UP）協議棧是傳輸用戶數據所采用的協議簇。

5G-R電臺無線協議?？刂泼媾c LTE-R 基本一致，分為網絡層（L3）、數據鏈路層（L2）和物理層（L1）。L3包括非接入層（Non-Access Stratum，NAS）和無線資源控制層（Radio Resource Control，RRC）。L2包括分組數據匯聚協議層（Packet Data Convergence Protocol，PDCP ），無線鏈路控制層（Radio Link Control，RLC ）和媒體接入控制（Medium Access Control，MAC ）。對于用戶終端（ UE）側，所有的控制面協議棧都位于 UE 內。而對于網絡側，除 NAS層位于核心網的 接入和移動管理功能AMF網元，其余均位于 5G基站gNB 上，具體如圖 4 所示。

圖4 NR無線協議?？刂泼媸疽釬ig.4 Schematic diagram of the control plane of NR wireless protocol stack

5G-R電臺無線協議棧用戶面協議棧分為數據鏈路層（L2）和物理層（L1）。L2相對于 LTE-R 增加了服務數據適應協議層（Service Data Adaptation Protocol，SDAP ）。對于 UE 側，所有的用戶面協議棧都位于 UE 內。對于網絡側，用戶面協議棧也同樣都存在于 gNB 內，如圖 5所示。

圖5 NR無線協議棧用戶面示意Fig.5 Schematic diagram of the user plane of NR wireless protocol stack

4.1 SDAP子層

5G網絡中無線側依然沿用4G網絡中的無線承載的概念，但5G中的核心網為實現更加精細化業務，其基本的業務通道從4G時代的數據無線承載（Data Radio Bearer，DBR）的概念細化到以服務質量(Quality of Service，QoS)流為基本業務傳輸單位。 這樣一來，在無線側的DBR就需要與5G中的QoS 流進行映射，這就需要增加一個適配子層SDAP，來完成對QoS流與DBR之間的映射并為數據包添加QFI（QoS flow ID）標記。也就是說5G包括兩層映射：一層是用戶平面功能（UPF）實現IP流到QoS流的映射。另一層是gNB實現QoS流和無線承載DBR的映射。

LTE系統中QoS由核心網來控制，無線側只能被動適配，5G系統中 QoS由無線側控制，因而更加靈活；4G的承載粒度較粗，單用戶最多8個DBR，5G的承載粒度更細，基站和UPF最多可達64個QoS流，空口單用戶最多可達16個DBR。5G接入網和核心網通過將數據IP流映射為適當的QoS流（根據時延、傳輸速率等要求）和DBR以確保數據傳輸的服務質量，非常適合于要求延遲低而可靠性高的列控業務。

4.2 PDCP子層

在用戶平面上， PDCP子層接收SDAP數據，完成數據的加解密、完整性保護驗證及頭壓縮后，遞交到RLC子層。PDCP子層還向SDAP層提供按序提交和重復分組檢測功能。在控制平面，PDCP子層為上層RRC提供信令傳輸服務，并實現RRC信令的加密和一致性保護，以及在反方向上實現RRC信令的解密和一致性檢查。

4.3 RLC子層

RLC為用戶和控制數據提供分段和重傳業務。RLC PDU的數目根據MAC層傳輸塊（TB）的大小來傳輸。如果MAC層TB的大小不足以傳 輸 完 整 的RLC PDU，則 對RLC PDU進 行 分段；當MAC層的混合式自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）已經用盡重發次數，RLC會繼續重發。

RLC有3種模式，分別是TM透明模式、UM重發非確認模式、AM重發確認模式。AM模式在高層數據上添加必要的控制協議開銷后進行傳送，并保證傳遞到對等實體。一般用于數據業務，尤其適合包括列控業務在內的關鍵核心業務的數據。

4.4 MAC子層

MAC子層即媒體接入控制子層，負責無線資源分配與管理，實現邏輯信道到傳輸信道的映射處理。具體功能包括邏輯信道復用、信道轉換、優先級處理、調度管理以及基于HARQ機制的錯誤糾正和重傳功能。對于上行：復用從一條或多條邏輯信道下來的數據（MAC SDUs）到傳輸塊，并通過傳輸信道發送到物理層。 對于下行：把從傳輸信道傳送過來的傳輸塊解復用成MAC SDU，并通過相應的邏輯信道，投遞到RLC層。

4.5 PHY層

物理層是通過MAC 子層的傳輸信道向高層提供數據傳輸服務。物理層主要解決的是：如何通過一定帶寬的“基帶”無線電磁波信號（無數個正交的子載波），為多個不同的用戶，發送一連串經過調制、編碼后的比特數據。5G物理層的主要功能是：錯誤檢測、FEC加密解密、速率匹配、物理信道的映射、調整和解調、頻率同步和時間同步、無線測量、MIMO處理、射頻處理。5G-R車載電臺物理層的功能結構如圖6所示，主要涉及到無線資源、多址技術、調制技術、編碼技術等，具有nFAPI、eCPRI、CPRI 3大接口。相比于LTE物理層，5G物理層調制和編碼效率更高，對信道處理更穩健。有利于提高5G-R車載電臺的系統穩定性。

圖6 5G-R電臺物理層的功能結構Fig.6 Functional structure of the physical layer of 5G-R radio

5 列控業務數據在空口無線協議棧的處理過程

從數據上行過程（ATP到RBC）方向來看，列車運行過程中形成的列控業務數據被封裝在一個或多個IP數據包中。一個個連續的IP數據包形成IP數據流。5G-R電臺的UPF收到來自ATP的IP數據流后，會根據列控業務的QoS 需求，將IP 數據流映射為 QoS 流，并在數據的封裝報頭中打上 QFI，以標記數據所屬的QoS流。接著，QoS流被送到空口協議棧鏈路層的SDAP子層，SDAP根據基站提供的QoS到DBR的映射關系，將QoS流映射到對應的DBR上。然后，SDAP將IP包打包為PDU(增加SDAP協議頭)投遞給PDCP層。

當SDAP PDU到 達 PDCP子層后，成為PDCP層的SDU，SDU首先被存儲在一個緩沖區中。隨后，PDCP層對到達的SDU進行序列編號，以便于接收端準確判斷出數據分組是否按序到達，以及是否有重復分組，從而能對數據進行重組。緩存是5G NR新增的功能，進一步保障了數據傳輸的可靠性，非常適合于列控業務數據的無線傳輸。然后，PDCP層會將SDU中的IP包的頭部進行壓縮，并將IP包加密（加密機制進一步保證了車地列控業務數據的安全性），再將SDU添上PDCP協議頭，成為PDCP PDU，隨后通過服務訪問點（Service Access Point，SAP）送到RLC層成為RLC SDU。

RLC PDU的大小是由MAC層指定，RLC層需要分段/串聯RLC SDU以適應RLC PDU的大小，并添加RLC協議頭形成RLC PDU。針對列控業務，5G-R電臺RLC層會采用AM工作模式為其提供可靠數據傳輸，將RLC PDU通過邏輯信道傳遞給MAC層。如果數據傳輸有問題，RLC層會重傳該RLC PDU。這進一步保證了列控業務數據車地通信的可靠性。

RLC PDU通過邏輯信道到達MAC子層后，成為了MAC SDU。MAC子層的 MAC PDU 具有一個頭部，若干控制單元，若干MAC SDU，可能還有填充位。每一個控制單元對應一個SDU或者填充位。MAC PDU會通過傳輸信道被送到物理層。

從MAC層發往物理層的MAC PDU是以傳輸塊（Transport Block，TB）的形式組織的。 在物理層中，TB第一步要經過CRC循環冗余校驗，經過信道編碼后進行速率匹配，形成碼字。第二步是對碼字進行擾碼操作從而得到新的加擾后的比特序列，以避免不同的電臺和小區之間的干擾。第三步是對加擾后的比特序列進行調制。調制后得到的復數值信號，要進行層映射和預編碼，預編碼結果通過天線端口映射得到復數信號，每個復數信號和子載波運算后形成OFDM符號。OFDM符號再經過D/A轉換、功放、射頻等一系列操作最終發射出去。數據在空口無線協議棧的處理過程如圖7所示。

從數據下行過程（RBC到ATP）方向來看，就是上述過程的一個反向過程。

6 5G-R網絡架構設計

5G-R的網絡架構主要包括無線接入網（RAN）和核心網（5GC）。在5G-R網絡中，RAN不再像LTE接入網那樣由BBU、RRU、天線組成。而是被重構為3個功能實體：集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distribute Unit，DU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）。其中，CU由BBU的非實時部分分割出來，負責處理非實時協議和服務。DU由BBU的剩余功能組成，負責處理物理層協議和實時服務。AAU由BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并而來。這樣一來，CU就可以集中部署，并進行網元功能虛擬化（NFV），大大降低5G-R網絡建設成本。

圖7 5G-R電臺空口無線協議棧Fig.7 Air interface wireless protocol stack of 5G-R radio

原LTE核心網在5G-R中被拆分為5G核心網（5G Core，5GC）和移動網絡邊界計算平臺（Mobile Edge Computing，MEC）兩 部 分。這種拆分、細化，可以實現網絡切片，以更靈活地應對不同鐵路通信業務對于網絡的不同特性要求的特定場景需求。切片，簡單來說，就是把一張物理上的網絡，按應用場景劃分為N張邏輯網絡。不同的邏輯網絡，服務于不同場景。例如，為列控業務單獨分配一個切片，滿足其速度、延時和連接數的要求，讓其不受其他業務的影響，以充分保證列控業務傳輸的穩定可靠。5GC采用的是基于服務的架構（Service Based Architecture，SBA），該架構基于云原生構架設計，把原來具有多個功能的整體，分拆為多個具有獨自功能的個體，實現各自的微服務，如圖7所示，其中虛線內為5G-R核心網。這樣，雖然網元數量大量增加了，但由于網元硬件都是在虛擬化平臺里面虛擬出來的，故非常容易擴容、縮容，也易于升級、割接，并且相互之間不會造成太大影響。大大方便5G-R網絡的構建。

7 列控業務數據在5G-R網絡的處理過程

當5G-R RAN的基站通過NR空口收到來自車載電臺的無線信號后，經過無線協議棧處理后還原成列控業務IP包，隨后，IP包被RAN使用GTP-U協議封裝后通過N3接口送到UPF，UPF通過N6接口將IP包送到DN，最后安全可靠送達至RBC。數據協議棧處理過程件如圖8所示。RBC發往ATP的數據傳輸同樣是該過程的一個反向過程。

8 結束語

本文從車地列控業務傳輸角度對基于5G技術的新一代列控通信系統5G-R進行研究，分析了數據在整個傳輸過程所經歷的協議封裝/解封過程，闡述5G-R在滿足列控業務傳輸速率、低延時、可靠性等特性要求的適應性。創新了5G-R車載電臺的設計開發方法，提出地面網絡系統的結構、組成和接口。新研制的5G-R車載電臺使車載設備可以無需改造硬件接口，就能實現從支持GSM-R通信轉換到支持5G-R通信，既能滿足未來CTCS-4列控傳輸車地數據（包括列控信息、列出自動駕駛信息、列車安全防護預警信息等）的業務要求，也能滿足車載運營維護信息的傳輸要求，為高鐵列控智能化奠定了通信基礎。

圖8 5G-R網絡協議棧Fig.8 5G-R network protocol stack