基于铁路5G-R的车车通信车载设备方案 0. 引言  车车通信目前的主要应用场景有列控系统和列车防撞预警系统。当前我国高速铁路通信系统正广泛采用GSM-R，能够较好地实现列车与地面之间的双向数据传输，因此曾被选择作为高速列车追踪接近预警系统的无线通信方式。但是，GSM-R属于2G窄带通信系统，信道带宽仅2×4MHz，已无法满足高速铁路的发展需求。2010年国际铁路联盟（UIC）曾指出：GSM-R将跨越3G技术直接向LTE-R演进。由于LTE相比GSM-R能够提供更高的数据传输速率并具有更低的系统延迟，因此成为当时研究人员广泛关注的下一代轨道交通无线通信技术。但轨道交通对于双网冗余配置和专门业务必须保证稳定的最低带宽要求，LTE网络因受我国1785~1805MHz专网频段制约，而无法兼顾专门业务和综合承载业务的服务。我国铁路移动通信系统的发展，既面临内部需求的不断增加和技术发展趋势的持续推动，也面临适用频率资源枯竭、产业升级换代等日趋严峻的外部环境，由GSM-R向下一代铁路5G-R的演进已成为大势所趋。 传统列控系统通信机制大多是车地（Train to Ground，T2G）通信，即列车与地面建立通信，获取行车许可等信息，而地面又需要与其他所有列车通信链接，获取每列列车相关数据信息。当前城市轨道交通常用列车控制系统中，T2G通信是实际运行的CBTC系统架构，这种通信结构轨旁设备繁多、系统结构复杂。车车（TraintoTrain，T2T）通信是列车之间直接通信，减少了系统对控制中心的依赖，降低了系统复杂度，能够显著提升列车运行效率，因此，T2T通信已被研究人员视为下一代轨道交通列车通信技术，某科技公司目前已在进行基于车车通信的列车控制系统（VBTC）研制。车车通信方式降低了列车控制系统对核心网设备的依赖，增加了信息的获取渠道，增强了主动防护能力，车车通信成为铁路无线通信系统的发展方向。 1. 车车通信应用场景 车车通信技术最早源于汽车之间互相通信的设想，其主要目的是降低通信基站的资源占用，每辆汽车作为同时具备信息收发的载体，与周围汽车直接进行通信，共享道路状况、汽车速度、位置等信息，避免车辆之间的碰撞以及交通拥堵等情况。该方案具备通信延迟低、占用公共资源少、路况处理速度快等优点，但是在轨道交通中还无法实现。 CBTC系统是利用车地通信确保城市轨道交通中列车高效、安全运行的关键系统。随着5G技术的高速发展，由于车车通信具有传输数据带宽大、传输时延小、传输距离远、抗干扰性强等特点，虚拟编组CBTC列控系统被提出。铁路目前主要采用的CTCS-3级列控系统也属于一种车地通信方式，而处于研究阶段的基于车车通信的铁路列控系统，其主要特征为车载设备之间实现IP化双向无线通信，车载设备自行计算本车行车许可信息。事实上，当通信性能足够完善，更多的计算功能被赋予车载设备时，防撞预警甚至虚拟连挂技术的实现都将成为可能。在此，结合列车防撞预警应用，研究设计了一种基于5G技术的车车通信车载设备。 2. 车车通信系统架构 无论是汽车还是地铁，车车通信的首要目的就是防撞，只有保证车辆安全才能保障行驶等功能，因此防撞预警是车车通信中极为重要的一项应用。而对于防撞预警，列车定位则是基础，只有实时掌握列车精确的位置，才能实现防撞预警功能。在此，车车通信系统设计了一种多源融合定位方案，构建基于列车位置的车车通信网络，结合轨道电子地图，确定列车运行位置；以车载设备为主体，根据车车通信网络内列车的运行位置信息，识别运行在同一线路同一行别的前方列车，实时计算本车与前车的距离。系统由车车通信服务器、电子地图服务器、地面监测终端、车载设备构成，系统架构见图1。  图1 基于5G网络车车通信的系统架构 2.1 车车通信服务器 列车实际运行中，需要互相通信的往往是临近的、一定范围内的列车，但由于每列车运行的线路与时间并不完全固定，对于某列车而言无法直接判断其临近哪些列车，因此需要1个服务器来收集所有列车位置。车车通信服务器即用于收集所有列车上报的位置信息，并以某列车位置为中心构建一定范围内的车车通信网络。范围构建后，该列车即可直接与范围内列车进行实时通信。 在此，对我国高速铁路总里程按4万km计算，如果按列车追踪间隔为5min、列车运行速度平均为250km/h计算，则全部高速铁路上、下行线路分别最多同时有1920列车，共计3840列车。采用全路集中设置车车通信服务器的方式，全路所有在线3840列动车组的车载设备均与同一个车车通信服务器进行通信。按车载设备每1s发送1次车车通信位置信息，信息长度50B，信息包开销比为1.5，则系统中的上行数据总流量为288000B/s。车车通信服务器按平均每1s向每个车载设备发送1次车车通信网络信息，信息长度50B，信息包开销比为1.5，则系统中的下行数据总流量为288000B/s。系统总流量只有576000B/s，换算后约为4500kbit/s，占用带宽约4.5Mbit/s。5G网络条件下，完全可以满足该需求。 2.2 电子地图服务器 电子地图服务器为车载设备提供列车运行线路的轨道电子地图下载服务。在列车实际运行中，多源融合定位需要首先获取列车网络、机车综合无线通信设备（CIR）、应答器传输单元（BTM）等设备的相关信息，而这些信息并不能直接确定列车位置，需要先行做好对应的电子地图。由于我国铁路线路非常多，而且还在不断更新，因此电子地图不适合采取预存于车载设备的方式，而是采用每次开机后，根据列车所在线路进行更新下载的方式，因此需要有1个中心化的服务器用于存储全路电子地图。电子地图包含详细的车站、道岔、联络线等位置信息，确保列车能够根据情况实时进行相应处理。由于电子地图的数据量也相对较大，因此列车每次开机后只和服务器的地图文件进行版本比对，版本相同时无需更新，可节省大量流量。 2.3 地面监测终端 地面监测终端主要对所有列车位置进行监测，实际使用中并没有控制作用，但能便于车站调度人员对列车位置进行观察。目前列控系统中已具备实时掌握列车位置的功能，而车车通信可以作为独立于列控系统外的系统，在列控系统失效时作为补充。另外，地面监测终端可监测车载设备的数据收发，在车载设备故障时，立刻通知监测人员，车载设备维护人员也能根据监测日志进行故障分析。 2.4 车载设备 车载设备通过接入5G网络，实现与车车通信服务器、电子地图服务器以及其他列车在5G网络下的数据交互，并获取基于北斗或GPS卫星定位的经纬度信息。同时车载设备要通过接入BTM、CIR、列车网络等既有车载设备，获取无源应答器信息、车次号信息、列车运行速度信息等。针对防撞预警功能的应用，车载设备需要具备人机交互的显示终端，在适当情况下通过声、光等方式向司机发出列车报警。 对于以上需求，车载设备应包括显示终端和主机。显示终端可根据具体应用实现与司机的交互，例如，在防撞预警应用下，显示终端根据与前车的距离、速度设置多个等级，并采取不同报警方式提示司机。主机应具备控制单元，统筹所有数据传输、转发与计算。网口和串口单元主要用于BTM、CIR等外接设备接入。5G通信单元主要用于5G网络空口的收发。北斗或GPS定位单元用于接收卫星定位信号。其中关键单元采取主备冗余备份，如电源和主控，由于冗余备份需要仲裁电路来进行主备的选择，在此将仲裁电路设计在串口电路板上以节省空间。而网口电路板除与外接设备进行以太网通信，还需要负责内部设备，如5G通信单元的数据交互，因此采用交换机来设计。车载设备架构见图2。  图2 车载设备架构 3. 多源融合定位技术 列车位置信息是实现基于5G网络车车通信各项功能的基础，除了通过北斗或GPS单元获取的经纬度信息，还需要列车运行线路、行别、正/侧线、方向、速度、公里标等信息，才能确定完整的列车运行位置。列车的定位可按轨道方向分为纵向和横向。在纵向上，车车通信系统对列车位置的定位精度应保证能识别在同一轨道上运行的前后2列车；在横向上，对列车位置的定位精度应保证能识别在同一条线路上行和下行的2列车。 3.1 列车运行位置定位精度 采用北斗卫星差分方式进行位置测量时，静态定位精度不大于5cm。考虑到列车高速移动时定位精度会下降，即使按定位精度劣于静态10倍考虑，系统总体定位精度也能达到50cm，理论上可以满足列车横向定位精度2m的要求。为了实现北斗卫星差分定位，需在铁路沿线设置地面卫星差分基准站，要达到上述定位精度，约每50km需要设置1个差分站。但如果考虑非连续地面卫星差分基准站故障时系统仍需要保持定位精度不变，则需要适当加密地面卫星差分基准站，在某个差分基准站失效时，系统可根据相邻差分基准站的定位信息消除相关区段运行列车卫星导航信号的定位误差。如果卫星差分定位的精度能够一直小于2m，则采用该方案能够准确判断列车所在股道。如果某些区段的定位精度无法保证小于2m，或者在峡谷、隧道、大型上跨式车站等无法正常接收卫星信号的区段，系统则无法通过该方案确定列车所在股道。因此，车车通信系统需要对不同定位信息进行融合计算，满足高精度定位的需求。 3.2 云应答器信息应用 按照目前铁路列控系统的要求，采用CTCS-2级和CTCS-3级列控系统的高速铁路在各闭塞分区上都会设置一定数量应答器。在进站信号机、出站信号机等关键位置均设置应答器组，即站内每股道都设置应答器组。而按照《列控系统设备和相关设备编号规则》的要求，每个应答器都有自己唯一编号，如果在车车通信系统中建立列车运行线路的应答器编号数据库，系统就可以在列车通过应答器时，根据应答器编号确定列车运行线路、运行线别、股道号等信息，再利用北斗卫星定位信息匹配轨道电子地图，便可确定列车所在股道。 3.3 轨道电子地图 轨道电子地图存储在电子地图服务器指定位置，包括轨道地理信息数据和固定应用数据。其中，轨道地理信息数据包括经纬度和公里标的对应关系；固定应用数据包括应答器、侧线和转线道岔、管辖边界等关键点的信息。车载设备根据自身位置点的经纬度，在轨道电子地图中查找以自身位置点为中心的一定范围内的轨道记录点，确定距离自身位置点最近的轨道记录点，并对应到相应的线路公里标。如果在轨道电子地图中查找不到以自身位置点为中心的一定范围内轨道记录点，则放弃该次匹配，等待下次获取自身位置点经纬度后再次进行匹配。轨道电子地图匹配示意见图3。  图3 轨道电子地图匹配示意图 综上所述，通过“北斗卫星+应答器信息”的方式，辅以轨道电子地图进行多源融合计算（见图4），确定列车运行位置的公里标。当列车运行于卫星信号正常接收的区段时，车载设备通过卫星定位获取经纬度，根据经纬度匹配轨道电子地图确定公里标，通过应答器编号映射的方式获取运行线路、行别、正/侧线信息。同时，通过经纬度变化趋势或应答器编号的变化趋势，结合轨道电子地图确定运行方向。当列车运行于无法接收北斗卫星信号的区段，如隧道、山区时，车载设备采用5G基站定位获取的经纬度，再匹配轨道电子地图以确定列车公里标。车载设备实时通过列车网络获取运行速度，当无法获取5G基站的经纬度时，采用车速信息推算列车公里标，推算的起始位置为最后一次获取卫星定位信息或应答器编号的位置，此情况下每获取1次应答器编号，立即对当前公里标进行校正。  图4 多源融合定位计算过程 4. 5G网络测试 实现多源融合定位以及防撞预警功能的前提是5G车车通信网络的吞吐量和时延满足要求。目前，我国铁路5G-R还在研发过程中，为此选取某高铁线路测试公网运营商（包含中国移动、中国联通、中国电信）5G网络的服务质量，测试项目包括5G网络覆盖、上传速率、下载速率、传输时延等。经测试，下载速率峰值618Mbit/s，均值为198Mbit/s，有4个不同位置中断。上传速率峰值277Mbit/s，均值50Mbit/s，也有4个不同位置中断，且与下载测试中断位置均不同。平均时延49.78ms，最小时延18.00ms，最大时延超过1000ms。因此，该速率能满足车车通信系统4Mbit/s的需求，但不稳定，测试线路长约150km，有8次通信中断。 5. 结束语 当车车通信系统应用于防撞预警的情况时，对通信时延以及丢包率的要求较高，表现为不仅要求平均时延低，最大时延也需要尽可能低，而且通信中断时间要足够短，否则严重的丢包情况是不可接受的。因此公网所表现出的不稳定性，对车车通信系统在防撞预警中的应用有较大风险，5G-R对于铁路场景下的应用会有更优秀的性能。另外，铁路运输涉及安全性，目前铁路在公网的一些应用不涉及运输安全，并且采用了非常复杂的网络安全保障系统，实际应用效率并不高。对于车车通信这种与列车运行直接相关的应用，采用5G-R显得尤为重要。 相关信息 作 者： 汪洋 中国铁道科学研究院集团有限公司 张志豪 中国铁道科学研究院集团有限公司 杨居丰 中国铁道科学研究院集团有限公司 高尚勇 中国铁道科学研究院集团有限公司 引用文本：汪洋,张志豪,杨居丰,等. 基于铁路5G-R的车车通信车载设备方案 [J]. 中国铁路, 2022 (9): 100-104. THE END 欢迎访问编辑部网站：http：//cr.crj.com.cn |
技术支持|试题宝|手机版|铁道行业职教培训考试网站平台|铁道职培
( 鲁ICP备18021794号-3|
鲁公网安备37130202372799 )
GMT+8, 2025-5-3 17:59 , Processed in 0.089273 second(s), 32 queries .
Powered by Discuz! X3.5
© 2001-2025 Discuz! Team.
