基于MVB總線的CTCS-1無線傳輸單元與主控單元的通信方法

孫二敬，吳培棟，張振興

（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）

1 概述

在實際鐵路運營中，當某條高速客專線的某個站或區間較短線路存在故障時，高速動車組若可通過普速線繞過故障段，可盡量地減少單點故障對全路運營秩序的影響。為使裝備CTCS-3/2級列控系統的高速動車組能夠從高速客專線轉到既有線運行，實現CTCS-2級列控系統的設備與CTCS-0系統的設備互聯互通，提出了CTCS-1級列控系統總體方案。在該方案中，進路數據通過400 MHz無線通信從地面設備廣播發送至車載設備，車載設備通過地面應答器完成列車定位，并據此篩選和使用對應的進路數據使用。

2 CTCS-1無線傳輸單元的應用

為盡可能減少對普速鐵路既有設備的改造，降低改造成本，CTCS-1級列控系統總體設計方案采用了地面設備到車載設備的單向廣播的無線傳輸方式，地面設備向無線覆蓋范圍內的所有車發送所有可能的進路數據，由車載設備根據自己經過的地面應答器去選擇對應的進路數據。

CTCS-1級列控系統總體設計方案中，車載設備主控單元通過CTCS-1無線傳輸單元接收進路數據。由于CTCS-1無線傳輸單元接收到進路數據的數據量很大，無法在較短時間通過MVB總線將所有進路數據傳送到主控單元，不滿足數據傳輸實時性的要求，從兩者的交互效率考慮，主控單元僅需要本列車當前進路上的進路數據，而不是所有進路數據，即對于主控單元來說，類似于CTCS-2等級下通過地面應答器組接收進路數據。

基于上述需求，CTCS-1無線傳輸單元至少應具備以下功能：1）通過400 MHz無線網絡接收地面設備發送的進路數據并進行存儲；2）挑選主控單元需要的進路數據，將有效的進路數據發送給主控單元。

3 總體方案

如圖 1所示，CTCS-1無線傳輸單元通過無線接口接收并存儲地面設備廣播的進路數據。根據主控單元發送的命令信息，從廣播的進路數據中篩選主控單元所需的進路數據，并將同一條報文數據分割，通過多個MVB端口并行發送至主控單元。主控單元接收到經過篩選的進路數據后，據此進行控車邏輯計算。

圖1 總體方案Fig.1 Overall scheme

3.1 MVB端口定義

端口1至少包含的字段及定義如表 1所示。

表 1 端口1字段定義Tab.1 Field definitions of port 1

端口2至少包含的字段及定義如表 2所示。

表 2 端口2字段定義Tab.2 Field definitions of port 2

端口3～6至少包含的字段及定義如表 3所示。

表 3 端口3～6字段定義Tab.3 Field definitions of port 3-6

3.2 交互過程

CTCS-1無線傳輸單元任務執行周期為T1，即每隔T1讀一次端口1，每隔T1可寫一次端口2～5；主控單元任務執行周期為T2，即每隔T2讀一次端口2～5，每隔T2可寫一次端口1；T1＜T2，即為快的發送方和慢的接收方，為保證主控單元不會漏讀端口2～5的數據，規定CTCS-1無線傳輸單元更新端口2～5的時間至少應為T3，其中T3=m×T1〉T2（m為C1無線傳輸單元任務周期數)。

基于以上的端口分配，雙方交互工作過程如圖 2所示。

圖2 雙方交互工作過程Fig.2 Working process of mutual interaction

1）CTCS-1無線傳輸單元接收并存儲來自于無線廣播的進路數據，存儲形式如表 4所示。

表 4 C1無線傳輸單元進路數據存儲形式Tab.4 Route data storage format of C1 radio transmission unit

其中，LRBG表示最近相關應答器組。在CTCS-1級列控系統中，軌旁安裝的每一組應答器均可以作為LRBG，進路數據即基于此LRBG進行線路數據的描述。每個LRBG編號對應的進路數據均為符合《CTCS-3級列控系統應答器應用原則》V2.0規定的報文結構，每個LRBG編號對應的進路數據為1～8個長度，為830 bit的報文。

2）列車經過某個LRBG時，主控單元通過命令端口將LRBG編號發送至CTCS-1無線傳輸單元。

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3）CTCS-1無線傳輸單元接收到LRBG編號后，據此從已存儲的進路數據中查找并取出該LRBG編號對應的進路數據，并每隔T1時間將該進路數據的每個830 bit報文按以上MVB端口定義分割填入各個數據端口的發送緩存區隊列。

每個數據端口的發送緩存區隊列的數據結構和工作原理類似，以端口2為例說明。

如圖 3所示，CTCS-1無線傳輸單元軟件中為每個數據端口維護一個發送緩存區隊列，該隊列為環形隊列。隊列長度為N，每個隊列單元存放ID1、ID2和30 bit的報文（端口3～6為200 bit的報文）。設置3個指針，發送數據指針、寫端口指針和ACK指針，3個指針的作用如下。

圖3 MVB端口發送緩沖區隊列Fig.3 MVB port sending buffer queue

1）發送數據指針指向隊尾可用的單元，當有報文需要發送時，寫入該單元，然后指針移。當發送數據指針+1=ACK指針時，表示隊列滿，無可用單元。

2）寫端口指針指向需寫入MVB端口的單元，CTCS-1無線傳輸單元每隔T3時間從該單元讀出數據更新端口2～6。

3）當寫端口指針=發送數據指針時，表示無新數據需要寫入端口。

4）ACK指針指向待接收確認的單元，當從端口1讀到待接收確認單元的確認數據時，指針后移。當ACK指針=發送數據指針時，表示無數據需要接收確認。

5）主控單元監測到端口2的ID1字段更新后，將端口數據讀出存入對應端口的接收緩沖區隊列，該緩存區隊列長度與發送緩存區隊列長度相同，均為N。

6）主控單元從端口2～6的接收緩存搜索包含期望報文流水號的數據，當在端口2～6均可搜索到時，從接收緩沖區取出，將DATA字段拼成一個完整的830 bit長度的報文。并通過端口1更新ACK2字段值等于ID1。

7）CTCS-1無線傳輸單元檢測到端口1的ACK2字段值為ID1時，認為主控單元已收到發送流水號為ID1的進路數據，后移ACK指針。

3.3 超時重發

此通信方法支持超時重發機制。由于端口1～6的更新周期均為固定時間，為防止在固定時間內數據發送或接收失敗，在CTCS-1無線傳輸單元設置超時重發機制，超時容忍時間記為T4。如圖 4所示，假若CTCS-1無線傳輸單元發送ID1后，開啟計時器，若經過T4時間后仍未收到ACK1，CTCS-1無線傳輸單元將重發ID1，同時重新開啟計時器，超時時間仍為T4，直至收到ACK1。

圖4 超時重發示意Fig.4 Schematic diagram of timeout retransmission

4 結語

綜上所述，CTCS-1無線傳輸單元與主控單元以此種通信方法交互，在滿足系統需求的前提下，還具備下述優點。

1）主控單元將LRBG編號發送至CTCS-1無線傳輸單元，CTCS-1無線傳輸單元據此對進路數據進行篩選，并發送對應線路數據報文至主控單元，大幅度地減少主控單元與CTCS-1無線傳輸單元之間通信的帶寬成本。

2）CTCS-1無線傳輸單元傳輸830 bit進路數據時，將此數據分割成5份并分配至5個數據端口，并行發送至主控單元。主控單元通過對報文流水號檢查，將5個MVB端口數據重新拼接為完整報文，提高傳輸效率的同時，也避免了報文拼接錯誤的可能。

3）由于交互雙方設置了收發緩存，CTCS-1無線傳輸單元可以在收到主控單元的接收確認前，持續發送數據，避免了由于主控單元因未收到某個端口或某幾個端口數據而造成報文不能“拼齊”導致數據丟失的情況。