基于5G技術(shù)的新一代列控通信系統(tǒng)研究

謝和歡

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

2020年8月中國國家鐵路集團(tuán)頒布了《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》（簡(jiǎn)稱綱要），提出到2035年，要率先完成現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)建設(shè)，建成智能高鐵實(shí)現(xiàn)智慧鐵路。綱要特別提出要自主研發(fā)新型智能列控系統(tǒng)，智能牽引供電系統(tǒng)，智能綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)以及新一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和5G應(yīng)用，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)提升鐵路現(xiàn)代化水平。可以預(yù)見，未來高鐵列控系統(tǒng)將是以北斗、5G通信等新技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代智能控制系統(tǒng)。

1 新一代列控系統(tǒng)簡(jiǎn)述

國內(nèi)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)配置按功能從CTCS-0到CTCS-4劃 分 為5級(jí)，其 中，CTCS-2和CTCS-3是目前國內(nèi)高鐵主流使用的列控系統(tǒng)。而CTCS-4系統(tǒng)則是基于移動(dòng)閉塞、北斗導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛和5G通信等技術(shù)研制的新一代列車控制系統(tǒng)，智能化程度高，在國內(nèi)高鐵列控技術(shù)中具有里程碑意義。

2 新一代列控?zé)o線通信系統(tǒng)概述

在2020年前，國內(nèi)鐵路專網(wǎng)通信系統(tǒng)傾向從GSM-R演進(jìn)至LTE-R。但從技術(shù)上看，LTE-R 依然存在車地?zé)o線通信的切換穩(wěn)定性、空口時(shí)延等問題。隨著5G上升為國家戰(zhàn)略，鐵路通信網(wǎng)將從 GSM-R 時(shí)代進(jìn)入 5G-R 時(shí)代，為大數(shù)據(jù)技術(shù)在鐵路的應(yīng)用提供基礎(chǔ)，以提高鐵路信息化、智能化水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級(jí)。

5G作為一種新型移動(dòng)通信技術(shù)，具有高帶寬、高速度、大容量、低功耗、低時(shí)延、萬物互聯(lián)、信息可感知可調(diào)控的特征，可以滿足未來虛擬現(xiàn)實(shí)、智能制造、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用需求。是智能化時(shí)代的標(biāo)志性技術(shù)和重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是滿足新一代列控系統(tǒng)無線通信需求的最佳選擇。

車地?cái)?shù)據(jù)通信是保障列控系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)，其傳輸速率、可靠性和安全性要求高，是5G-R的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。因此，開展5G-R的列控車地通信技術(shù)研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制、列車自動(dòng)駕駛，保障鐵路安全、可靠、高效運(yùn)營，對(duì)于促進(jìn)智能鐵路的發(fā)展都具有重要意義。5G-R的車地通信系統(tǒng)的核心設(shè)備包括5G-R車載電臺(tái)、 接入網(wǎng)（基站）、核心網(wǎng)等。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。車載設(shè)備（ATP/ATO）通過車載電臺(tái)接入5G-R網(wǎng)絡(luò)，無線閉塞中心（RBC）通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Data Network，DN）接入。其中，5G-R車載電臺(tái)和列控?cái)?shù)據(jù)傳輸是本文的研究重點(diǎn)。

圖1 5G-R列控通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of 5G-R train control communication system

3 5G-R車載電臺(tái)基本設(shè)計(jì)

5G-R電臺(tái)是適應(yīng)于5G-R列控通信系統(tǒng)的車載無線接入終端，是列控系統(tǒng)車載設(shè)備的重要組成部分，它通過5G-R網(wǎng)絡(luò)與RBC建立起數(shù)據(jù)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(jìn)行AT指令交互和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5G-R車載電臺(tái)是嵌入式系統(tǒng)與5G Modem的結(jié)合。在其上運(yùn)行了電臺(tái)核心控制程序，用于處理和車載ATP的AT指令交互以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（Point to Point Protocol，PPP）的過程處理和具體配置。在其操作系統(tǒng)內(nèi)封裝PPP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧，具備撥號(hào)上網(wǎng)功能。

3.2 與ATP的接口

5G-R電臺(tái)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(hào)線差分傳輸AT指令、結(jié)果碼和數(shù)據(jù)。其中，指令和結(jié)果碼以ASCII碼傳輸，數(shù)據(jù)以比特流方式透明傳輸。RRC與5G-R電臺(tái)之間通過RTS、CTS、DSR、DTR、DCD等硬件握手信號(hào)控制數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)機(jī)。

3.3 AT指令

AT 指令是用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備與數(shù)據(jù)電路終端之間連接與通信的協(xié)議，通常采用標(biāo)準(zhǔn)串口來收發(fā)。ATP通過AT指令控制電臺(tái)參數(shù)配置，獲取終端信息，發(fā)起與RBC的撥號(hào)連接，建立5G-R通信鏈路。不同制式的移動(dòng)臺(tái)有各自的AT指令集。針對(duì)5G-R電臺(tái)，新增了部分AT指令以適應(yīng)電臺(tái)的新特性。例如：AT+CG5QOS用于設(shè)置5G QoS參數(shù)；AT+C5GREG為5G網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)相關(guān)AT命令；AT+CGDCONT設(shè)置命令用于定義分組數(shù)據(jù)協(xié)議上下文參數(shù)。

3.4 PPP協(xié)議

PPP屬于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，是一種在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接上傳輸多協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)方法。PPP 協(xié)議之下是以太網(wǎng)或串口等物理層，之上是IP協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)層。PPP規(guī)定了數(shù)據(jù)幀封裝方法和交互流程，主要用來通過撥號(hào)或?qū)＞€方式建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接以接收發(fā)數(shù)據(jù)。PPP協(xié)議主要由3部分組成：鏈路控制協(xié)議（LCP）、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）和PPP擴(kuò)展協(xié)議。LCP是PPP協(xié)議的底層部分，用來配置、建立、測(cè)試和關(guān)閉數(shù)據(jù)通信鏈路。NCP是PPP協(xié)議的高層部分，用來建立和配置不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，主要作用是獲取通信雙方的網(wǎng)絡(luò)層地址。NCP包括一族網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，常見的有用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)使用的IPCP網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議和用于SPX/IPX網(wǎng)絡(luò)的IPXCP網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議等。PPP協(xié)議組成示意如圖2所示。5G-R電臺(tái)使用的NCP協(xié)議是IPCP協(xié)議。在5G-R電臺(tái)中實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議是讓電臺(tái)具備撥號(hào)上網(wǎng)功能的關(guān)鍵。

圖2 PPP協(xié)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(jīng)過5G-R無線覆蓋區(qū)域前，會(huì)從地面應(yīng)答器讀到準(zhǔn)備切換為5G-R網(wǎng)絡(luò)的預(yù)告命令，此時(shí)ATP會(huì)向5G-R電臺(tái)發(fā)出：AT＋COPS？指令查詢電臺(tái)注冊(cè)狀態(tài)，如果電臺(tái)返回：13，+COPS: 1，2，“46020”，7則表示電臺(tái)已經(jīng)注冊(cè)到5G-R網(wǎng)絡(luò)。然后，ATP不斷向電臺(tái)發(fā)出：AT+CSQ指令檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，以準(zhǔn)備發(fā)起PPP撥號(hào)。列車?yán)^續(xù)前行，當(dāng)列車從地面應(yīng)答器讀到切換為5G-R網(wǎng)絡(luò)的命令時(shí)，ATP向5G-R電臺(tái)發(fā)出：AT＋CGDATA=“M-0000”，1指令，使電臺(tái)進(jìn)入分組交換(Packet Switch，PS)域狀態(tài)，并使5G Modem進(jìn)入連接狀態(tài)。若電臺(tái)返回：CONNECT則表示連接5G-R網(wǎng)絡(luò)成功。ATP隨后開始發(fā)起PPP鏈路建立過程，按照PPP協(xié)議建立數(shù)據(jù)通信鏈路。ATP首先按照LCP協(xié)議同電臺(tái)動(dòng)態(tài)協(xié)商配置串口鏈路參數(shù)，然后按照NCP協(xié)議協(xié)商PPP報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)以獲取IP地址。NCP過程成功后，在ATP系統(tǒng)和電臺(tái)內(nèi)部都會(huì)映射出一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)接口ppp0，并被注冊(cè)到各自的TCP/IP協(xié)議棧中。這時(shí)，ATP就可以通過這個(gè)虛擬網(wǎng)卡提供的socket 接口與RBC建立IP網(wǎng)絡(luò)連接傳輸IP報(bào)文了。

3.6 數(shù)據(jù)傳輸處理過程

ATP上的應(yīng)用程序向RBC發(fā)送IP數(shù)據(jù)包，這些IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過TCP/IP協(xié)議棧流向內(nèi)核PPP協(xié)議處理模塊（PPP驅(qū)動(dòng)），PPP驅(qū)動(dòng)將IP包按PPP協(xié)議封包后發(fā)送到PPP TTY線路規(guī)程，TTY線路規(guī)程將PPP IP數(shù)據(jù)幀格式化后發(fā)送給TTY驅(qū)動(dòng)程序，這樣，經(jīng)PPP封裝后的 IP數(shù)據(jù)包就被串口發(fā)送出去。數(shù)據(jù)收發(fā)過程如圖3所示。

5G-R電臺(tái)中的PPP協(xié)議棧從串口讀入PPP幀，并對(duì)PPP過程控制幀和IP應(yīng)用數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分流。PPP過程控制幀則會(huì)被放到操作系統(tǒng)的/dev/ppp設(shè)備隊(duì)列中, 5G-R電臺(tái)上的核心控制程序會(huì)讀取該隊(duì)列的數(shù)據(jù)進(jìn)行PPP過程處理，以完成和ATP的PPP交互過程。而應(yīng)用數(shù)據(jù)幀中的IP包被提交到內(nèi)核的TCP/IP協(xié)議棧，然后交由電臺(tái)空口無線協(xié)議棧進(jìn)一步處理后，通過無線信道發(fā)送到5G基站，再經(jīng)5G核心網(wǎng)最后送達(dá)RBC。這樣便實(shí)現(xiàn)了車載電臺(tái)控制路徑與數(shù)據(jù)路徑，策略與機(jī)制的有效分離，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更優(yōu)化。

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

5G-R電臺(tái)從基站接收的數(shù)據(jù)經(jīng)空口無線協(xié)議棧處理還原出IP包后被送到電臺(tái)內(nèi)核的TCP/IP協(xié)議棧，由于IP包中目的地址為ATP的IP地址，這些IP包會(huì)被電臺(tái)的TCP/IP協(xié)議棧發(fā)送到PPP 驅(qū)動(dòng)，由后者按PPP協(xié)議封裝后送到TTY線路規(guī)程，然后經(jīng)TTY驅(qū)動(dòng)通過串口發(fā)送給ATP。ATP 上的PPP協(xié)議棧從串口讀入PPP幀，同樣對(duì)PPP過程控制幀和應(yīng)用數(shù)據(jù)幀分別處理。提取出來的IP包被提交到ATP內(nèi)核的TCP/IP協(xié)議棧，然后由協(xié)議棧發(fā)送給ATP應(yīng)用程序。這樣，從RBC來的IP包就被送到了ATP。

4 5G-R電臺(tái)空口無線協(xié)議棧設(shè)計(jì)

5G-R電臺(tái)的空口采用5G 標(biāo)準(zhǔn)的新空口（New Radio，NR)，NR是基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）設(shè)計(jì)的全新空口，可以實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延和高可靠性，非常有利于車地通信數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸。

5G-R電臺(tái)無線協(xié)議棧也分為控制面和用戶面兩個(gè)平面。其中，控制面（Control Plane，CP）協(xié)議棧是傳輸控制信令所采用的協(xié)議簇。用戶面（User Plane，UP）協(xié)議棧是傳輸用戶數(shù)據(jù)所采用的協(xié)議簇。

5G-R電臺(tái)無線協(xié)議棧控制面與 LTE-R 基本一致，分為網(wǎng)絡(luò)層（L3）、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)匯聚協(xié)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(duì)于用戶終端（ UE）側(cè)，所有的控制面協(xié)議棧都位于 UE 內(nèi)。而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，除 NAS層位于核心網(wǎng)的 接入和移動(dòng)管理功能AMF網(wǎng)元，其余均位于 5G基站gNB 上，具體如圖 4 所示。

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

5G-R電臺(tái)無線協(xié)議棧用戶面協(xié)議棧分為數(shù)據(jù)鏈路層（L2）和物理層（L1）。L2相對(duì)于 LTE-R 增加了服務(wù)數(shù)據(jù)適應(yīng)協(xié)議層（Service Data Adaptation Protocol，SDAP ）。對(duì)于 UE 側(cè)，所有的用戶面協(xié)議棧都位于 UE 內(nèi)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，用戶面協(xié)議棧也同樣都存在于 gNB 內(nèi)，如圖 5所示。

圖5 NR無線協(xié)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(wǎng)絡(luò)中無線側(cè)依然沿用4G網(wǎng)絡(luò)中的無線承載的概念，但5G中的核心網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化業(yè)務(wù)，其基本的業(yè)務(wù)通道從4G時(shí)代的數(shù)據(jù)無線承載（Data Radio Bearer，DBR）的概念細(xì)化到以服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)流為基本業(yè)務(wù)傳輸單位。 這樣一來，在無線側(cè)的DBR就需要與5G中的QoS 流進(jìn)行映射，這就需要增加一個(gè)適配子層SDAP，來完成對(duì)QoS流與DBR之間的映射并為數(shù)據(jù)包添加QFI（QoS flow ID）標(biāo)記。也就是說5G包括兩層映射：一層是用戶平面功能（UPF）實(shí)現(xiàn)IP流到QoS流的映射。另一層是gNB實(shí)現(xiàn)QoS流和無線承載DBR的映射。

LTE系統(tǒng)中QoS由核心網(wǎng)來控制，無線側(cè)只能被動(dòng)適配，5G系統(tǒng)中 QoS由無線側(cè)控制，因而更加靈活；4G的承載粒度較粗，單用戶最多8個(gè)DBR，5G的承載粒度更細(xì)，基站和UPF最多可達(dá)64個(gè)QoS流，空口單用戶最多可達(dá)16個(gè)DBR。5G接入網(wǎng)和核心網(wǎng)通過將數(shù)據(jù)IP流映射為適當(dāng)?shù)腝oS流（根據(jù)時(shí)延、傳輸速率等要求）和DBR以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，非常適合于要求延遲低而可靠性高的列控業(yè)務(wù)。

4.2 PDCP子層

在用戶平面上， PDCP子層接收SDAP數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的加解密、完整性保護(hù)驗(yàn)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(fù)分組檢測(cè)功能。在控制平面，PDCP子層為上層RRC提供信令傳輸服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)RRC信令的加密和一致性保護(hù)，以及在反方向上實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)提供分段和重傳業(yè)務(wù)。RLC PDU的數(shù)目根據(jù)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(duì)RLC PDU進(jìn) 行 分段；當(dāng)MAC層的混合式自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）已經(jīng)用盡重發(fā)次數(shù)，RLC會(huì)繼續(xù)重發(fā)。

RLC有3種模式，分別是TM透明模式、UM重發(fā)非確認(rèn)模式、AM重發(fā)確認(rèn)模式。AM模式在高層數(shù)據(jù)上添加必要的控制協(xié)議開銷后進(jìn)行傳送，并保證傳遞到對(duì)等實(shí)體。一般用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，尤其適合包括列控業(yè)務(wù)在內(nèi)的關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)。

4.4 MAC子層

MAC子層即媒體接入控制子層，負(fù)責(zé)無線資源分配與管理，實(shí)現(xiàn)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(fù)用、信道轉(zhuǎn)換、優(yōu)先級(jí)處理、調(diào)度管理以及基于HARQ機(jī)制的錯(cuò)誤糾正和重傳功能。對(duì)于上行：復(fù)用從一條或多條邏輯信道下來的數(shù)據(jù)（MAC SDUs）到傳輸塊，并通過傳輸信道發(fā)送到物理層。 對(duì)于下行：把從傳輸信道傳送過來的傳輸塊解復(fù)用成MAC SDU，并通過相應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。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(hào)（無數(shù)個(gè)正交的子載波），為多個(gè)不同的用戶，發(fā)送一連串經(jīng)過調(diào)制、編碼后的比特?cái)?shù)據(jù)。5G物理層的主要功能是：錯(cuò)誤檢測(cè)、FEC加密解密、速率匹配、物理信道的映射、調(diào)整和解調(diào)、頻率同步和時(shí)間同步、無線測(cè)量、MIMO處理、射頻處理。5G-R車載電臺(tái)物理層的功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要涉及到無線資源、多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)等，具有nFAPI、eCPRI、CPRI 3大接口。相比于LTE物理層，5G物理層調(diào)制和編碼效率更高，對(duì)信道處理更穩(wěn)健。有利于提高5G-R車載電臺(tái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖6 5G-R電臺(tái)物理層的功能結(jié)構(gòu)Fig.6 Functional structure of the physical layer of 5G-R radio

5 列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在空口無線協(xié)議棧的處理過程

從數(shù)據(jù)上行過程（ATP到RBC）方向來看，列車運(yùn)行過程中形成的列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被封裝在一個(gè)或多個(gè)IP數(shù)據(jù)包中。一個(gè)個(gè)連續(xù)的IP數(shù)據(jù)包形成IP數(shù)據(jù)流。5G-R電臺(tái)的UPF收到來自ATP的IP數(shù)據(jù)流后，會(huì)根據(jù)列控業(yè)務(wù)的QoS 需求，將IP 數(shù)據(jù)流映射為 QoS 流，并在數(shù)據(jù)的封裝報(bào)頭中打上 QFI，以標(biāo)記數(shù)據(jù)所屬的QoS流。接著，QoS流被送到空口協(xié)議棧鏈路層的SDAP子層，SDAP根據(jù)基站提供的QoS到DBR的映射關(guān)系，將QoS流映射到對(duì)應(yīng)的DBR上。然后，SDAP將IP包打包為PDU(增加SDAP協(xié)議頭)投遞給PDCP層。

當(dāng)SDAP PDU到 達(dá) PDCP子層后，成為PDCP層的SDU，SDU首先被存儲(chǔ)在一個(gè)緩沖區(qū)中。隨后，PDCP層對(duì)到達(dá)的SDU進(jìn)行序列編號(hào)，以便于接收端準(zhǔn)確判斷出數(shù)據(jù)分組是否按序到達(dá)，以及是否有重復(fù)分組，從而能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。緩存是5G NR新增的功能，進(jìn)一步保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，非常適合于列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的無線傳輸。然后，PDCP層會(huì)將SDU中的IP包的頭部進(jìn)行壓縮，并將IP包加密（加密機(jī)制進(jìn)一步保證了車地列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性），再將SDU添上PDCP協(xié)議頭，成為PDCP PDU，隨后通過服務(wù)訪問點(diǎn)（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(lián)RLC SDU以適應(yīng)RLC PDU的大小，并添加RLC協(xié)議頭形成RLC PDU。針對(duì)列控業(yè)務(wù)，5G-R電臺(tái)RLC層會(huì)采用AM工作模式為其提供可靠數(shù)據(jù)傳輸，將RLC PDU通過邏輯信道傳遞給MAC層。如果數(shù)據(jù)傳輸有問題，RLC層會(huì)重傳該RLC PDU。這進(jìn)一步保證了列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)車地通信的可靠性。

RLC PDU通過邏輯信道到達(dá)MAC子層后，成為了MAC SDU。MAC子層的 MAC PDU 具有一個(gè)頭部，若干控制單元，若干MAC SDU，可能還有填充位。每一個(gè)控制單元對(duì)應(yīng)一個(gè)SDU或者填充位。MAC PDU會(huì)通過傳輸信道被送到物理層。

從MAC層發(fā)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(jīng)過CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，經(jīng)過信道編碼后進(jìn)行速率匹配，形成碼字。第二步是對(duì)碼字進(jìn)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(tái)和小區(qū)之間的干擾。第三步是對(duì)加擾后的比特序列進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后得到的復(fù)數(shù)值信號(hào)，要進(jìn)行層映射和預(yù)編碼，預(yù)編碼結(jié)果通過天線端口映射得到復(fù)數(shù)信號(hào)，每個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)和子載波運(yùn)算后形成OFDM符號(hào)。OFDM符號(hào)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、功放、射頻等一系列操作最終發(fā)射出去。數(shù)據(jù)在空口無線協(xié)議棧的處理過程如圖7所示。

從數(shù)據(jù)下行過程（RBC到ATP）方向來看，就是上述過程的一個(gè)反向過程。

6 5G-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G-R的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括無線接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)（5GC）。在5G-R網(wǎng)絡(luò)中，RAN不再像LTE接入網(wǎng)那樣由BBU、RRU、天線組成。而是被重構(gòu)為3個(gè)功能實(shí)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(shí)時(shí)部分分割出來，負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù)。DU由BBU的剩余功能組成，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)。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(jìn)行網(wǎng)元功能虛擬化（NFV），大大降低5G-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

圖7 5G-R電臺(tái)空口無線協(xié)議棧Fig.7 Air interface wireless protocol stack of 5G-R radio

原LTE核心網(wǎng)在5G-R中被拆分為5G核心網(wǎng)（5G Core，5GC）和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊界計(jì)算平臺(tái)（Mobile Edge Computing，MEC）兩 部 分。這種拆分、細(xì)化，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，以更靈活地應(yīng)對(duì)不同鐵路通信業(yè)務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的不同特性要求的特定場(chǎng)景需求。切片，簡(jiǎn)單來說，就是把一張物理上的網(wǎng)絡(luò)，按應(yīng)用場(chǎng)景劃分為N張邏輯網(wǎng)絡(luò)。不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于不同場(chǎng)景。例如，為列控業(yè)務(wù)單獨(dú)分配一個(gè)切片，滿足其速度、延時(shí)和連接數(shù)的要求，讓其不受其他業(yè)務(wù)的影響，以充分保證列控業(yè)務(wù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。5GC采用的是基于服務(wù)的架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA），該架構(gòu)基于云原生構(gòu)架設(shè)計(jì)，把原來具有多個(gè)功能的整體，分拆為多個(gè)具有獨(dú)自功能的個(gè)體，實(shí)現(xiàn)各自的微服務(wù)，如圖7所示，其中虛線內(nèi)為5G-R核心網(wǎng)。這樣，雖然網(wǎng)元數(shù)量大量增加了，但由于網(wǎng)元硬件都是在虛擬化平臺(tái)里面虛擬出來的，故非常容易擴(kuò)容、縮容，也易于升級(jí)、割接，并且相互之間不會(huì)造成太大影響。大大方便5G-R網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

7 列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在5G-R網(wǎng)絡(luò)的處理過程

當(dāng)5G-R RAN的基站通過NR空口收到來自車載電臺(tái)的無線信號(hào)后，經(jīng)過無線協(xié)議棧處理后還原成列控業(yè)務(wù)IP包，隨后，IP包被RAN使用GTP-U協(xié)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(dá)至RBC。數(shù)據(jù)協(xié)議棧處理過程件如圖8所示。RBC發(fā)往ATP的數(shù)據(jù)傳輸同樣是該過程的一個(gè)反向過程。

8 結(jié)束語

本文從車地列控業(yè)務(wù)傳輸角度對(duì)基于5G技術(shù)的新一代列控通信系統(tǒng)5G-R進(jìn)行研究，分析了數(shù)據(jù)在整個(gè)傳輸過程所經(jīng)歷的協(xié)議封裝/解封過程，闡述5G-R在滿足列控業(yè)務(wù)傳輸速率、低延時(shí)、可靠性等特性要求的適應(yīng)性。創(chuàng)新了5G-R車載電臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)方法，提出地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和接口。新研制的5G-R車載電臺(tái)使車載設(shè)備可以無需改造硬件接口，就能實(shí)現(xiàn)從支持GSM-R通信轉(zhuǎn)換到支持5G-R通信，既能滿足未來CTCS-4列控傳輸車地?cái)?shù)據(jù)（包括列控信息、列出自動(dòng)駕駛信息、列車安全防護(hù)預(yù)警信息等）的業(yè)務(wù)要求，也能滿足車載運(yùn)營維護(hù)信息的傳輸要求，為高鐵列控智能化奠定了通信基礎(chǔ)。

圖8 5G-R網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Fig.8 5G-R network protocol stack